李天成

中國石化天然氣榆濟(jì)管道分公司

榆林—濟(jì)南天然氣管道缺陷復(fù)合材料修復(fù)設(shè)計

李天成

中國石化天然氣榆濟(jì)管道分公司

目前國內(nèi)尚無完善的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)對缺陷管道進(jìn)行復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計。國外較常見的設(shè)計方法是依托管道剩余強(qiáng)度評價，使用等效強(qiáng)度方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。為此，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)原理和設(shè)計方法，提出了模擬管道壁厚完全損失的保守設(shè)計方法。應(yīng)用該方法對榆林—濟(jì)南天然氣管道進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料纏繞補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)和防腐作業(yè)，采用絕緣材料進(jìn)行墊底處理，徹底杜絕了電偶腐蝕的可能性，修復(fù)后管道恢復(fù)正常運(yùn)行壓力，補(bǔ)強(qiáng)效果良好，確保了補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的安全有效性。

榆林—濟(jì)南天然氣管道 管道缺陷 碳纖維 復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng) 管道壁厚 安全

榆林—濟(jì)南天然氣管道（以下簡稱榆濟(jì)輸氣管道）工程是國家“十一五”重點(diǎn)工程，線路全長941.63 km，設(shè)計年輸量為30×108m3，為國家天然氣干線管網(wǎng)重要組成部分。

在管道建設(shè)期間通球清管時，榆濟(jì)輸氣管道兔坂閥室上游10 m處發(fā)生了卡球現(xiàn)象，后來在管道上開了一個500 mm×700 mm的窗口，才將清管球取出。在對管壁上的窗口進(jìn)行修補(bǔ)時，采取了焊接加強(qiáng)板的方式。使用焊接方式對管道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，焊縫周邊容易發(fā)生應(yīng)力集中，此外，如果焊縫中存在裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，這些缺陷也可能在較高的應(yīng)力作用下導(dǎo)致焊縫斷裂失效。該段管道周邊人口居住密度較大，管道一旦發(fā)生破裂失效，將對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響，并造成巨大的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

纖維復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng)方法是對上述潛在風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固的最佳選擇。該技術(shù)利用纖維材料在纖維方向的高強(qiáng)度特性，使用粘結(jié)樹脂在服役管道外包覆一個復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層，以恢復(fù)含缺陷管道的服役強(qiáng)度［1］。其優(yōu)點(diǎn)是不用在服役管道上進(jìn)行焊接，避免了焊穿和發(fā)生氫脆、冷脆的可能，極大地降低了操作的風(fēng)險性，并且可以對管道進(jìn)行帶壓修復(fù)［2］，保障管道不間斷運(yùn)行。

碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的一種，碳纖維材料因其具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和良好的施工性能而在油氣管道焊縫缺陷維修補(bǔ)強(qiáng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

到目前為止，國內(nèi)尚無完善的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)對缺陷管道進(jìn)行復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計。國外較常見的設(shè)計方法是依托管道剩余強(qiáng)度評價，使用等效強(qiáng)度方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。在采用碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)對榆濟(jì)輸氣管道焊縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)時，筆者提出了模擬管道壁厚完全損失的保守設(shè)計方法，確保了補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的安全有效性。

1 管道纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)原理

管道被施以內(nèi)壓時，管道發(fā)生徑向膨脹且管壁產(chǎn)生環(huán)向拉伸應(yīng)力。在管壁減薄區(qū)域（如腐蝕坑），由內(nèi)壓引起的徑向凸起、環(huán)向應(yīng)力、應(yīng)變比正常壁厚區(qū)域要嚴(yán)重，當(dāng)徑向凸起達(dá)到一定程度時，該缺陷處將發(fā)生破裂失效和泄漏。復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)利用增強(qiáng)纖維和基體樹脂在管道外形成復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層，分擔(dān)管道承受的載荷，限制管道缺陷處由內(nèi)壓引起的徑向膨脹和環(huán)向拉伸應(yīng)力，從而達(dá)到對缺陷補(bǔ)強(qiáng)的目的，以恢復(fù)管道的正常承壓能力。

