CN102011938A - 一种管道修复补强检测系统 - Google Patents

Abstract

一种管道修复补强检测系统，包括：厚度检测单元，用于测量修复层厚度并将该修复层厚度与厚度阈值进行比较；宽度检测单元，用于测量修复层宽度并将该修复层宽度与宽度阈值进行比较；空鼓检测单元，用于测量空鼓的面积，计算有效粘接面积比S并与阈值S₀进行比较；胶粘剂层检测单元，用于测量胶粘剂层中的缺陷尺寸并将该缺陷尺寸与尺寸阈值进行比较；复合材料层检测单元，用于获取复合材料层图像并根据该图像分析复合材料层的表面特性；粘结力测量单元，用于测量修复层剥离条承受的拉力，根据该拉力计算剥离强度并与剥离强度阈值进行比较；管道表面检测单元，用于测量管道的表面缺陷尺寸，获取管道表面图像并根据该图像分析该管道的表面特性。

Description

一种管道修复补强检测系统

技术领域

本发明是关于复合材料检测技术，特别是关于在役含缺陷管道用纤维复合材料补强后修复效果的检测技术，具体的讲是关于一种管道修复补强检测系统。

背景技术

纤维复合材料修复补强技术是二十世纪九十年代发展起来的一种结构补强技术。该技术由于施工安全方便、不停输、不需要焊接作业、具有很好的可设计性和耐腐蚀性等优点在国际上深受重视，已广泛应用于钢质管道结构修复补强。目前，复合修复补强技术使用的产品主要由三部分组成，分别为玻璃纤维或碳纤维复合材料套件、层间胶粘剂及缺陷填充材料，补强修复施工工艺有预成型法和湿缠绕法两种。

但是，国内外公司根据各自产品不同的现场施工工艺规范及要求进行修复补强，修复时施工质量和补强修复效果差别较大。另外，由于复合材料与钢管材料膨胀系数、弹性模量以及强度之间的差异和匹配问题，在受到管道运行压力、温度变化及外部环境变化的影响时，补强修复复合材料在现场施工、回填一段时间以后，修复点则会出现修复材料与管体脱粘、分层、空鼓、开裂和鼓泡等现象，而这些现象的出现给在役管道的安全运行和完整性管理又带来了新的难题，急需建立与复合材料修复技术相对应的检验方法及评价体系，以满足管道管理者对不同产品性能和管道缺陷修复点的状态有一个清楚的认识。

发明内容

本发明提供一种管道修复补强检测系统，以有效检测管道复合材料层的修复补强是否合格。

为了实现上述目的，本发明提供一种管道修复补强检测系统，所述的系统包括：厚度检测单元，用于测量修复层厚度，并将所述的修复层厚度与厚度阈值进行比较，如果所述修复层厚度小于厚度阈值，则修复层厚度不合格；宽度检测单元，用于测量修复层宽度，并将所述的修复层宽度与宽度阈值进行比较，如果所述修复层宽度小于宽度阈值，则修复层宽度不合格；空鼓检测单元，用于测量空鼓的面积，计算有效粘接面积比S并与阈值S₀进行比较，如果S＜S₀，则修复层粘接不合格；胶粘剂层检测单元，用于测量胶粘剂层中的缺陷尺寸，并将所述缺陷尺寸与尺寸阈值进行比较，如果所述缺陷尺寸大于尺寸阈值，则胶粘剂层修复不合格；复合材料层检测单元，用于获取复合材料层图像，并根据所述图像分析复合材料层的表面特性；粘结力检测单元，用于测量修复层剥离条承受的拉力，根据所述的拉力计算剥离强度并与剥离强度阈值进行比较，如果所述剥离强度大于剥离强度阈值，则修复层抗拉不合格；管道表面检测单元，用于测量管道的表面缺陷尺寸，获取管道表面图像，并根据所述的图像分析所述管道的表面特性。

本发明实施例的有益效果：通过管道修复补强检测系统，可以对缺陷管道的修复补强材料的修复效果进行检测评价，提高补强修复施工质量和延长管道缺陷处使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例管道修复补强检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例修复补强复合材料检测及评价指标体系框架图；

图3为本发明实施例检测及评价流程图；

图4为本发明实施例剥离强度的测量示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1为本发明实施例管道修复补强检测系统的结构示意图；如图1所示，本发明提供一种管道修复补强检测系统，所述的系统包括：厚度检测单元101，宽度检测单元102，空鼓检测单元103，胶粘剂层检测单元104，复合材料层检测单元105，粘结力检测单元106及管道表面检测单元107。

厚度检测单元101用于测量修复层厚度，并将所述的修复层厚度与厚度阈值进行比较，如果所述修复层厚度小于厚度阈值，则修复层厚度不合格，需要重新修复。

对于管道内压引起的环向应力，所述的厚度阈值满足下式：

$t_{\min }=\frac{D}{2\mathrm{\σ}}\·\left(\frac{E_s}{E_c}\right)\·(P-P_s)$ (公式1)

