一种碳纤布管道补强法在天然气装置中的应用探讨

陈代双，蒋学奎，魏昊天，王欢，王礼梅，卿松

（重庆长发石油天然气安装工程有限责任公司，重庆 401220）

1 前言

由于天然气管线内含有硫化氢等酸性气体的作用，管道时常会腐蚀减薄，影响天然气净化装置的平稳运行，因此天然气管道需要补强来延长寿命。在修补天然气管道时，由于传统的动火焊接修复需要停产作业，从而产生巨大的修复成本。当焊接的瞬时电流高到一定值时，管道内焊接部位的壁厚会随之减小，就会造成管道被焊穿的情况，最后补救也相当困难，将会造成加固失效甚至影响装置的平稳运行，具有一定的危险。另外焊接补强的工艺要求比较严格，焊接部位会出现应力集中的现象，造成管道或设备的腐蚀加剧。同时管道与补强材料间的受力均匀和性能匹配等问题，易造成氢脆和冷脆的现象，使动火作业补强的寿命难以维持持久。所以我们急需一种适用于天然气管道加固的方式来延长管线的寿命。通过横向比较以及调研重庆长发石油天然气安装工程有限责任公司实际使用情况，发现采用碳纤维布管道加强的方法能有效加固管道。

为了有效验证碳纤维布的适用性，我们制作了试件来验证碳纤维布对钢管的压力的补强效果。（1）根据已腐蚀减薄、机械损伤的工艺管道情况，制作同等壁厚或缺陷试件；（2）利用碳纤维布联合补强试件，通过对模拟试件进行外送力学试验，得出各种材质下补强试件与对比试件耐压强度等指标；（3）通过对减薄管道补强试件试验，总结出净化装置利用碳纤维布联合补强压力管道的最佳施工方法；（4）通过对各部分的数据分析和试验情况的对比，保证在用补强管道有效安全持续运行至下一个检修周期，避免装置因非计划性停车带来的经济损失。

2 水压试验（表1）

表1 水压试验的测试方式及结果

3 试验结论

在碳纤维布的水压试验过程中，随着碳纤维布层数的增加，能承受的最大压力也在随之增加，大致出现线性关系，承受的最大压力与层数的关系见如图1。

图1 缠碳纤维布钢管水压试验压力记录

缠一层的碳纤维布的钢管能承受7MPa 的压力，缠二层的碳纤维布的钢管能承受14MPa 的压力，缠三层的碳纤维布的钢管能承受24MPa 的压力，缠四层的碳纤维布的钢管能承受29MPa 的压力。根据此实验得出结论，缠碳纤维布对钢管承受的极限压力有提高，如果应用在天然气管道上，则碳纤维布对钢管的补强效果显著。

在穿孔的钢管缠绕碳纤维布的水压试验中，试验参照GB/T 23258-2020 钢质管道内腐蚀控制规范的标准执行，试件都采用统一尺寸、不同层数的碳纤维布来制作。为了模拟管道腐蚀的条件，我们参照SY/T 0611 高含硫化氢气田集输系统内腐蚀控制规范，在高含硫化氢天然气的管道和容器碳钢和低碳钢集气管道的腐蚀余量应为2～4mm，压力与层数的关系曲线见如图2。

图2 无硫酸腐蚀与腐蚀后缠碳纤维布的钢管水压试验

根据数据可知，缠三层的碳纤维布已穿孔的钢管能承受1.2MPa 的压力，缠五层的碳纤维布已穿孔的钢管能承受1.6MPa 的压力，经过腐蚀后缠三层的碳纤维布的钢管能承受1.0MPa 的压力，缠五层的碳纤维布的钢管能承受1.6MPa 的压力。

试验结果证明，钢管腐蚀对于碳纤维布的补强效果无影响，且层数越多能承受的压力越大，但对于穿孔的管道，缠碳纤维布补漏的方法所能承受的压力过小，在生产实际中不建议使用碳纤维对已经穿孔的管道进行补漏。

4 结语

通过以上四项试验，得出如下结论：（1）在碳纤维布的水压试验过程中，随着碳纤维布层数的增加，能承受的最大压力也在随之增加，大致出现线性上升关系。（2）使用碳纤维布补强对钢管承受的极限压力有提高，如应用在天然气管道上，则碳纤维布对天然气管道补强效果显著。（3）在穿孔的钢管缠绕碳纤维布的水压试验中，证明随着碳纤维布层数的增多，钢管能承受的最大压力也随之增多。（4）钢管腐蚀对于碳纤维布的补强效果无影响，且层数越多能承受的压力越大，但对于穿孔的管道，缠碳纤维布补漏的方法所能承受的压力过小，在生产实际中不建议使用碳纤维对已穿孔的钢管进行补漏。

综上所述，碳纤维布确实能有效补强管道，提高管道寿命，实现天然气装置不停产的管道补强。