引言

    現階段，我國大部分在役老管道普遍存在防腐層老化、破損、管體腐蝕、穿孔等問題，一旦出現上述問題，管道強度則不能滿足生產運行需求，而今市面上管道補強技術較多且管理冗亂，一旦補強方法選擇不合適，補強后的強度則不能滿足需求，屆時需要重新開挖、放空、修補，會造成財產、時間及人工的浪費。

    一、管道修復補強分類

    （一）焊接補強

    該方式是在缺陷管道上焊接上補強金屬，從而恢復管道的服役強度。焊接方法分為三種，分別為堆焊、打補丁和打套筒，堆焊主要針對深度不大的單點缺陷，打補丁主要針對小面積多個點腐蝕，而打套筒則主要針對大面積腐。焊接補強施工工藝要求比較嚴格，且焊接材料與管道材質的吻合度也決定了補強的效果好壞。該方法優點是費用較低。但其缺點是 : 焊穿的危險性大；管道與補強鋼材間的傳力均勻和性能匹配問題；易產生氫脆和冷脆。

    （二）夾具類型補強

    該方法主要是通過機械夾具來彌補管材缺失的強度缺陷，從而達到恢復其強度的目的，該辦法的優點是不在運行管道上直接進行焊接，避免了焊穿和氫脆、冷脆的風險；但費用較高且補強壽命難以持久。

    夾具型補強分為夾具和夾具注環氧兩種方法：夾具的補強效果主要取決于夾具與管體的貼緊度，故而施工時只要將管道表面清理干凈即可，施工工序相對簡單，適合在搶維修時等較緊急的情況下使用。夾具注環氧一般情況下可達到強度要求，但這種補強工藝比較復雜。

    （三）纖維復合材料類型補強

    纖維復合材料類型補強是利用纖維材料的高強度 , 結合粘結樹脂在服役的腐蝕或受損管道外包覆一個復合材料修復管道層 , 來恢復含缺陷管道的服役強度，在不影響生產的情況下對受損管體進行強度修復，具有免焊不動火、不停輸、在線、快速修復、操作安全、施工人員少、無須大型設備、費用低等優點，適用于各種缺陷，是管道補強修復的主流方向。不僅如此，復合材料類型的補強還可用于無缺陷管道的提壓增強。由于這類補強方式不用在服役管道上進行焊接，避免了焊穿和發生氫脆、冷脆的風險性，目前該技術已在塔里木油田、大慶油田、蘭成渝管道、澀寧蘭管道、長慶油田等單位的油氣輸送管道上得到廣泛應用。

    纖維復合材料主要有玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料和芳綸纖維復合材料三種補強方式：①玻璃纖維復合材料彈性模量低，若想達到補強效果，需要管體產生塑性變形后方能將修復部位的應力傳遞給修復層；該補強方式不適用于裂紋性缺陷，當焊縫余高和錯邊大時施工難度有所增加。②碳纖維復合材料彈性模量較高，管體一旦承壓，便可達到補強效果；該類型復合材料補強方法不僅適用于體積型腐蝕缺陷，而且適合用于裂紋型缺陷，其對焊縫余高及錯邊要求不嚴。③芳綸纖維復合材料彈性模量高、延展性好、耐腐蝕且不導電，但因該材料具有高度取向結晶微區，分子間氫鍵結合較弱，橫向抗拉強度低，纖維與樹脂的界面結合能較小，粘性和浸潤性差，導致層間剪切強度低，故而限制了它在復合材料中的廣泛應用，現多用于航天航空領域、軍事裝備（如防彈體系）、橋梁墩柱加固等。

    二、碳纖維復合材料補強在昌樂支線的應用

    （一）昌樂支線情況

    以昌樂支線管道修復為例簡要介紹碳纖維補強技術的實際應用。昌樂支線全長約 6 公里，設計壓力 3.8MPa，運行壓力 2.1-2.3MPa，規格 Φ219×6.0mm（局部加大壁厚），材質20# 鋼，3PE 防腐。管線于 2006 年 10 月投產，已運行 10 年。因受外部環境影響、日常管理不到位等因素，造成管道外防腐層破損、管體腐蝕嚴重，其中有一處破損點大小 8*8mm，深度約4mm，管道剩余壁厚2mm，急需修復補強以恢復承壓能力。補強工作采用 AnkoWrapTM 碳纖維復合材料進行。

    （二）缺陷管道修復方案設計

    1、腐蝕缺陷環向應力算法考慮到管道特性，在本次補強設計過程中采用 ASMEB31G-1991 標準，標準規定深度低于 10％的缺陷無需修復；深度超過 80％的缺陷只能進行換管，不得補強。

    2、缺陷的最大允許寬度

    通常，管道只受自身及輸送物質的內力，故而環向尺寸的影響可以忽略不計；只有當寬度足夠大時，才予考慮。用經驗應力增強系數 Mc 來表達腐蝕寬度對管道強度的影響：

    以此法為基礎研究，可以得出：

    （a）當 d<0.5t 時，不考慮環向尺寸；（b）當 0.5t<d<0.6t 時，環向尺寸不能超過圓周的 1/6;（c）當 0.6t<d<0.8t 時，環向尺寸不能超過圓周的 1/12；（d）當 d>0.8t 時，需要采取換管或修復等方式。

    注：當缺陷處的長或寬超過最大允許值時，則按管材本身完全不承力計算。

    本案評價結果：本案中管子規格 Φ219×6.0mm，破損點最深處深度約 4mm，面積約 8*8mm，d/t=0.67，符合環向尺寸（腐蝕缺陷寬度）不能超過圓周的 1/12 的要求。

    3、補強層數算

    （三）修復方案

    缺陷經過表面處理后使用填平樹脂填平后，為恢復管道承壓能力，安全起見：補強層底層先采用 1 層絕緣纖維復合材料進行纏繞，隨后再環向纏繞 7 層碳纖維復合材料，補強層軸向長度 0.5m ；纖維復合材料補強完畢后，補強區域利用粘彈體防腐膠帶進行纏繞防腐，粘彈體防腐膠帶與原防腐層搭接各為 10cm，外層采用聚丙烯冷纏帶纏繞防護。

    （四）修復后強度評價及意義

    經修復補強后，缺陷部位達到原設計承壓 3.8MPa 的壓力，結果評價：良。

    昌樂支線碳纖維補強修復是山東實華公司系統內部首次采用碳纖維補強技術，為公司后續的類似搶維修工作積累了寶貴經驗。

    三、結束語

    碳纖維復合材料補強相對其他修復類型有更高的安全性及可靠性，對體積型、裂縫型缺陷均有明顯的補強效果，能夠恢復管道的承壓能力。

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責任編輯：王元

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