含缺陷燃气钢管碳纤维复合材料补强技

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1、HCIL/ENG/T028/08 - 1 - 含缺陷燃气钢管碳纤维复合材料 补强技术应用 文件编号 ：HCIL/ENG/T028/08 版本 ：1 日期 ：2008年2月 港华投资有限公司 工程部 HCIL/ENG/T028/08 - 2 - 1、目的 第三方损坏、腐蚀等因素时刻威胁着城市燃气供气管道的安全稳定运行，对含缺陷燃气管道的补强修复，使之恢复到设计水平是燃气管道完整性管理的一个重要环节。高强度的碳纤维复合材料作为一种新材料，在高中压含缺陷燃气管道补强方面有突出特点，特编制本技术文件 ，供合资公司参考，使合资公司在论证含缺陷燃气管道补强技术路线时多一种选择。 2、适用范围及参考资料 本

2、项技术适用于高中压含缺陷燃气管道及管件的补强修复，这些缺陷包括管道外腐蚀缺陷、小裂纹、机械损伤（划痕、刮伤、凹陷坑）、焊缝缺陷、材质缺陷（夹杂、夹层、材质不均匀）。本项技术不适用于发生泄漏的燃气管道的堵漏修复。 参考文件： （1）ASME PCC-2-2006 Repair of Pressure Equipment and Piping （2）路民旭等. 管道维修补强技术及其发展趋势. 城市燃气. 2006.2 （3）行业标准钢质管道管体腐蚀损伤评价方法 SY/T61511995 （4）行业标准埋地钢质管道外防腐层修复技术规范 SY/T59182004 3、碳纤维复合材料补强技术的特点 碳纤

3、维复合材料修复补强技术做为一种高效快捷的新型修复技术，已经在油气管道维护中得到应用。其突出特点是免焊不动火，极大地降低了操作的风险性；在尚未有泄漏的补强中，可以带压修复，保障管道稳定运行；可对环焊缝和螺旋焊缝缺陷补强，还可对弯管、三通、大小头等不规则管件进行补强修复，碳纤维补强缠绕、铺设方式灵活；碳纤维的抗拉强度高，用于管道修复具有极高的安全性，并且碳纤维复合材料的抗蠕变性能优异，其强度随着服役时间增加基本保持不变。 碳纤维复合材料的规格性能如表1和表2所示。 HCIL/ENG/T028/08 - 3 - 表1 碳纤维布的规格性能 纤维种类 碳纤维面积重量（g/m2） 设计厚度（mm） 抗拉强

4、度（MPa） 弹性模量（MPa） 延伸率 （%） 高强度碳 300 0.167 3500 2.35105 1.5 注：产品不同规格性能会有所不同。 表2 碳纤维复合材料性能 项目标准 性能指标 补强层数 2 复合材料厚度 0.49mm/层 固化时间 12 36小时 适用温度 15 60 硬度（Shore D） 78 85 抗拉强度 3500MPa 受拉弹性模量 200GPa 断裂伸长率 1.7% 弯曲强度 854.8MPa 层间剪切强度 51.8 MPa 冲击韧性 42.8J/cm 阴极剥离65/48h 无剥离现象 粘浸胶拉剪强度 14MPa 填平树脂压缩强度 50MPa 注：产品不同规格性能

5、会有所不同。 HCIL/ENG/T028/08 - 4 - 4、补强施工作业步骤及要点 图1 补强施工作业流程图 4.1 缺陷管道表面处理及测量 缺陷点开挖剥离防腐层后，应先对其进行确认。利用直尺、超声波测厚仪检查缺陷长度、宽度、深度及壁厚，并照相存档，在需补强部位放线定位。 用砂布、钢丝刷、刨刃、电刷等工具清除防腐层，直至清除到钢管裸露部位露出金属光泽。必要时也可用有关专用化学除锈剂清除铁锈。 管材的表面基层处理一般应在补强之前的4个小时内进行完毕，以避免钢管表面再氧化的发生。在确保钢管表面原有防腐涂层及氧化物清除后，用清洗剂清洗钢管表面，并使其充分干燥。 4.2 制定补强修复方案 根据缺陷

6、的大小和类型，由产品供应商和施工单位利用剩余强度评价软件及其有限元数值分析等相关方法，评价含该缺陷管道的强度损失。 根据碳纤维复合材料的力学性能，在对强度损失评价的基础上，针对各个缺陷，分别制定出复合材料补强方案，使其达到管道腐蚀损伤前的强度水平。 在石油行业标准钢质管道管体腐蚀损伤评价方法 SY/T6151中采用最大蚀坑深度指标定性评价管体腐蚀损伤，将其分为五个等级如表3所示。采用碳纤维补强修复应用范围如下： z 当测量得出的管体腐蚀缺陷为“中”或“轻”时可带压进行补强施工； 缺陷管道表面处理及测量 制定补强修复方案 钢管表面缺陷的填平修补 碳纤维布粘贴 补口及补强层防腐处理 作业区域固化

