clock spring管道補(bǔ)強(qiáng).doc

管道復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)但無論何種材質(zhì)的管道，一旦建成后，都會連續(xù)不斷地受到各種機(jī)制的侵襲和破壞。因此，對于管輸公司而言，管道大修維護(hù)一直是一項(xiàng)非常重要的課題。尤其是隨著管道檢測技術(shù)的發(fā)展，管道的維護(hù)管理已經(jīng)逐步從事后搶險(xiǎn)修復(fù)向事前預(yù)防修復(fù)發(fā)展。為了降低管道運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，延長管道的使用壽命，管道公司必須對檢測發(fā)現(xiàn)的管道缺陷進(jìn)行修復(fù)。但是，采用什么樣的修復(fù)技術(shù)方案才能夠永久性地恢復(fù)管體的強(qiáng)度，保證管道的安全運(yùn)行，同時(shí)又對生產(chǎn)的影響最小，一直以來都是管輸公司所關(guān)注的焦點(diǎn)。1980年，美國已有了長達(dá)400000英里（643737.6 km）的高壓天然氣集輸管道。為了保證如此長的天然氣管道的管體完整性，管輸公司投入了大量的維修費(fèi)用。為了幫助管輸公司降低管道大修成本，美國天然氣研究協(xié)會組成了一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，成員包括美國西北大學(xué)、Battelle氣體研究所、應(yīng)力工程服務(wù)公司等等多家研究機(jī)構(gòu)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過8年的工作，開發(fā)出了一種全新的電化級單向纖維強(qiáng)化的塑性復(fù)合材料，這就是今天被廣泛應(yīng)用的復(fù)合修復(fù)技術(shù)。在復(fù)合修復(fù)技術(shù)出現(xiàn)以前，管道公司主要采用傳統(tǒng)的更換缺陷部位管道，或者打金屬卡箍等方法來修復(fù)存在缺陷的管道。但這些方法都存在著較多不足：更換缺陷部位管道需要停產(chǎn)，需要?jiǎng)佑么笮驮O(shè)備，需要焊接作業(yè)，同時(shí)也會給管輸公司造成巨大的放空損失；因此，管道復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的出現(xiàn)，滿足了管輸公司的需求，使管輸公司有了一種更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的新的選擇。一、技術(shù)原理1管道承壓分析管道的承壓能力受多種因素的影響，一般情況下，可以使用以下方程來表示管道的承壓能力：p=(2St/D)FET式中：p表示設(shè)計(jì)壓力；S表示鋼管的最小屈服強(qiáng)度；t表示管壁厚度；D表示管徑；F表示設(shè)計(jì)系數(shù)；E表示焊接系數(shù)；T表示溫度系數(shù)。管道在運(yùn)營過程中，因受內(nèi)壓而存在圓周應(yīng)力，如果管壁表面某個(gè)部位受損或變薄，那么受損部位將會承受比正常部位更大的壓力，甚至有可能超出安全極限發(fā)生爆管事故。2復(fù)合修復(fù)技術(shù)的原理復(fù)合修復(fù)技術(shù)就是將復(fù)合修復(fù)材料纏繞在存在缺陷的管道外表面，與強(qiáng)力膠和填料一起構(gòu)成復(fù)合修復(fù)層。修復(fù)完成后，缺陷部位管道承擔(dān)的部分應(yīng)力就會傳遞到復(fù)合修復(fù)層，從而使缺陷部位管道承擔(dān)的應(yīng)力始終處于安全極限之下，保證管道的安全運(yùn)行（見彩色圖版 x）。那么復(fù)合修復(fù)層承擔(dān)的應(yīng)力與缺陷部位管道承擔(dān)的應(yīng)力存在什么樣的關(guān)系呢？如何才能保證缺陷部位承擔(dān)的應(yīng)力處于安全極限之下，對復(fù)合修復(fù)材料又有什么樣的技術(shù)要求呢？美國天然氣研究協(xié)會的研究證實(shí)：任何一種復(fù)合修復(fù)材料，能否達(dá)到修復(fù)效果，主要取決于復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度和彈性模量。一旦抗拉伸強(qiáng)度和彈性模量確定，就可以精確預(yù)測復(fù)合材料的修復(fù)效果。