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含缺陷管道修复补强的碳纤维复合材料和方法
发明领域
本发明涉及用树脂基碳纤维复合材料对含缺陷管道，特别是金属管道进行修复补强的技术，更具体地，本发明涉及用于含缺陷管道，特别是含缺陷金属管道修复补强的补强材料，该材料为树脂基碳纤维复合材料，用所述材料对管道缺陷进行修复补强的方法，以及所述材料和方法在油气输送管道缺陷的修复补强中的应用。
背景技术
油气管道运输是五大运输产业之一，仅目前我国油气长输管道就达3万余公里。这些管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、土壤腐蚀、电偶腐蚀、外力损伤等作用，造成管道爆裂、泄漏等事故发生，影响管道的正常输送作业。国内外常有油气管道爆破和泄漏事故发生，如1989年，前苏联乌拉尔输气管道爆破一次伤亡1024人；北美也曾发生输气管道一次爆破开裂13公里的大事故。大量的现场调查表明，我国在役油气管线60％以上已进入事故多发期。通常，有缺陷的油气输送管道在运行作业时，往往采取降压输送的做法，这样不仅影响了正常的生产作业，而且大大增加了运行成本。因此开发一种效果好、便于实施的补强材料和方法是本领域追求的目标。在现有的油气管道外缺陷修复补强技术中，主要有传统的焊接补疤和复合材料补强等方法。由于焊接补疤过程中有可能发生焊穿和产生氢脆的危险，特别对于不停输的输气管线，一般建议不采用此方法。而树脂基复合材料由于具有轻质高强、抗腐蚀、耐久性好、施工简便、不影响结构的外观等优异特性，已被国外的油公司用于管道补强。如美国Clockspring公司的复合材料补强技术，它是采用间苯二甲酸型不饱和聚酯与E-玻璃纤维复合成片材，采用干铺法包裹于金属管道表面，在层与层之间用环氧粘结剂粘结。这种技术的缺点有两个：一是施工过程中，无法保证复合片材与管体、复合片材层与层之间的紧密贴合；另一是玻璃纤维的弹性模量及强度均较低，所以补强层的厚度会较厚，对后续防腐造成一定困难，对基体承载能力的提高程度也很有限。
近年来有一些关于使用碳纤维进行金属管道外损伤缺陷补强的报道，但没有公开具体的实施方案。
碳纤维以其强度高、弹性模量大而著称，最适合于作为补强材料所用。表1示出碳纤维布、碳纤维树脂复合材料和X60管线钢的性能比较。
表1碳纤维、碳纤维复合材料与X60管线钢的性能比较

  拉伸强度  σ_b(MPa)  屈服强度  σ_s(MPa)    弹性模量    E(GPa)  延伸率  δ(％)碳纤维布(200g/m²)  3500    235  1.5碳纤维布(300g/m²)  3500    235  1.5树脂基碳纤维复合材料  ≥2500    ≥210  ≥1.4X60钢    443    2078层单向玻璃布复合(Clock Spring公司)  414    34  1.5-24层玻璃布复合(Furmanite公司)  203.1-228    12-13
由表1可以看出，用碳纤维作为补强材料有如下优点：
1.树脂基碳纤维复合材料的弹性模量等于或大于210Gpa，和钢的弹性模量207GPa十分接近，非常有利于碳纤维复合材料与钢的协同变形，有利于载荷在钢和碳纤维复合材料之间的均匀分布，从而有利于达到补强效果。
2.树脂基碳纤维复合材料具有足够的变形量，大于1.4％。一般情况下，管体变形远小于碳纤维复合材料的变形量，使用碳纤维复合材料进行补强从管体变形的角度来说也是足够保险的。
3.碳纤维补强材料的强度比玻璃纤维大一个数量级，这使得较薄的碳纤维复合材料便可以达到很厚的玻璃纤维补强材料才能具有的补强效果。
本发明目的在于研制一种将碳纤维用于含缺陷管道，特别是金属管道补强的新型技术，所使用的补强材料的比强度、比模量与金属管体材料接近，施工过程简便，并有利于补强材料和管体之间、补强层与层之间的紧密贴合，它可与管道形成一体，共同承载管内压力，并使最终构成的复合修复层承压能力达到并超过原始管道的承压能力。本发明的技术可在管线不停输的情况下进行补强作业，施工过程中不需要大型的机械吊装设备，不需要焊接或切割管道，施工空间要求很低，并且有抗腐蚀、耐老化等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于含缺陷管道，特别是金属管道修复补强的树脂基碳纤维复合材料，所述的树脂基碳纤维复合材料包括碳纤维片材和本发明的专用树脂。
