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TECHNOLOGY AND PRODUCTS
碳纤维修复补强技术
DESCRIPTION
一、技术介绍
修复技术原理：利用的碳纤维复合材料具有高强度的特性，粘结专用聚合物，在服役管道外包覆一个复合材料修复层，恢复含缺陷管道的服役强度。
复合材料补强示意图
管道补强作用：“管道补强”是通过某种手段对管道进行修复，以起到增加管道强度、恢复管道安全运行的目的。为了对缺陷进行修复，一般采用焊接、夹具和复合材料三大类型的方法进行修复。复合材料修复技术具有“不动火、不停输”的优点，在过去的 10 年内逐步兴起，在管道缺陷修复中得到越来越多的应用。
通过对管道进行复合材料修复补强，可以起到如下三种主要作用（根据 ASME 做出的定义）：
(一) 降低缺陷处的应力
(二) 降低缺陷处的应变
(三) 恢复管道的承压能力
管道补强目的：碳纤维复合材料修复系统对管道进行复合材料补强。首先对管道表面进行处理，然后进行复合材料缠绕。待碳纤维复合材料固化后，补强材料在原有管道外表面生成一个新的复合材料层。该复合材料层具有优良的力学性能，能够恢复和提高管道的承压能力。
对管道进行补强的主要目的是保证在管道的正常运行压力条件下，管道能够安全的运行。因此，管道补强所要达到的设计目标为：恢复并提高管道最大许可操作压力，补强后管道承压能力不低于无缺陷管道。修复后保证强度满足管道设计压力要求，恢复管道最大爆破压力。
主要原料：碳纤维复合材料，专用粘浸胶，金属修补剂。
二、特点
1、碳纤维材料具有高弹性、高抗拉强度、高抗蠕变性等优异性能；
2、免焊不需要动火，可在管道带压运行状态下进行修复，安全可靠；
3、施工简便快捷，修复方式灵活，施工时间短；
4、耐腐蚀性能优异，与各种材质粘接性能好，使用寿命长；
5、增加厚度小，方便后续的保温和防腐处理；
6、强度高，修复后的管道承压能力可超过原管道的设计压力。
三、适用范围
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项 目 |
适用范围 |
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管道类型 |
油气输送、水管、化工等金属、水泥、塑料、复合材质等管道 |
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可修复缺陷深度范围 |
微小腐蚀至穿孔均可 |
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管径及管道压力 |
不限 |
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适用温度 |
-30℃～260℃ |
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适用介质 |
原油、成品油、天然气、水及各种化学介质 |
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修复与结构加强的应用 |
腐蚀缺陷、机械损伤、管道系统提压改造、管材材质缺陷、防腐与补强同步考虑的一些修复 |
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所能修复管道的几何形状 |
直管、弯管、三通和大小头等，不受几何形状限制 |
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管道所在地理环境 |
埋地管道、水底管道、跨越管道 |
玻璃纤维修复与碳纤维修复补强比较
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修复方法 |
特点及安全性要求 |
修复效果 |
使用寿命 |
施工工艺 |
使用范围 |
修复 |
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玻璃纤维修复 |
需要先进行止漏 |
因弹性模量较低，当管道产生塑性变形才达到修复效果。修复后脆性大，容易遭受外力损坏 |
强度随时间衰减，取决于衰减速率 |
施工工艺比较简单 |
对裂纹缺陷不适用，当焊缝余高和错边大时，施工不便，适用温度范围较低 |
费用适中 |
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碳纤维修复补强 |
没焊穿、冷 脆、氢脆等风险，无需降压 |
弹性模量与母材基本相同，一旦管道承压，便可达到修复效果。修复后不受外力影响，强度可高于原管线的强度 |
强度不随时间衰减，可50 年以上 |
施工工艺比较简单 |
各种体积型腐蚀缺陷的补强，适用于裂纹缺陷，对错边和焊缝余高要求不严，适应温度可达250℃ |
费用比玻璃纤维修复略高 |
四、施工主要程序
首先：表面处理
其次：缺陷修复
然后：施工底层胶
再然后：铺设碳纤维复合材料
最后：增加保护层
五、修复效果
为了测试实际补强效果，公司专门设计了一系列全尺寸爆破实验，以其中一组为例，具体实验方法和内容如下：管道直径 325mm，管道名义壁厚7.0mm，管道实际壁厚6.7mm，管道材料材质：Q235B，管道材料的抗拉强度：435～489MPa，管道材料的屈服强度：235MPa，无缺陷管道爆破压力：18.0～ 20.2MPa。修复的目的：补强处爆破压力与无缺陷处持平或相等。
爆破实验：
加压膨胀管道无缺陷处发生爆破
实验结果：管道均在 18.0MPa 以上发生破裂，补强处完好，破裂点发生在未补强无缺陷处，管道可以目测到发生了较大的膨胀。结果认为，碳纤维复合材料修复方案科学有效，是一种可靠的修复手段。
六、标准及依据
(1) ASME PCC-2--2011《Repair of Pressure Equipment and Piping》。
(2) GB/T8923.1-2011《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》。
(3) 中国石油天然气股份有限公司企业标准Q/SY XN0341-2011《天然气输送管道管体缺陷复合材料修复的验收标准》。
(4) 中国石油化工行业标准SH 3022－2011《石油化工设备和管道涂料防腐蚀技术规范》。
(5) 中国石油天然气行业标准SY/T 0447-2014《埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准》。
七、资质
八、典型实例
实例1：
炼油一部加氢制氢C-104空冷，航煤管线，温度108℃，管线腐蚀非常严重，原始壁厚为7mm，最薄壁厚为2.1mm。 2015年3月份，我们在长岭石化加氢制氢装置共进行了12个弯头、15个三通的修复中采用碳纤维补强后，效果非常好。
修复前 修复后
实例2：
长岭分公司，管线内部介质为瓦斯，管道外径600mm，运行压力为0.1MPa，最高温度为 常温，管道腐蚀非常严重，已穿孔。先进行带压堵漏，再采用碳纤维进行修复补强。现已投用近3年时间，效果非常令人满意。
实例3：
武汉石化常减压油气管线，管径为DN300mm，压力为0.4MPa，管道腐蚀非常严重，已出现穿孔。先进行止漏处理，然后使用该产品进行修复，效果很好。
实例4：
武汉石化油品车间原油管线，管径为320mm，压力为0.6MPa，管道外壁腐蚀非常严重，腐蚀深度高达80%。我们对该管段进行碳纤维修复补强，现已投用2年时间，效果非常好。
实例5：
武汉石化1#催化装置非净化风总管，管径为89mm，压力为0.6MPa，管道腐蚀非常严重，已多次穿孔。先进行捆扎止漏处理，然后使用碳纤维进行修复补强，该管线修复后使用一年多，未出现任何泄漏问题。
实例6：
武汉石化1#气分装置瓦斯管线，管径为108mm，压力为0.6MPa，管道腐蚀非常严重，已出现穿孔。先进行止漏处理，然后使用碳纤维进行修复补强，该管线修复后使用半年多，未出现任何泄漏问题。
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