（1）拉伸強(qiáng)度對于中高壓管道，要想保證管道修復(fù)層在惡劣的環(huán)境下安全運(yùn)行50年以上，復(fù)合修復(fù)層的拉伸強(qiáng)度是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。在土壤環(huán)境中，復(fù)合修復(fù)材料的抗拉伸強(qiáng)度會隨著時(shí)間而逐步下降，所以就要求復(fù)合修復(fù)材料在設(shè)計(jì)上必須確保有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，從而使其在使用50年后依然能夠保持修復(fù)效果。復(fù)合修復(fù)材料抗拉伸強(qiáng)度下降的速率與所處的環(huán)境如潮濕度、溫度、土壤特性等有關(guān)。ClockSpring產(chǎn)品的抗拉伸強(qiáng)度老化公式：式中：t表示時(shí)間，h。請注意，這是目前惟一進(jìn)行了10年長期老化現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測試的復(fù)合修復(fù)材料。美國天然氣研究協(xié)會測試證實(shí)：要想確保復(fù)合修復(fù)材料在使用50年后抗拉伸強(qiáng)度依然在安全值之上（138 MPa），新產(chǎn)品的最小拉伸強(qiáng)度必須超過310 MPa。（2）彈性模量復(fù)合修復(fù)層承擔(dān)的應(yīng)力與缺陷部位管壁承擔(dān)的應(yīng)力，其間存在什么樣的比值關(guān)系呢？美國天然氣研究協(xié)會的研究結(jié)果證明：其比值等于兩種材質(zhì)彈性模量的復(fù)數(shù)之比。通常鋼材的彈性模量近似為207103 MPa, 如果復(fù)合修復(fù)層的彈性模量為34103 MPa，則缺陷部位管壁承壓發(fā)生形變達(dá)到1%時(shí)，圓周應(yīng)力將會完全傳遞到復(fù)合修復(fù)層，從而將缺陷部位管壁的形變控制在了安全形變范圍內(nèi)，保證了管道的安全運(yùn)行。如果復(fù)合修復(fù)層的彈性模量小于這個(gè)數(shù)值，意味著缺陷部位管壁就必須承擔(dān)更大的應(yīng)力，結(jié)果將會造成缺陷部位管壁發(fā)生更大的形變，形變?nèi)绻霭踩珮O限，將會造成安全事故。即使在安全極限之內(nèi)，也必將影響管道的完整性，從而無法真正達(dá)到永久修復(fù)的要求。二、技術(shù)路線選擇復(fù)合修復(fù)技術(shù)在發(fā)展過程中主要形成了兩大系列：濕纏繞法復(fù)合修復(fù)技術(shù)和預(yù)成型法復(fù)合修復(fù)技術(shù)，這兩種復(fù)合技術(shù)在復(fù)合材料和安裝工藝上的區(qū)別如下。1.復(fù)合材料濕纏繞法復(fù)合修復(fù)技術(shù)采用高密度玻纖布作為補(bǔ)強(qiáng)材料，在施工現(xiàn)場與環(huán)氧樹脂復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合修復(fù)層。而預(yù)成型法復(fù)合修復(fù)技術(shù)所使用的復(fù)合材料是電化級纖維強(qiáng)化的塑性復(fù)合材料（FRP），兩種材料有著本質(zhì)的區(qū)別： 濕纏繞復(fù)合修復(fù)技術(shù)所使用的玻纖布，使用玻璃纖維絲編織而成，價(jià)格便宜，只有50%的纖維在管道圓周應(yīng)力方向上，隨著使用時(shí)間的增長，管道壓力波動將會使經(jīng)向玻璃纖維絲和緯向玻璃纖維絲互相影響，從而使復(fù)合修復(fù)層的強(qiáng)度迅速下降；預(yù)成型法復(fù)合材料采用電化級單向玻璃纖維絲在工廠嚴(yán)格按照比例與間苯二甲酸聚脂樹脂等多種樹脂成分復(fù)合而成，是一種全新的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料，其所使用的電化級單向玻璃纖維絲，在1200高溫下拉制而成，每支纖維的直徑為1025 m,拉伸強(qiáng)度高達(dá)3400 MPa，每4000支纖維絲構(gòu)成1個(gè)纖維束，每個(gè)復(fù)合套筒包含150束纖維，經(jīng)過加工成型后已經(jīng)形成了一種新的復(fù)合材料。1.安裝工藝濕纏繞法復(fù)合修復(fù)技術(shù)由操作工人把玻璃纖維布裁剪后現(xiàn)場與環(huán)氧樹脂復(fù)合。復(fù)合過程受到作業(yè)環(huán)境、工人的技術(shù)熟練程度、工人的責(zé)任心等多種因素的影響。