乙二醇管线焊缝碳纤维复合材料修复补强应用

张文斌

(洛阳隆惠石化工程有限公司 泉州分公司，河南 洛阳 471012)

某石油化工厂3802单元全厂工艺及热力管网、3355单元乙二醇罐区自2020年9月开工投用以来多次出现乙二醇管线焊缝出现泄漏。经光谱检验材质复测结果和设计一致。采用卡具注胶及时制止管道泄漏，为了进一步防止焊道裂纹扩散，采用碳纤维复合材料缠绕于管线卡具处，对焊道裂纹及卡具进行补强。为了防止此系统管线其他焊道出现裂纹泄漏，为装置长周期运行，解决此类隐患再次发生，对此系统所有管线焊道进行碳纤维复合材料修复补强。

1 碳纤维复合材料修复

1.1 碳纤维的发展

碳纤维复合材料补强修复技术是20世纪90年以后发展起来的一种高效快捷的新型补强技术。该项技术在国际上深受重视，已广泛用于化工厂、民用建筑、桥梁等特种结构，成为钢质管道结构修复补强的发展趋势。随着复合材料补强技术的不断应用，这一技术已逐渐趋于成熟并开始大范围使用。

1.2 碳纤维加固管道应用优势

与传统的修复技术相比，复合材料补强修复技术具有以下独特的优点：①不需要任何设备，现场施工非常简单；②免焊不动火，降低了管道维修的危险性，可避免焊接所带来的风险，基本上不影响生产，不停输补强，避免停车造成的巨额损失；③耐腐蚀、耐蠕变；④性能优异，适用于各种管道形状，不受几何形状的限制；⑤不影响管道智能检测，适用于各种缺陷类型；⑥可运用于修复腐蚀缺陷、机械损伤、管材材质缺陷等；⑦灵活剪裁、组合铺设总成本较低。

2 碳纤维复合材料补强工艺

2.1 所需材料

①环氧底漆(专用找平胶)：截面找平，填补缺陷，传递压力，分为主剂和固化剂(2∶1)配比。②环氧面漆(碳纤维浸渍胶)：渗透效果好，黏结强度高，抗老化耐腐蚀，施工方便快捷，分为主剂和固化剂(2∶1)配比。③碳纤维复合材料:单向碳纤维布，分担管壁承担的内压，每层缠绕用面漆打底，缠3～5层为宜。

碳纤维复合材料修复工艺由高强度环氧底漆(专用找平胶)、环氧面漆(碳纤维浸渍胶)、碳纤维布3层组成，如需做加糙面处理可在最后一层浸渍胶未干前撒少许石英砂[180～380 μm(40～80目)为宜]。

2.2 操作步骤

基面附着物清理→修补、找平基面→涂刷面胶→黏结碳纤维布→赶气泡压实→涂刷最上层面胶→固化养护。

操作过程中应注意：①基面清理。表面应打磨平整，无任何附着物，黏结部位有尖锐棱角的应打磨成圆角，最小施工内径为20 mm。使用碳纤维布的目的在于改进结构构件，防护加固，应确保基本面的状况，以保证其载荷可以延布料传至基本面。②修补胶基面找平。将专用找平胶按相应比例混合并充分搅拌，依据用量多少取适量为宜，在建筑墙面施工需打墨线保证平直，配制好的胶料确保其在20 min内施工完毕。③涂刷面胶。将碳纤维浸渍胶按比例充分搅拌，用专用施工圆滚筒涂刷第一层面胶，应保证贴合面全部有浸渍胶覆盖，胶量充足饱满，配制好的胶料确保其在20 min内施工完毕。④黏结碳纤维布。将裁剪好的布料平铺到胶面，碳纤维布要平直、延展，如需拼接长度应至少压过20 cm。⑤赶气泡压实。使用橡胶棒或塑料刮板反复碾压，促使碳纤维布平直、延展、无气泡黏合剂充分渗透。⑥涂刷最上层面胶。需在最上层的碳纤维布上涂刷最后一层面胶，保证其充分覆盖布料，确保其充分完全渗透到纤维布中。⑦固化养护。用石英砂石洒在胶的施工面上，确保其黏结性。

3 试验模拟

3.1 管线参数

管线规格(外径×壁厚)为Φ323.9 mm×4.57 mm、Φ273 mm×4.19 mm、Φ219.1 mm×3.76 mm，材质均为304，设计压力2.0 MPa，工作压力1.3 MPa，工作温度常温。

3.2 试验情况判定依据

根据《工业金属管道工程施工规范》GB50235—2010中8.6.4压力试验中第5条规定。

试验压力计算：

pr=1.5p[σ]T/[σ]t

式中：pr，试验压力(表压)，MPa；p，设计压力(表压)，MPa；[σ]T，试验温度下，管材的许用应力(MPa)；[σ]t，设计温度下，管材的许用应力，MPa。

设计温度与试压温度都为常温，计算得出试验压力为：pr=1.5×2.0×1=3.0 MPa。

3.3 试验猜想及猜想验证

试验总共分3种猜想：①管道出现点状砂眼、点蚀；②管道出现裂纹；③管道断裂。

对应的3种猜想，制作相应的工装试验。选用规格为Φ114 mm×3 mm，材质为304不锈钢管道，模拟现场运行管道：①采用管道钻孔模拟管道点状泄漏；②采用管道对口间断焊接模拟管道裂纹泄漏；③采用管道对口不焊接模拟管道断裂。

采用碳纤维复合材料缠绕于管线缺陷处。对试验工作进行水压试验，管道两端采用盲板焊接堵死，在管道上开孔并安装阀门，用于水压试验时上水排水控制。

3.4 试压结果

①模拟点蚀采用碳纤维补强试压结果：管道缓慢升压至3.85 MPa，保持压力>3.0 MPa，稳压10 min，压力表无压降、补强部分无渗漏；②模拟焊道裂纹采用碳纤维补强试压结果：管道缓慢升压至3.0 MPa，稳压10 min降至设计压力2.0 MPa，稳压30 min，检查压力表无压降、补强部分无渗漏；③模拟管道断裂采用碳纤维补强试压结果：当压力升至约0.5 MPa(由于泄漏，未拍到照片)，补强部分出现泄漏现象、压力降为零。

3.5 试验结论

通过点蚀、裂纹、断裂3种泄漏形式模拟试验。模拟点蚀试验结果可看出，强度试压压力达到3.85 MPa，在压力大于《工业金属管道工程施工规范》的情况下，管道碳纤维复合材料补强处无泄漏，则此碳纤维复合材料可以用于此乙二醇管线系统中点蚀情况补强。模拟管线裂纹试验结果可以看出，强度试压压力达到3.0 MPa，参照《工业金属管道工程施工规范》进行压力试验，管道碳纤维复合材料补强处无泄漏，则此碳纤维复合材料可以用于此乙二醇管线系统中管线裂纹补强。模拟管道断裂试验结果可以看出，试压压力约0.5 MPa，补强部分出现泄漏现象、压力降为零，未达到《工业金属管道工程施工规范》压力试验要求，则此碳纤维复合材料不可以用于此乙二醇管线系统中管线断裂补强。

4 结束语

通过试验以及现场实际施工，验证了碳纤维复合材料补强的效果，现场实际施工后乙二醇管线至今再无发生过焊道泄漏。此次试验由于库房材料限制，只找到相同材质材料，未找到相同规格材料，对试验的验证有一定的不足之处。但是从试验以及现场应用效果来看，碳纤维复合材料修复补强，分担了管壁承担的内压以及焊道裂纹扩张方向的作用力，从而达到有效的补强效果。