新型玻璃纤维复合材料在航油管道强度修复中的应用

毛建津,贾 帅,孟祥山,王炳军,张金勇

(中航油京津冀物流有限公司,天津 300300)

随着社会经济的发展,油气资源需求持续增长,国内油气长输管道的建设发展迅猛。据统计国内现役管道中有60%服役时间超过20 a[1]。由于油气输送管道长期处于复杂的地下环境,因此受到土壤介质、地下水、杂散电流的影响,易造成管道腐蚀损坏。管道外腐蚀是导致管道破坏的重要的原因之一[2]。管道在铺设和服役过程中,机械损伤会造成管道缺陷,造成腐蚀加剧。管壁减薄、强度降低和承压能力下降,必将给管道安全造成重大隐患,需要及时进行修复[3]。

纤维复合材料修复技术最初用于加固桥梁混凝土结构,从20世纪末开始逐步应用到压力管道上。起初主要是采用碳纤维充填树脂的方式进行管道修复,美国和加拿大等进行大量的试验,并开展一系列的理论分析和数值模拟计算,证实了纤维复合材料高强度。随着技术发展、新材料不断涌现,玻璃纤维复合材料开始逐步应用到管道修复[4-5]。研发了一种新型玻璃纤维复合材料,并对其性能指标进行测试检验,结果表明其各项指标性能优异,适用于管道腐蚀修复,并且能够提高管道强度和确保管道安全。

1 复合材料补强的优点

传统的油气管道修复补强主要包括打磨、堆焊、A型套筒、B型套筒、环氧套筒、复合材料补强、机械卡箍和换管等方法。油气属于易燃易爆危化品,且管道在运行过程中承受压力较大,使得焊接类修复方法存在极大安全风险;再者,动火作业审批流程严格,实施焊接修复对周边环境影响大,因此,一般都很谨慎。套筒夹具类修复方法,由于套筒夹具本身质量大,修复过程中需要吊装设备辅助,受施工场地环境限制较多,因此,实施困难[6-8]。

与传统管道修复方法相比,玻璃纤维复合材料修复技术优点明显,在修复过程中无需明火,从而降低了修复施工的风险和对周边环境影响。采用纤维复合材料修复管道可带压操作,不会影响管道的正常运行。施工简捷,无需大型机械设备,对操作空间要求低;修复周期短,通常2～3 h即可完成;施工温度范围广,不同季节和天气都能施工。施工过程无需电源动力,在偏远野外没有电力情况下也能正常进行。玻璃纤维复合材料强度高,其弹性模量与钢的弹性模量接近,能有效承载管道的压力,减少管道膨胀和变形。玻璃纤维复合材料抗拉伸强度高,修复后管道的安全性能高。玻璃纤维复合材料可设计性好,湿法缠绕,铺设方式灵活,可以对环焊缝、螺旋焊缝、弯管、弯头、三通、绝缘接头以及大小头不规则管件进行修复补强。玻璃纤维复合材料抗蠕变性能优良,其强度不会随着时间的延长发生变化,且在地下水介质中玻璃纤维复合材料性能稳定[9]。玻璃纤维复合材料可以根据缺陷危险性或腐蚀严重情况,在施工过程中调整玻璃纤维布层数、种类及铺设方式来提升修复的强度,增加可靠性。

综上所述,采用玻璃纤维复合材料修复管道已经成为管道缺陷修复技术发展的新方向。玻璃纤维复合材料应用在管道修复中越来越广泛,这也促进了新型玻璃纤维复合材料的技术研发,使得生产工艺更加成熟和成本不断降低。

2 新型玻璃纤维复合材料性能

研发的PolyArmor新型玻璃纤维复合材料由管道补强配套胶、玻璃纤维配套胶和高强度单向玻璃纤维组成。管道补强配套胶材料为无溶剂防护涂料,由改性环氧树脂基体与常温固化改性胺组成,并采用纳米增强技术,具有强度高和粘接好的特点,适用于金属材料的修复与加固。本产品具有良好的触变性,使用中不流挂、不下坠,施工性能优异。PolyArmor新型玻璃纤维材料按照GB/T 2567—2008 《树脂浇筑体性能试验方法》进行性能测试,结果见表1。

表1 PolyArmor缺陷修补材料技术指标

玻璃纤维配套胶成分与PolyArmor管道补强配套胶相似,为无溶剂防护涂料,由改性环氧基树脂基体与常温固化改性胺组成。该配套胶与玻璃纤维的渗透浸润性好,并结合玻纤物性,强度与韧性均衡,适合与各种玻纤材料配套,组成复合材料的防腐与加固体系。PolyArmor玻璃纤维配套胶技术指标见表2。

表2 PolyArmor玻纤补强配套胶技术指标

高强玻璃纤维单向织物,是一种经编复合材料,采用玻璃纤维纱由经编织机编织而成。高强玻璃纤维单向织物布面不易变形,渗透性能好,膨胀系数小,骨架轻,变形小,易于操作。纱线是伸直且相互平行排列的,纤维的强度和刚度在复合材料中得以充分发挥,从而减少材料消耗,降低成本。同时还具有较高的的抗疲劳性及损伤容限,从而提高了材料的使用寿命及可靠性,其具有良好的耐腐蚀性,易于被树脂浸润,层间粘合好,能适合各种曲面,施工效率高;同时具有防火、阻燃、防水、耐老化、耐气候性、高强度和高模量等特点。高强玻璃纤维单向织物技术指标见表3。