碳纖維復(fù)合材料管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)由高強(qiáng)度碳纖維、填平材料以及高性能粘結(jié)劑3部分組成。在缺陷修復(fù)時，首先利用填平材料對缺陷進(jìn)行填平處理，然后在管道外纏繞碳纖維與粘結(jié)劑所組成的碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料固化后具有極高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，它將通過具有抗壓能力的填平樹脂限制缺陷處的徑向膨脹變形，降低缺陷處的拉伸應(yīng)力，實現(xiàn)對管道缺陷的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。

近年來，為解決碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)潛在的電偶腐蝕問題，廣泛采用絕緣墊層的技術(shù)解決方案。該絕緣墊層隔絕了碳纖維與鋼管的直接接觸，最大限度地消除了電偶腐蝕的可能性。

2 復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計方法

在管道安裝以及維修強(qiáng)度設(shè)計中，所運(yùn)用最多的強(qiáng)度準(zhǔn)則是環(huán)向應(yīng)力準(zhǔn)則。GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》［3］主要以環(huán)向應(yīng)力作為強(qiáng)度校核的標(biāo)準(zhǔn)。比如對于一級地區(qū)，管道的強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)為0.72，即管壁的環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)超過管材屈服強(qiáng)度的72%。在纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計中，也采用了環(huán)向應(yīng)力的設(shè)計方法。

在利用碳纖維復(fù)合材料對含缺陷管道進(jìn)行維修補(bǔ)強(qiáng)時，環(huán)向應(yīng)力設(shè)計要求是管道維修補(bǔ)強(qiáng)處剩余壁厚與碳纖維復(fù)合材料的混合承壓能力達(dá)到最大允許操作壓力的兩倍，最大允許操作壓力對應(yīng)于管材環(huán)向拉伸應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度的72%。該設(shè)計原理表達(dá)如下：

式中pburst為靜水壓試驗爆破壓力，MPa；pMAOP為最大允許操作壓力，MPa；pSMYS為管材中環(huán)向應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度所對應(yīng)的內(nèi)壓，MPa；prest為腐蝕區(qū)域剩余壁厚所對應(yīng)的極限內(nèi)壓，MPa；pwrap為補(bǔ)強(qiáng)材料所對應(yīng)的極限內(nèi)壓，MPa。

缺陷處剩余壁厚的承壓能力按下式計算：

式中t為管道壁厚，mm；D為管道外徑，mm；σult為管材的抗拉極限，MPa；kcorr為缺陷的強(qiáng)度降低系數(shù)，其計算方法參見ASME B31G—2009《用于測定受腐蝕管道剩余長度的手冊標(biāo)準(zhǔn)》以及Kiefner［4］所發(fā)表的文章。

按照環(huán)向應(yīng)力設(shè)計準(zhǔn)則，有如下關(guān)系：

式中σcf為補(bǔ)強(qiáng)材料的抗拉極限，MPa。

由式（1）、（4）可計算得到碳纖維的厚度為：

在上述公式中，為了計算方便起見，補(bǔ)強(qiáng)材料的抗拉強(qiáng)度和厚度取碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度和單層理論厚度。

在確定碳纖維材料的單層厚度后，即可確定碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的環(huán)向纏繞層數(shù)。在管道承受較大軸向拉伸載荷的區(qū)域可考慮軸向鋪設(shè)碳纖維復(fù)合材料以進(jìn)行軸向加固。

3 輸氣管道現(xiàn)場補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用

設(shè)計案例中的榆濟(jì)輸氣管道兔坂閥室處管道材質(zhì)為X65，其額定最小屈服強(qiáng)度為448 MPa，管道壁厚為14.2 mm。假設(shè)管道補(bǔ)板處的管體金屬壁厚全部損失，利用碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)的方法彌補(bǔ)管體環(huán)向強(qiáng)度。由式（5）可計算得到環(huán)向補(bǔ)強(qiáng)層數(shù)為8.19層，進(jìn)一步取整為9層。