本发明的另一目的是提供了一种用于含缺陷管道修复补强的补强材料，该材料包括多层所述的树脂基碳纤维复合材料，和位于树脂基碳纤维复合材料外的一或多层外防腐材料。
本文所用的术语“管道”是指用各种材料制成的管道，特别是金属管道，例如钢管。
本文所用的术语“碳纤维片材”包括以各种原料制作的碳纤维片材，例如碳纤维布。优选的，本发明所使用的碳纤维片材其弹性模量范围为(1.0-3.0)×10⁵MPa，抗拉强度范围为2500～3500Mpa，延伸率δ范围为0.2-3.0％，单位面积重量范围为200～300g/m²。
本文所用的术语“树脂基碳纤维复合材料”是指碳纤维与树脂复合固化后的材料。
本发明用于含缺陷管道修复补强的材料包括树脂基碳纤维复合材料和外防腐材料。所述树脂基碳纤维复合材料包括碳纤维片材和专用配套树脂。
本发明的专用配套树脂包括修补胶和粘浸胶两种。修补胶用于管道外损伤缺陷的填平修补；粘浸胶用于渗浸碳纤维片材，以及碳纤维与管体之间、碳纤维片材之间的粘结。修补胶和粘浸胶分别可分为冬用与夏用两种。冬用和夏用配方略有不同，通常可通过调整固化促进剂的用量来实现。当使用环境温度降低时，可适当加大固化促进剂的用量。本领域普通技术人员根据本领域的常识，或通过简单试验即可知道在某一使用温度下应该如何调节固化促进剂用量。
修补胶
修补胶由甲、乙两组分组成，甲乙两组分的配比为2∶1。
甲组分包括：
(A)：30％～50％(重量)的液态双酚A型环氧树脂，
(B)：10％～20％(重量)地液态酚醛型环氧树脂
(C)：5％～10％(重量)的气相二氧化硅，和
(D：35％～40％(重量)的硅灰石或氧化铝填料；
乙组分包括：
(E)：60％～80％(重量)的改性胺类环氧固化剂，和
(F)：20％～40％(重量)的促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚；
所述乙组分中(E)的固化剂例如可以是改性脂肪族胺，例如二乙烯三胺基甘油正丁基醚(例如商品593)或酚醛改性多元胺(例如商品T31)。
构成缺陷填平修补胶的甲、乙两组分混合固化后的性能如表1。
表2修补胶的规格性能    项目  修补胶  LX200W(冬用)    LX200S(夏用)甲乙组分配比  2∶1    2∶1适用温度℃  5～15    15～35可使用时间(min)  30～160    50～210指触干燥时间(hr)  3.5～10.0    3.0～10.0形状  腻子状性能指标  钢钢粘结抗剪  强度(Mpa)  钢钢粘结抗拉强  度(Mpa)  胶体抗压强度  (Mpa)  ≥10  /  ≥50主要用途  修补管道表面缺陷
修补胶可按下述方法制备：将配套树脂的甲、乙组分分别混合和储存，使用前按规定比例准确称量后放入容器内，用搅拌器拌合均匀。一次配胶量应以在可使用时间内用完为宜。
粘浸胶
粘浸胶由甲、乙两组分组成，甲乙两组分的配比以(3～4)∶1为宜。
甲组分包括：
(A)：68％～84％(重量)的液态环氧树脂，
(B)：10％～15％(重量)的丙烯酸酯液体橡胶，
(C)：5％～15％(重量)的气相二氧化硅，和
(D)：1％～2％(重量)的颜料；
乙组分包括：
(E)：70％～90％(重量)的改性胺类环氧固化剂，和
(F)：10％～30％(重量)的环氧固化促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚；
所述甲组分(A)的环氧树脂可以是双酚A型环氧树脂或乙烯基改性环氧树脂；乙组分(E)的固化剂可以是改性脂肪族胺，例如二乙烯三胺基甘油正丁基醚(例如商品593)或酚醛改性多元胺(例如商品T31)。
构成粘浸胶的甲、乙两组分混合固化后的性能如表2。
                          表3粘浸胶的规格性能  项目    粘浸胶    LZ300W(冬用)    LZ300S(夏用)  甲乙组分的配比    (3～4)∶1    (3～4)∶1  适用温度℃    5～15    15～35  可使用时间(min)    40～170    60～180  指触干燥时间(hr)    4.0～12.0    3.0～10.0  形状    乳脂状  性能指标拉伸强度(Mpa)弯曲强度(Mpa)压缩强度(Mpa)钢钢剪切强度(Mpa)弹性模量(Mpa)≥30≥40≥50≥10≥2×10³  主要用途    涂刷钢管表面、渗透粘贴碳纤维片
