玻璃纤维复合材料补强修复技术研究评价

孙芳萍 黄 志 孙银娟 高 耘

（长庆工程设计有限公司，陕西 西安 710018）

0 引言

复合材料管体缺陷补强修复技术，是上个世纪九十年代开始，在北美应用的一种管体缺陷免焊接补强维修技术，主要用于深度≤80%管道体积型缺陷补强修复[1]。由于其具有比强度、比模量高，可不停输、避免焊接不动火施工，既可适用于各种管径的直管段，也可用于弯头、三通等异型件缺陷的修复等优点，在油气田管道修复中得到应用[2,3]。其根据使用的纤维材料和工艺方法不同，主要分为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维三大类。但无论是哪一种复合材料补强修复技术，其基本修复结构通常由纤维布+补强粘胶+高强填料三层结构组成。在施工现场，使用粘胶充分浸润补强纤维布，然后将浸润了粘胶的纤维布，缠绕在管道修复部位，在一定温度和时间下，粘胶固化后即形成补强复合材料[4,5]。

目前市场上可用于管道修复的纤维复合材料繁多，性能也多有差别，但国内尚没有一个修复工艺的统一标准和参照。各家修复公司针对自己的产品特点，采用各自的修复手册进行现场修复施工。导致复合材料的修复效果也层次不齐。国内目前尚无统一的复合材料修复效果评价标准体系。因此本文通过静水压测试试验，对玻璃纤维修复后的承压能力进行了评价。

1 静水压测试有效性验证[6-10]

1.1 测试方案

选取一根X60钢管件，长度3.5m，管径为φ508，壁厚9mm，在管件上制造缺陷，缺陷深度为70%壁厚，缺陷尺寸为110×70mm。先在缺陷处布置应力测试片，并初步升压至1.5MPa，获取缺陷原始数据。在缺陷处安装高强玻璃纤维复合材料（8层），然后在复合材料表面布置应力测试片，升压至1.5MPa，稳压10min，然后升压3MPa，稳压10min，然后每次升压2MPa，稳压10min，直至升至20MPa，稳压1h。

1.2 测点通道布置

根据有限元模拟结果，在复材补强管体上布置相应测点，测点位置如图1所示。测点1（通道1、2、3）为花片，位于玻纤补强区域壁厚减薄70%缺陷内中部，测点2（通道4、5、6）为花片，位于玻纤补强区域缺陷外部棱角位置，测点3（通道7、8）为“L”形片，位于玻纤缠绕层边缘，被覆盖在缠绕层内，贴在管件上，测点4（通道9、10）为“L”形片，位于远离补强区域，为参考点，测点5（通道11、12）为“L”形片，位于玻璃纤维补强层上，测试在打压过程中玻璃纤维补强层的应力；测点6（通道13、14、15）为花片，位于玻璃纤维补强层边缘，在补强层外，贴在管件上，与测点3形成对比。

图1 测点通道布置图

1.3 补强前静水压测试结果分析

由补强前静水压力测试结果得出，在静水压力为1.5MPa时，各测点周向应力远大于轴向应力。比较各测点的周向应力和综合应力，位于待补缺陷内测点1的周向应力和综合应力，远大于其余测点的周向应力和综合应力，说明壁厚减薄导致测试应力增大，剩余强度降低。位于缺陷外部棱角位置测点2的周向应力为42.1MPa，大于参考位置测点4的周向应力，说明缺陷外部棱角位置在缺陷的影响范围内。位于补强缠绕层边缘处的管体应力测点3的周向应力为37.2MPa，与远离缺陷位置的参考测点4的周向应力35MPa基本接近，说明预补强区域范围选择满足补强范围要求。

表1 补强前静水压测试结果表

通过对管件补强前的静水压测试结果进行分析，得出以下结论：在静水压力下，管件主要受周向力作用，壁厚减薄导致缺陷部位应力增大，剩余强度降低。缺陷内部测点的轴向应力比其余测点的轴向应力大，但仍以周向应力为主。缺陷外部棱角部位受力受到缺陷影响，比远离缺陷位置的参考点应力偏大。

1.4 复合材料补强后静水压测试结果分析

根据测试结果，本文从以下三个方面进行玻璃纤维补强效果的分析。

（1）位于补强层边缘，分别在补强层内、外且贴在管件上的测点3和6

由于两个测点很接近，如果没有补强层的影响，这两个测点的应力应该比较接近。因此，通过比较两个测点的应力曲线，可以有效的说明补强的效果。由这两个测点的Von Mises应力随静水压力变化曲线（图2）可知，位于补强层外侧的测点6，其应力大于位于补强层内测点3的应力，且随着静水压力的增加，两个测点的应力差增大。当静水压力为10MPa、15MPa和20MPa时，两个测点的应力差分别为20.7MPa、50.9MPa、256.9MPa。这是由于补强层分担了测点3的部分载荷，起到补强效果而导致的。