在玻璃纤维复合材料使用过程中只有保证PolyArmor缺陷修补材料、PolyArmor玻纤补强配套胶和高强玻璃纤维单向织物三种材料配套使用,才能形成高强度的复合材料和达到修复的效果。使用过程中,需要对腐蚀或者损伤管道进行清理,除去表面浮锈,打磨至露出金属光泽,然后用缺陷修补料进行修补;待修补材料固化后(固化大约 1 h),在补强处涂刷玻纤配套胶并缠绕玻纤布,在缠绕每层玻纤布后都需要使用配套胶并保证配套胶浸透玻纤,只有缠绕的几层协同受力才能保证其良好的整体性。整体固化后形成的玻纤复合材料具有极高的抗拉强度和弹性模量,分担管道承受的载荷,限制管道缺陷处由内压引起的径向膨胀和环向拉伸应力,从而达到对缺陷补强的目的,恢复管道的正常承压能力。

3 耐压试验

为了测试PolyArmor新型玻璃纤维复合材料补强效果,对补强后的管道进行打压爆破试验。在试验过程中,当压力分别达到11.20 MPa和 14.20 MPa时,保持60 min后未发生泄漏和屈服变形等异常情况;继续增压为28.23 MPa时,管体发生破裂,但破裂位置不在玻璃纤维补强处。打压爆破试验结果表明:PolyArmor新型玻璃纤维复合材料强度高,耐压能力强,对于压力管道的补强效果好。

4 工程应用

某输油站场管道内出口的埋地管段,管道直径φ323.9 mm,管道壁厚7.1 mm,设计压力7.9 MPa,此管段内检发现存在外部腐蚀减薄缺陷,腐蚀深度分别为20%,21%和29%。腐蚀位置位于出站管线绝缘接头的两侧,靠近绝缘接头,套筒不易安装。为了加强管道的使用性能,提高管道运行的安全性和可靠性,需要对此减薄缺陷处进行补强及整体外防腐处理。首先对管道表面进行打磨处理,除锈等级应达到St3级,并在管体表面进行锚纹处理,达到GB/T 8923.1—2011要求。复合材料修补前用抗氧化专用清洗剂清洗钢管表面,并保证其充分干燥。

PolyArmor缺陷修补材料A和B按照10∶1比例充分搅拌,混合均匀,目测无色差。将混合好的缺陷修补料填充到处理后的管道表面所有外部缺陷中(蜂窝、麻面和小孔等),包括螺旋焊缝或环焊缝两侧,直至填料完全填充饱满。待修补材料固化后(大约1 h)进行打磨找平。缺陷修补剂在修复完毕固化后会形成类似于钢铁的坚硬物质,且与钢的表面有很好的粘接效果。

然后将玻纤浸渍料H6001和H6002按照 4∶1 比例充分混合、搅拌均匀,目测无色差。在补强处涂刷玻纤配套胶并缠绕玻纤布,在缠绕每层玻纤布后都需要涂刷配套胶并保证配套胶浸透玻纤,只有这样缠绕的多层协同受力才能保证其良好的整体性。整体固化后形成的玻纤复合材料具有极高的抗拉强度和弹性模量,分担管道承受的载荷,限制管道缺陷处由内压引起的径向膨胀和环向拉伸应力,从而实现对缺陷补强的目的,恢复管道的正常承压能力。

混合完毕的粘胶,常温(25 ℃)下必须保证在 30 min 内使用完毕,并且要边使用边搅拌;一旦超出使用时间或出现凝胶,就不得继续使用。管体缺陷部位应在幅宽为50 cm的玻璃纤维布中部,对纵向较长的缺陷,缠绕时应保证缺陷边缘距纤维布边缘的距离不小于 100 mm。第一层缠绕之前先在管道环向涂刷玻纤配套胶,缠绕一周后,直到树脂充分浸润纤维布,没有干点为止,然后开始缠绕第二层,使用刷子将混合均匀的粘胶均匀地涂刷在纤维布上,再缠绕玻纤布,如此重复。第二道缠绕的第一幅纤维布位置向内错开半幅,使第二道玻纤布中心线压在首道缠绕层幅面交接线上。每缠绕一层玻璃纤维,都需使用专用工具对其进行赶压,防止空鼓。第二道玻纤层缠绕起点处应与首道玻纤缠绕结束位置有3～5 cm的搭接。

完成施工后务必做好成品保护,防止沙尘污染,防止雨淋,2～6 h完成固化,成品见图1。在管表或环境温度低于 10 ℃施工时,应采取加热措施促进复合材料固化。

图1 玻璃纤维复合材料修复后的管道

5 质量检查

固化后补强层必须保证表面平整、无垂滴、无鼓包、无漏刷、无褶皱和补强层无明显错位等现象。常温(25 ℃)下放置4～8 h后,使用巴氏硬度计检测复合材料固化硬度,巴氏硬度不低于 40 HBa 为合格。如果第一次检测不合格,应放置24 h等待固化再次检测。如果采取措施后固化硬度仍然不合格,则需要拆除重新安装。经检测,本次施工外观合格,巴氏硬度为68 HBa,施工质量优良。

6 结 论

PolyArmor新型玻璃纤维复合材料采用纳米增强技术,具有强度高、粘接好的特点,抗拉、抗压强度高,适用于金属材料的修复与加固。修复后管道的耐压强度高,适用于低、中、高压油气长输管道的补强。PolyArmor新型玻璃纤维复合材料施工方便,环境要求低,适用修复范围广,价格低廉,应用前景广阔。