粘浸胶可按下述方法制备：将配套树脂的甲、乙组分分别混合和储存，使用前按规定比例准确称量后放入容器内，用搅拌器拌合均匀。一次配胶量应以在可使用时间内用完为宜。
具体的，本发明用于含缺陷管道修复补强的树脂基碳纤维复合材料包括以下材料：
1、用于将管道表面缺陷填平修补的修补胶层；
2、多层碳纤维片材，其中的碳纤维片材涂刷了粘浸胶，且根据需要使各碳纤维片材层以一定角度交错铺设。
本发明还提供了用于含缺陷管道修复补强的补强材料，该材料包括多层所述的树脂基碳纤维复合材料，其中各层树脂基碳纤维复合材料沿管道的径向或环向放置，相邻的两层复合材料可以平行的、垂直的或以一定角度交错铺设。
该补强材料还包括位于树脂基碳纤维复合材料外的多层外防腐材料。所述外防腐材料原则上与需要补强管道的原始外防腐材料相同。常用的外防腐材料是聚乙烯冷缠胶粘带，所述的聚乙烯胶粘带厚度以0.7mm～2.0mm为宜；抗拉强度大于18Mpa为宜。
在实际应用时，根据管道缺陷的具体情况，本专业技术人员可按照通常的缺陷补强参数设计方法确定补强层的厚度、宽度和补强材料用量。
本发明的另一目的是提供一种用本发明的材料对含缺陷管道，特别是含缺陷金属管道进行修复补强的方法，该方法具有良好的施工安全性和性能优越性。
本发明的另一目的是提供一种油气管道外损伤缺陷的修复补强材料和方法，即采用以上所述的材料和方法对油气管道外损伤缺陷进行修复补强的技术。
用本发明的材料对管道，例如对油气金属管道的外损伤缺陷进行修复补强的方法包括以下步骤：
1.对管道进行表面清理；
2.对管道表面的缺陷进行修补
将管道表面凹陷部位，例如蜂窝、麻面、小孔、焊缝附近等用修补胶填平，修复至表面平整；
3.湿法粘贴碳纤维布
按一定的尺寸及层数粘贴碳纤维布，且根据需要将各树脂基碳纤维复合材料层沿管道的径向或环向放置，使相邻的两层复合材料之间是以平行、垂直或一定角度交错铺设。其中所述的碳纤维布涂刷或浸渍了本发明的粘浸胶；
4.对作业区进行防腐修复
在粘贴的碳纤维复合材料表面用聚乙烯冷缠胶粘带对其进行缠绕防护。
在实施该方法之前，必须首先对管道进行表面清理，对管道表面的缺陷例如蜂窝、麻面、小孔、焊缝附近等用修补胶，即修补腻子涂刮填平，修复至表面平整，表面仍存在凹凸糙纹的，应该用砂纸打磨平整。
碳纤维布的粘贴采用湿法粘贴的方法，即首先将碳纤维布涂刷或浸渍本发明的环氧树脂粘浸胶，然后用其进行缠绕补强。为确保施工质量，碳纤维片的纵横向搭接应保持一定长度。
作业区的防腐修复，应该在补强作业区域内各粘贴面的胶粘剂表干后进行。缠绕层与原防腐层的搭接宽度应保持一定长度。缠绕时胶粘带边缝应平行，不得扭曲皱折。
为保证施工质量，在需要进行开挖和回填时，应该按照规定的施工要求进行。例如对现场检测已确定的缺陷位置，必须在现场监护人员的监护下实施人工开挖。开挖过程中注意测量埋深，防止铁器损坏防腐层及钢管。在补强施工完成，并确认开挖管段无漏点后，采用细沙或素土进行分层夯实回填，并对现场进行清理和恢复地形原貌，保证管线的埋深达到设计要求。
下面通过对本发明具体实施方式的描述，结合附图对本发明的材料及方法予以详尽的说明。
附图说明
图1为爆破试验用管道及缺陷示意图，其中，缺陷一是进行修复补强的部位，缺陷二是用于进行对比而不进行修复补强的部位。
图2水压爆破试验的压力-时间关系图。
图3是爆破试验中补强部位形貌的照片。由照片可以看出在压力下补强部位两侧管道发生隆起，而补强部位没有任何变化。
图4是实施例2管道机械划痕缺陷形貌的照片。
图5是实施例2管道外力致伤缺陷形貌的照片。
图6是实施例2修复补强后管道形貌的照片。
具体实施方式
为了进一步阐述本技术所涉材料及施工工艺，给出了下述实施例。但是，这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：用水压爆破试验方法对本发明的技术方案进行评价
为了检验本技术的实施效果，以φ660输气钢管为例，模拟输气管道可能存在的缺陷尺寸，采用水压爆破试验方法对该技术进行了评价。试验用管及缺陷示意见图1，试验过程如下：
截取与某输气管线主干线用管相同尺寸、材质的管子5.45m(该管子为X60螺旋焊管，管径为660mm，壁厚为8.7mm，设计工作压力为6.4Mpa)，两端用留有排气孔、进水孔的封头封堵(见图2)。