事實(shí)上，即使是同一個(gè)優(yōu)秀的操作工人，第一次安裝和第二次安裝也不會完全相同。因?yàn)樯婕暗淖兞堪ǎ翰＠w與樹脂的比例、樹脂的飽和度、玻纖受力方向的調(diào)整、修復(fù)層的強(qiáng)度一致性、施工環(huán)境的差異等等。這些變量的不穩(wěn)定性直接影響修復(fù)效果表現(xiàn)為：抗拉伸強(qiáng)度和彈性模量不穩(wěn)定；安裝過程中，因潮氣侵襲影響的修復(fù)層使用壽命；安裝過程中，玻纖與樹脂比例變化影響的復(fù)合修復(fù)層機(jī)械屬性；無記憶效應(yīng)；用戶現(xiàn)場加工復(fù)合，修復(fù)過程受到現(xiàn)場很多因素的影響。而預(yù)成型法復(fù)合修復(fù)技術(shù)由生產(chǎn)企業(yè)在工廠使用電化級單向玻璃纖維絲和乙烯基樹脂等多種成分復(fù)合而成，所有的一切變量都在生產(chǎn)工廠得到了嚴(yán)格控制?，F(xiàn)場安裝非常簡單，任何一個(gè)用戶，經(jīng)過簡單培訓(xùn)，都能完成現(xiàn)場安裝?？估鞆?qiáng)度和彈性模量穩(wěn)定，安裝過程也不受環(huán)境影響。2.吸水性吸水性也是一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，它決定了復(fù)合材料抗拉伸強(qiáng)度下降的速度。美國天然氣研究協(xié)會對復(fù)合修復(fù)材料所做的持久性測試考慮了最為惡劣的環(huán)境：溫度60、pH值49、充分濕潤的土壤環(huán)境。玻纖布制成的復(fù)合材料，經(jīng)緯向編織結(jié)構(gòu)將有利于水分的吸收，從而對材料的持久性帶來負(fù)面影響。復(fù)合結(jié)構(gòu)不能存在任何雜質(zhì)，否則也會有利于水分的吸收，對持久性會產(chǎn)生負(fù)面危害。在第一次測試中，樣本置于室溫23條件下40h，測試的結(jié)果為：預(yù)成型法復(fù)合修復(fù)材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度為69 MPa，濕纏繞法復(fù)合修復(fù)材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度為47 MPa(表1)。在第二次測試中，將樣本放置于沸騰的蒸餾水中2h，再次測試，結(jié)果預(yù)成型法復(fù)合材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度降到63 MPa，變化很小。而玻纖布復(fù)合材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度下降了50%還多，降到了21 MPa。這個(gè)結(jié)果證明：玻纖布復(fù)合材料的持久性是值得懷疑的，很顯然，它不是一種永久性的修復(fù)技術(shù)（表2）。表1正常情況下套筒層與層之間抗剪切強(qiáng)度 MPa樣本編號ClockSpring玻纖布復(fù)合修復(fù)技術(shù) 168.242.3 269.649.8 367.847.7 470.349.5 569.646.5 平均值6947.2 誤差1.083.04 表2 沸騰水中浸泡2h后套筒層與層之間抗剪切強(qiáng)度 MPa樣本編號ClockSpring玻纖布復(fù)合修復(fù)技術(shù) 163.919.2 26422 36520.9 464.721.4 562.323.5 平均值6321.4 誤差2.81.6 事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，管道的周期性應(yīng)力變化也會使玻璃纖維布的強(qiáng)度下降，影響到復(fù)合材料的持久性。因此，玻纖布復(fù)合修復(fù)材料不能用于高壓管道的永久性修復(fù)，一般用于壓力低于3.4 MPa的管道修復(fù)。三、技術(shù)要求（1）復(fù)合材料全新狀態(tài)下的抗拉伸強(qiáng)度必須大于310 MPa。（2）復(fù)合材料楊氏彈性模量不得小于3.4 104 MPa。（3）復(fù)合材料必須經(jīng)過權(quán)威部門長期可靠的工程測試和分析（實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場測試），證明復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)材料能夠永久（使用壽命超過50年）恢復(fù)缺陷部位管道的強(qiáng)度。