依據(jù)上述設(shè)計結(jié)果，對榆濟(jì)輸氣管道進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料纏繞補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)和防腐。在補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)時，采用絕緣材料進(jìn)行墊底處理，徹底杜絕電偶腐蝕的可能性。修復(fù)后管道恢復(fù)正常運(yùn)行壓力，補(bǔ)強(qiáng)效果良好。

4 結(jié)論

1）隨著管道完整性管理理念在我國的逐步推廣，油氣輸送管道維修過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求也越來越高。碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是一種快速、安全而經(jīng)濟(jì)的管道修復(fù)技術(shù)，必將在我國的油氣輸送管道維修補(bǔ)強(qiáng)中得到越來越多的應(yīng)用。

2）現(xiàn)階段沒有成熟的復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)管道缺陷的復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng)。筆者提出的補(bǔ)強(qiáng)管道混合承壓能力設(shè)計方法可以用于承壓管道的復(fù)合材料危險補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計。

3）建議對碳纖維復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用條件進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以更好地指導(dǎo)復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。

［1］路民旭，陳迎鋒，董紹華，等.管道維修補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.油氣儲運(yùn)，2005，24（增刊）：129－132.

［2］American Society of Mechanical Engineers.PCC－2 2006 Repair of pressure equipment and piping［S］.New York：ASME，2006.

［3］油氣田及管道建設(shè)設(shè)計專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB 50251—2003輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［4］KIEFNER J F，VIETH P V.New method corrects criterion for evaluating corroded pipe［J］.Oil and Gas Journal，1990，88（9）：56－59.

Rehabitation design of composite materials for the defects of the Yulin－Jinan natural gas pipelines

Li Tiancheng
（Yulin－Jinan Gas Pipeline Division of Sinopec Natural Gas Company，Jinan，Shandong 250101，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.78－79，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Presently，there are no well－established domestic design specifications and standards which can be taken as a reference for the pipeline strength rehabilitation with composite materials.The common design method used in foreign countries is based on the pipeline residual strength assessment and uses the equivalent strength method for strength rehabilitation.This paper hereby puts forward the conservative design method which simulates the complete loss of the pipe wall thickness based on the principle and design method of pipeline strength rehabilitation with carbon fiber composite material.With this method，carbon fiber winding strength rehabilitation and anti－corrosion operation are applied in the Yulin－Jinan Natural Gas Pipeline，and the rebase operation by use of insulating material is also applied，which completely eliminates the possibility of galvanic corrosion.The pipeline restores its normal operating pressure after the rehabilitation，and the rehabilitation effect is good，which ensures the safety and effectiveness of the pipeline strength rehabilitation design.

Yulin－Jinan natural gas pipelines，carbon fiber，strength rehabilitation with composite material，pipe wall thickness，safety

李天成.榆林—濟(jì)南天然氣管道缺陷復(fù)合材料修復(fù)設(shè)計.天然氣工業(yè)，2012，32（10）：78－79.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.019

李天成，1965年生，高級工程師，碩士；長期從事天然氣長輸管道生產(chǎn)運(yùn)行管理工作。地址：（250101）山東省濟(jì)南市高新區(qū)世紀(jì)大道15002號中國石化天然氣榆濟(jì)管道分公司。電話：13810724036。E－mail：ltcttc＠126.com

（修改回稿日期 2012－08－08 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.019

Li Tiancheng，senior engineer，born in 1965，holds an M.Sc.degree.He has been long engaged in the production operation work of long－distance natural gas pipelines.

Add：No.15002，Shiji Avenue，High－Tech Development Zone，Jinan，Shandong 250101，P.R.China

E－mail：ltcttc＠126.com