采用焊接方法對(duì)輸油管道修復(fù)具有很大的危險(xiǎn)性。由焊接引起的管道安全事故屢見(jiàn)不鮮。換管的經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)成本都非常高，在交通流量較大或人口稠密地區(qū)受到嚴(yán)重制約。
夾具修復(fù)方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外，恢復(fù)管道承壓能力。特點(diǎn)是能夠在不破壞原有管道的情況下進(jìn)行增強(qiáng)。但夾具方法操作復(fù)雜，在一定條件下用于處理泄漏的管道具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于沒(méi)有泄漏的管道，其造價(jià)高、操作復(fù)雜、難以施工的弱點(diǎn)十分明顯。
纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)作為一種高效快捷的新型修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)在油氣管道維護(hù)和大修中得到應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是免焊不動(dòng)火，極大地降低了操作的風(fēng)險(xiǎn)性，并且在尚未有泄漏的補(bǔ)強(qiáng)中，可以帶壓修復(fù)，保障管道不間斷運(yùn)行。碳纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，是應(yīng)用與管道補(bǔ)強(qiáng)的理想纖維材料。
一、碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)
纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)使用填平樹脂對(duì)管道缺陷進(jìn)行填平處理，然后配合專用粘結(jié)劑在需要補(bǔ)強(qiáng)的管道外纏繞纖維材料，形成纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層。補(bǔ)強(qiáng)層固化后，與管道形成一體，代替管道材料承載管內(nèi)壓力，從而達(dá)到恢復(fù)甚至超過(guò)管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力的目的。
碳纖維材料是一種在航空航天、軍工、高壓管道和壓力容器、建筑結(jié)構(gòu)工程補(bǔ)強(qiáng)（橋梁、電站、水利工程及古建筑）等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)材料，它具有非常高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。
美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)（Gas Research Institute）的研究表明，纖維復(fù)合材料對(duì)壓力管道的修復(fù)效果取決于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。碳纖維材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)3500MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材和玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料的彈性模量與鋼材的彈性模量（207×103MPa）幾乎完全相同，補(bǔ)強(qiáng)層與鋼管具有非常好的變形協(xié)同性。補(bǔ)強(qiáng)層能夠替代管道缺陷處承擔(dān)管道的內(nèi)壓。
碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)用于管道補(bǔ)強(qiáng)具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
①免焊不動(dòng)火，可在帶壓運(yùn)行狀態(tài)下修復(fù)；
②施工簡(jiǎn)便快捷，操作時(shí)間短；
③碳纖維彈性模量與鋼的彈性模量十分接近，有利于復(fù)合材料盡可能多的承載管道壓力，降低含缺陷管道的應(yīng)力水平，限制管道的膨脹變形；
④碳纖維的抗拉強(qiáng)度高，用于管道修復(fù)具有極高的安全性；并且碳纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異，其強(qiáng)度隨著服役時(shí)間增加基本保持不變；
⑤碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層厚度小，方便后續(xù)的防腐處理；
⑥碳纖維補(bǔ)強(qiáng)纏繞、鋪設(shè)方式靈活?？蓪?duì)環(huán)焊縫和螺旋焊縫缺陷(包括高焊縫余高和嚴(yán)重錯(cuò)邊)補(bǔ)強(qiáng)；還可對(duì)彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件修復(fù)；
⑦可以用于腐蝕、機(jī)械損傷和裂紋等缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，也可用于整個(gè)管段的提壓增強(qiáng)處理，應(yīng)用范圍廣。
二、輸油管道搶修案例
在西部管道組織的例行檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)烏蘭輸油管道某處出現(xiàn)機(jī)械損傷。該處管道的外徑為559mm，管道正常壁厚為10mm。在管道表面最上側(cè)存在機(jī)械損傷凹陷，凹陷深15mm，凹陷外沿直徑約200mm；對(duì)缺陷處管道壁厚測(cè)量發(fā)現(xiàn)，管道凹陷處管壁有減薄，減薄大約2mm。
經(jīng)有關(guān)部門研究決定采用碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)對(duì)此管道進(jìn)行搶修。搶修方案為首先使用填平樹脂對(duì)凹陷進(jìn)行填平修復(fù)處理，然后纏繞高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料。
補(bǔ)強(qiáng)方案確立后，使用有限元分析軟件對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。
首先對(duì)無(wú)缺陷管道承受內(nèi)壓時(shí)管壁應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算。在管道完好無(wú)損情況下，承受3MPa的內(nèi)壓時(shí)，管道內(nèi)環(huán)向應(yīng)力為83.85MPa。建立有限元模型對(duì)該方案進(jìn)行分析。在有限元模型中，對(duì)凹陷進(jìn)行模擬計(jì)算。為便于建立模型，僅取管道的八分之一建立模型。
在有限元模型中，鋼材的彈性模量取207GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為450MPa。管道內(nèi)的運(yùn)行壓力設(shè)定為3MPa。碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層數(shù)為6層。根據(jù)上述條件計(jì)算得到未補(bǔ)強(qiáng)管道中的環(huán)向應(yīng)力與補(bǔ)強(qiáng)后管道中的環(huán)向應(yīng)力分布云圖。
由計(jì)算結(jié)果可知未補(bǔ)強(qiáng)管道凹陷的邊緣處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。最大的環(huán)向應(yīng)力數(shù)值達(dá)到322MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)缺陷管道承載3MPa壓力時(shí)的管壁環(huán)向應(yīng)力。并且這個(gè)應(yīng)力數(shù)值已經(jīng)接近鋼材的屈服強(qiáng)度。此管道存在內(nèi)壓波動(dòng)時(shí)，在疲勞載荷的作用下，極易在應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞破壞。如不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，凹陷處壁厚可能繼續(xù)減少，使管道缺陷處應(yīng)力集中更嚴(yán)重。
采用碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)后，管道中環(huán)向應(yīng)力有明顯的降低，最嚴(yán)重區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力為164MPa。這個(gè)應(yīng)力數(shù)值低于鋼材的屈服強(qiáng)度，管道變形尚處于彈性變形范圍。管道經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)處理后，管壁的應(yīng)力集中將大大緩解，管道將處于安全應(yīng)力范圍內(nèi)。
補(bǔ)強(qiáng)方案確定后的施工流程為：
①對(duì)管道外表面進(jìn)行預(yù)處理，清除防腐層；
②使用電動(dòng)除銹工具打磨管道表面，達(dá)到St3級(jí)的除銹要求；
③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥；
④在凹陷處涂抹填平樹脂，修補(bǔ)至缺陷部位表面平整；
⑤填平樹脂初步固化后，纏繞高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，確保復(fù)合材料覆蓋了缺陷部位，纏繞層數(shù)為6層；
⑥對(duì)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行防腐處理，然后回填。
在對(duì)上述含缺陷管道進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)后，恢復(fù)了管道的正常運(yùn)行壓力，效果良好。
三、小結(jié)
碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)相對(duì)于其他類型的修復(fù)技術(shù)，具有更高的安全性、可靠性及適應(yīng)性。對(duì)于管道凹坑類型的機(jī)械損傷有較好的修復(fù)能力。為今后類似問(wèn)題的解決提供了參考。
有限元數(shù)值模擬方法可以作為復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的輔助工具。
建議對(duì)碳纖維復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用條件進(jìn)一步研究，以更好的指導(dǎo)復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。
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