（4）復(fù)合材料安裝過程無可變因素，安裝質(zhì)量一致性好。（5）對陰極保護(hù)系統(tǒng)無影響。（6）材料固化時(shí)間：小于等于3h（常溫下）。(7)生產(chǎn)企業(yè)必須嚴(yán)格按照培訓(xùn)程序?qū)Π惭b人員和培訓(xùn)人員進(jìn)行培訓(xùn)，并每年對安裝人員和培訓(xùn)人員進(jìn)行資格年審。四、實(shí)際應(yīng)用ClockSpring中高壓管道復(fù)合修復(fù)技術(shù)自商業(yè)化以來，在世界上65個(gè)國家和地區(qū)已經(jīng)成功地安裝了10萬套以上的產(chǎn)品。用戶包括殼牌、?？松?、英國天然氣公司、TRANSCANADA、TRANSMOUNTAIN、法國天然氣公司等許多世界知名的管道公司。應(yīng)用范圍包括：腐蝕或損傷程度小于等于80%的管道補(bǔ)強(qiáng)；（可用于運(yùn)行壓力高達(dá)25 MPa的管道）堵漏（管道壓力最高可達(dá)7 MPa,泄漏孔直徑最大可達(dá)25 mm）；環(huán)逢焊接部位加固；抑制正在孕育的管道裂紋；淺海或海洋平臺管道修復(fù)（可用于垂直樹立的管道修復(fù)）；管道支撐或懸掛部位加固；彎曲部位的損傷或腐蝕修復(fù)。在此簡要介紹ClockSpring在法國天然氣公司的應(yīng)用。1.基本情況法國天然氣公司成立于1946年，其管理的高壓天然氣管網(wǎng)長度約30000 km管徑從80 mm到1100 mm。其中最早的管道建設(shè)于二戰(zhàn)以后，管道埋深約1 m。2.可選擇的大修方案在發(fā)現(xiàn)管道缺陷后，法國天然氣公司決定：對存在缺陷的管道進(jìn)行大修?？晒┻x擇的大修方案主要有：不停產(chǎn)帶壓修復(fù)；堆焊/補(bǔ)焊；復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)。法國天然氣公司認(rèn)為，第一種和第二種方法在現(xiàn)場實(shí)施技術(shù)難度很大，經(jīng)過技術(shù)比較，法國天然氣公司認(rèn)為ClockSpring復(fù)合修復(fù)技術(shù)是一種非常理想的修復(fù)方案。3.技術(shù)分析為了保證修復(fù)方案100%的安全可靠，法國天然氣公司的技術(shù)研究部門對ClockSpring的技術(shù)方案進(jìn)行了全面的技術(shù)分析和研究。技術(shù)研究部門開發(fā)了全面的實(shí)驗(yàn)室和理論模擬程序，以達(dá)到以下目的：通過系統(tǒng)全面的有效性檢測，確定ClockSpring復(fù)合修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用范圍；評估ClockSpring修復(fù)技術(shù)是否能用于管道表面凹陷或表面損傷的修復(fù)；評估ClockSpring修復(fù)技術(shù)能否用于螺旋焊縫缺陷、內(nèi)部腐蝕缺陷、環(huán)焊縫缺陷的修復(fù)。4.技術(shù)測試測試工作分以下9部分：研究測試范圍確定；全方位的測試；測試條件下的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)模型的有效性；在實(shí)際條件下的數(shù)學(xué)模型；實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)模擬；結(jié)果的解釋；評估軟件應(yīng)用。5.測試結(jié)果在對數(shù)學(xué)模擬的結(jié)果解釋的基礎(chǔ)上，技術(shù)研究部門開發(fā)了一個(gè)評估軟件，根據(jù)所有的相關(guān)參數(shù)計(jì)算疲勞強(qiáng)度和爆破壓力。使用這個(gè)軟件，法國天然氣公司對每一個(gè)缺陷進(jìn)行了技術(shù)評估，確定是否能夠使用ClockSpring復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)對管體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。6.ClokSpring應(yīng)用最后，法國天然氣公司選擇使用了ClockSpring復(fù)合修復(fù)技術(shù)對存在的管道缺陷進(jìn)行了修復(fù)。其中包括外腐蝕缺陷、表面