7、安装智能检测提示装置 土壤回填复原 竣工验收 HCIL/ENG/T028/08 - 5 - z 当测量得出的管体腐蚀缺陷为“重”或“严重”时，应根据具体情况在降压或停输的状态下进行补强施工，以保证施工的安全进行。 z 当测量得出的管体腐蚀缺陷为“穿孔”时，不建议采用碳纤维复合材料补强技术进行修复。 表3 管体腐蚀损伤评价 级 别 指标 穿孔 严重 重 中 轻 最大蚀坑深度（mm） 80%壁厚 50%80%壁厚2mm50%壁厚12mm 1mm4.3 钢管表面缺陷的填平修补 根据施工时的温度、湿度，选择适当的填平用树脂。将调配好的填平树脂计量、搅拌均匀，根据实际气温决定用量并控制使用时间。将填平树

8、脂涂刷于钢管表面凹陷部位，修补至缺陷部位表面平整。对于焊缝根部两边，应使用填平树脂进行填充，以使焊缝附近表面平滑过渡，避免由于焊缝过高而引起碳纤维布粘贴时空鼓。缺陷填平用树脂规格性能如表4所示。 表4 缺陷填平用树脂规格性能 填平用树脂 内容 冬季用 夏季用 主剂与固化剂配比 21 21 环境温度 15 15 15 45 可使用时间（分钟） 30 160 50 210 指触干燥时间（小时） 1.5 10.0 1.5 10.0 形状 腻子状 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） 性能指标 10 / 50 4.4 碳纤维布粘贴 （1）碳纤维布裁剪。碳纤维

9、片材在裁剪、运输过程中容易受损，因此，裁剪时应使用钢直尺、壁纸刀或者剪刀，严格按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布，HCIL/ENG/T028/08 - 6 - 裁切数量应以当天的用量为准。 （2）碳纤维布为单向布，如果有环向接头，则碳纤维片的环向接头必须搭接25mm以上。环向缠绕时，如果具有轴向接头，则接头在轴向方向不需要搭接。 （3）配胶。将环氧粘浸胶的主剂与固化剂按规定比例称量准确后放入容器内，用搅拌器搅拌均匀。一次配胶量应以在可使用时间内用完为准。建议配胶量以每次小于2.5公斤为宜，且在容器内胶的厚度不宜超过2.5cm。 （4）涂胶。贴片前用滚筒刷（或油漆刷）将调配好的粘浸树脂均匀涂抹于

10、待粘贴的部位，有搭接的部位应多涂刷一些。 （5）粘贴碳纤维片。贴片时，在碳纤维片和树脂之间不应残留有空气。为此，可用罗拉（专用工具）沿纤维方向在碳纤维片上反复滚压多次，对焊缝的拱起部位要向相反的方向滚压，以去除气泡，使粘浸胶充分渗透碳纤维布，确保没有空鼓现象出现。 （6）需要粘贴两层以上碳纤维时，重复（5）步骤。 4.5 补口及补强层防腐处理 在碳纤维片粘贴完成后，对已剥除防腐层但未粘贴碳纤维片的区域，涂刷环氧粘浸胶。如原防腐层厚度过大或原防腐层与补强层厚度差距较大，应采用填平树脂进行填平过渡；填平树脂初步固化后，再进行防腐处理。防腐等级不低于原管道的防腐等级。 根据现场情况采用聚乙烯胶粘带或

11、其他防腐措施对这一区域进行防护。缠绕层与原防腐层的搭接宽度应不少于100mm。缠绕时胶粘带边缝应平行，不得扭曲皱折。缠绕过程中搭接宽度不小于25mm为宜。 4.6 作业区域固化 补强作业区域的防护修复施工完成后，使作业区域的树脂进一步固化，并应保证固化期间不受干扰。在作业区固化期间，宜用塑料薄膜等遮挡以防风沙或雨水侵袭。 当树脂固化期间存在气温降低到5以下的可能时，可采用冬季用低温固化树脂，或采取有效的保温措施。 HCIL/ENG/T028/08 - 7 - 碳纤维片粘贴后可以回填的时间为13天，具体时间取决于环境温度以及管道内部输送介质的温度，只要达到固化就可以回填。 如果在修复前管道进行了

12、降压操作，则须在补强材料固化后再恢复管道的运行压力。 4.7 安装智能检测提示装置 为了保证在下一次进行管道内检测时，能够对补强修复的缺陷和其它未被修复缺陷点进行区分，在补强施工完成后应加装内检测提示装置。内检测提示金属条安装在复合材料的边缘两端，安装完毕后需进行防腐处理。 4.8 回填 当补强层固化后，采用电火花检漏仪在确认修补管段无漏点的情况下，用细沙或素土进行分层夯实回填，并对现场进行清理恢复地形原貌，保证管线埋深达到设计要求。 5、补强工程竣工验收要点 施工完毕后，由业主组织有关人员对工程进行验收。 5.1 主要验收内容 碳纤维片材的实际粘结面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于10m

13、m。 碳纤维片材与钢管之间的粘结质量，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法检查，总有效粘结面积不应低于95%。当碳纤维布的空鼓面积不大于10000mm2时，可采用针管注胶的方法进行修补。当空鼓面积大于10000mm2时，宜将空鼓部位的碳纤维片材切除，重新搭接贴上等量的碳纤维片材，搭接长度不应小于100mm。 5.2 竣工资料 施工完毕后，施工方应提供以下竣工资料： 1) 管道缺陷资料：缺陷部位、面积，缺陷类型、大小； 2) 补强施工资料：补强设计方案、补强层数、补强宽度； HCIL/ENG/T028/08 - 8 - 3) 外防腐层修复的施工记录； 4) 补强防腐材料合格证，检测报告； 5) 施工总结。