对需要补强的管体部位进行清理，以去除管子外表面的防腐层、环氧涂层及污物，并使其表面处理质量达到GB/T8923-1988中规定的St3级。
在被剥除防腐层的部位制作50mm×30mm×4mm的缺陷(缺陷一)，采用本发明的技术(参见实施例2)对该缺陷进行修复补强。为便于试验对比，在该试验管的另一部位又制作了50mm×30mm×2.0mm的一个缺陷(缺陷二)，这一缺陷不进行补强。
对试验用管进行注水排气，在检查试样注满水并不漏气的情况下，进行逐级加压，直至试样破坏。加压过程见图2。该爆破试验结果显示：破坏是在未经修复补强的小缺陷(缺陷二)处产生的，破坏为典型的撕裂型破坏；试验管有明显的膨胀现象，而经修复、补强的缺陷处并无明显变化，在压力下补强部位两侧试验管发生隆起，产生明显的膨胀现象(见图3)；补强后的管体爆破压力为16.4Mpa，远高于试样的设计工作压力(6.4Mpa)，表明该技术已经达到了补强的目的。
实施例2：天然气管道缺陷的修复补强
本发明技术的现场实施例为应用于陕京输气管线的缺陷补强实例。利用本发明所述的补强材料和修复补强方法对该处的缺陷进行补强。具体实施过程如下：
1、开挖和对管道进行表面清理
补强施工的缺陷点位于陕京管线陕西某段某处。该处位于沙漠的边沿，属沙土结构，地表水水层较浅，管道埋深1300mm左右，管体外表面温度约40℃。管体有三处机械损伤。一处为明显的机械划痕，长150mm，深3.5mm，最深处宽度为20mm(见图4)；另两处为碰伤，深1.5mm，长20mm(见图5)。
对管道进行表面清理，例如表面处理的结果应该使基层预处理质量达到国家标准GB/T8923-1988中规定的St3级。
2、对管道进行修补
对钢管表面缺陷例如蜂窝、麻面、小孔、焊缝附近等用修补胶，即修补腻子涂刮填平，修复至表面平整，表面仍存在凹凸糙纹的，应该用砂纸打磨平整。其中所述修补胶的配方和用量见表4。
3、采用湿法粘贴碳纤维布
首先按上文所述制备方法和表3所述配方制备粘浸胶和修补胶，然后将碳纤维布涂刷所述的环氧树脂粘浸胶(粘浸胶的用量见表3)，并用其进行缠绕补强。
                           表3  补强材料及用量  材料  名称    组成及规格  配比用量修补胶甲组分45％的双酚A型环氧树脂(CYD128，岳阳石化总厂环氧树脂厂)，10％的酚醛型环氧树脂(F51)，10％的气相二氧化硅，和35％的氧化铝填料甲乙组分2∶1混合150g乙组分70％的改性胺类环氧固化剂(593)，和30％的促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚粘浸胶甲组分80％的双酚A型环氧树脂(CYD128)，10％的丙烯酸酯液体橡胶，8％的气相二氧化硅，2％的颜料甲乙组分3∶1混合4800g乙组分75％的改性胺类环氧固化剂(593)，和25％的促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚碳纤维单位面积重量为300g/m²的单向碳纤维布，幅宽330mm或幅宽500mm幅宽330mm需12.9m，幅宽500mm需3.0m聚乙烯胶粘带厚度为1.4mm，幅宽200mm(中央制塑产)14.3m
所述碳纤维布缠绕的层数和方向是环向二层、轴向一层、环向二层、轴向一层和环向二层，共计八层。
4、对作业区进行防腐修复
防腐修复应该在补强作业区域内各粘贴面的胶粘剂表干后进行。所使用的外防腐材料为聚乙烯胶粘带，缠绕一层。缠绕层与原防腐层的搭接宽度应不少于100mm。胶粘带始端与末端搭接长度应不少于1/4管子周长，且不少于100mm。缠绕时胶粘带边缝应平行，不得扭曲皱折。
修复补强后管道的形貌见图6。
本实施例所述的管段由于该缺陷的存在，一直在低于设计工作压力下运行，无形中提高了管道的运行成本；经过此次修复补强后，运行工作压力可提高到设计水平。
总之，本发明是一种适合管道修复补强的全新配套技术，适合于不同管径的，由于腐蚀、机械或其它原因所造成的损伤管道补强。其施工过程无需管线停产作业，且补强材料可以紧紧的缠绕着管道，对管道自重的增加影响很少。它可与管道形成一体，共同承载管内压力，并使修复后管道的承压能力达到并超过原始管道的承压能力。
以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。