图2 Von Mises应力曲线

由两个测点应力差随静水压力变化曲线图（图3）可知，当静水压力大于18MPa时，应力差急剧增加。因此可知，管体整体屈服时的静水压力为18MPa，也说明当补强区域发生塑性变形时，玻璃纤维补强层的补强效用会得到很大的提升；

图3 应力差与静水压力变化曲线

（2）静水压力为1.5MPa时，补强前后缺陷部位测点应力变化比较

由于补强前后两次静水压力加载，条件有所差异，为保证前后两次载荷测得的数据，在同一载荷等级下比较，可通过测点4，在补强前测得的应力与补强后测得的应力之比，确定修正系数，进行测试应力修正，补强后测试应力乘以修正系数，得到补强后的修正应力值。

由表2可知，减薄70%缺陷内部测点1，补强后的应力是补强前的39%左右，顶角位置测点2，补强后的应力是补强前的55%左右，可以得出，在1.5MPa压力下，玻璃纤维的补强效果较好；

表2 缺陷相关测点补强前后应力测试结果比较

（3）位于缺陷顶角位置的测点2与参考测点4的比较分析

由于测点2位于缺陷的边缘，受缺陷的影响，在静水压力为1.5MPa时，其测试应力在补强前比参考测点4的应力大。补强后，在静水压力为1.5MPa时，测点2的Von Mises应力为31MPa，小于参考测点4的应力值33.1MPa，由此得出玻璃纤维复合材料具有较好的补强效果。为了进一步评价玻纤复材的补强效果，进行了压力大于1.5MPa时，不同静水压力下，测点2和测点4的应力分析比较。

由Von Mises应力随静水压力的变化曲线图可知，当静水压力小于12MPa时，测点2在补强层的作用下，其应力曲线基本和参考测点4重合。说明当静水压力小于12MPa时，在补强层的修复作用，使受缺陷影响的测点2的应力，与缺陷未影响的测点4的应力基本相同，可见补强效果很好。

图4 Von Mises应力随静水压力的变化曲线

2 修复作用机理

管道在运行中就会有圆周应力作用于管壁的各个方向，使得管壁处于膨胀状态。如果管壁的某个部位存在缺陷，缺陷部位将承受更大的压力，当压力超出安全范围，管线就会发生泄漏。玻璃纤维复合材料修复原理是，将玻璃纤维复材缠在管道缺陷外表面，复材与强力胶和填料一起构成复合修复层，缺陷管道修复后，缺陷部位承担的部分应力会传递到复合修复层，从而使管道缺陷部位承担的应力处于安全极限内，保证管道安全运行[11]。

复材修复静水压测试应变与内压的关系如图5所示，其中修复层为8层玻璃纤维，缺陷深度72%壁厚，管道直径508mm，壁厚9mm。由压力测试表明，玻璃纤维复材修复的缺陷在内压6MPa时屈服，根据载荷分担比例ECtmin/EStS[12,13]（E为弹性模量，t为材料厚度），屈服之前载荷分担比例为，复材：缺陷管材≈1∶4.2。修复的缺陷屈服后，管件继续升压过程，载荷分担比例为，复材：缺陷管材≈47∶1，复材开始起主要承载作用，此时缺陷强化后弹性模量急剧变化，复材起到足够补强作用。继续升压，至18MPa时完好管体屈服，管体修复区域外发生明显鼓胀变形。

图5 应变与内压的关系曲线

对施加弯矩数据进行整合，如图6所示，由图可知，复材可以延迟管件缺陷部位的屈服，并使屈服后的管壁几乎不承弯。即复材作用依然是环向强度的分担，抑制鼓胀，完好管壁达到屈服后方能起到足够的分担作用。

图6 弯矩与内压关系曲线

因此，复合材料修复缺陷是依靠自身抗拉强度抑制缺陷鼓胀，控制缺陷鼓胀变形在安全范围以内。复合材料补强技术适合修复强度损失型缺陷，可以通过自身性能抑制缺陷发生鼓胀破坏，复合材料补强技术可以延迟缺陷屈服，并在屈服后分担主要载荷起到补强修复作用，复合材料不适用于扩展型缺陷的修复。

3 结语

通过以上测试分析，可以得出以下结论：

（1）在静水压力下，管件主要受周向力作用，并且壁厚减薄，导致缺陷处应力增大，剩余强度降低；

（2）通过补强边缘内外测点、缺陷相关测点在补强前后测点应力的变化、以及缺陷顶角测点与参考测点的测试应力比较，说明玻璃纤维复材具有较好的补强效果；

（3）根据管道尺寸、壁厚、缺陷面积和缺陷深度，合理计算玻璃纤维最小厚度、补强层数和轴向修复长度是缺陷复材修复效果的关键控制因素；

（4）玻璃纤维复合材料修复管道时，复材和缺陷管材承担压力比例，和两种材质的弹性模量成正比，因此为达到修复效果，复材应有足够的机械强度；

（5）应力应变是钢材力学性能的根本表现，在进行缺陷补强修复时，首先应考虑缺陷的剩余强度。

图7 复材受力示意图