其中，D为管道外径，σ为管道最小屈服强度，E_s为管道拉伸模量，E_c为复合材料环向拉伸模量，P为设计压力，P_s为最大允许工作压力。

对于管道内压、弯曲和轴向拉伸引起的轴向应力，所述的厚度阈值满足下式：

$t_{\min }=\frac{D}{2\mathrm{\σ}}\·\left(\frac{E_s}{E_c}\right)\·(\frac{2F}{{\mathrm{\πD}}^2}-P_s)$ (公式2)

其中，D为管道外径，σ为管道最小屈服强度，E_s为管道拉伸模量，E_c为复合材料环向拉伸模量，P_s为最大允许工作压力，F为管道内压、弯曲和轴向拉伸引起的总轴向拉伸载荷。

宽度检测单元102用于测量修复层宽度，并将所述的修复层宽度与宽度阈值进行比较，如果所述修复层宽度小于宽度阈值，则修复层宽度不合格。

所述的宽度阈值满足下式：

L＝2L_over+L_defect+2L_taper                 (公式3)

其中，

D为管道外径，t为管壁厚度，L_defect为缺陷轴向宽度，L_taper为修复层边界斜坡。

空鼓检测单元103用于测量空鼓的面积，计算有效粘接面积比S并与阈值S₀进行比较，如果S＜S₀，则修复层粘接不合格。

计算有效粘接面积比S的公式为：

$S=\frac{S_j-S_k}{S_j}\×100\%$ (公式4)

式中，S_k为空鼓面积，mm²；S_j为检测面积，mm²。

胶粘剂层检测单元104用于测量胶粘剂层中的缺陷尺寸，并将所述缺陷尺寸与尺寸阈值进行比较，如果所述缺陷尺寸大于尺寸阈值，则胶粘剂层修复不合格。

胶粘剂层中的缺陷尺寸包括：杂质、气泡和凹陷的宽度及高度(最大宽度10mm，高度2.5mm)、起皱台阶的厚度变化(小于2.5mm)、针孔的深度(应小于胶粘剂层厚度)、无裂纹。

复合材料层检测单元105，用于获取复合材料层图像，并根据所述图像分析复合材料层的表面特性。

复合材料层的表面特性包括：纤维方向是否符合设计规定，纤维是否渗透，有无杂质，轴向修复宽度是否超过处理表面。

粘结力检测单元106，用于测量修复层剥离条承受的拉力，根据所述的拉力计算剥离强度并与剥离强度阈值进行比较，如果所述剥离强度小于剥离强度阈值，则修复层抗拉不合格。

计算剥离强度的公式为：

$Q=\frac{F}{L}$ (公式5)

其中，Q为修复层剥离强度，N/cm；F为拉伸力，N；L为剥离带宽度，cm。

管道表面检测单元107，用于测量管道的表面缺陷尺寸，获取管道表面图像，并根据所述的图像分析所述管道的表面特性。所述管道的表面特性包括：修复区是否有明显的几何变化，几何变化是否为流线型；轴向宽度与设计值一致；缺陷尺寸未超过修复设计值(壁厚损失小于80％)，缺陷类型复合补强修复范围。

下面以具体的实施例来说明本发明，并结合附图对本发明的管道修复补检测及评价予以详尽的说明。本发明实施例的检测及评价对象为某含缺陷输气管道，该含缺陷输气管道采用玻璃纤维复合材料进行补强修复。

本发明建立的检测及评价指标体系考虑了补强修复设计参数、材料本身及施工质量三部分检测评价内容。检测及评价体系框架图见图2。其中，厚度、宽度、空鼓检测为非破坏检测方法，胶粘剂层、复合材料层、粘结力(定性和定量)和管道表面检测均需破坏/局部破坏修复层检测，对破坏后的修复部位视严重程度采取修补或重新补强修复处理。

如图3所示，检测及评价流程如下：

步骤S1、基本信息采集及开挖点选择。

本发明实施例采集的补强修复点及管道基本信息资料见表1，根据管线修复补强的历史数据及各种检测数据，选择开挖点及具体位置。应注意的是，开挖点选择应尽量避免腐蚀坑较深、焊缝缺陷较大及存在缺陷群的管段区域，以避免现场实施检测受到扰动的影响而引起危险。由于管道管理者准备大修换管作业，本发明实施例对开挖点进行了换管取样检测。

表1修复点及管道基本信息

管道规格	Φ508mm	管道焊缝形式	无缝
				壁厚	13mm	设计压力	4.9MPa
材质	20#钢	最大许用工作压力	4.8MPa
				实际运行压力	4.6MPa	补强修复时间	2004年
运行温度	25℃	补强材料	玻璃纤维复合材料

步骤S2、对修复层外部防腐层进行清洗，检查防腐层完整程度并进行相应记录和拍照。

步骤S3、小心剥开外部防腐层，使修复层外表面暴露并清洗干净，对修复层外观进行仔细检查，并记录检查结果，对修复层整体外观和局部失效部位进行拍照。

步骤S4、利用厚度检测单元101进行厚度检测及评价。分别在时间点12点、3点、6点及9点对修复层进行厚度测试，测试结果如表2所示。

表2补强修复层实际厚度测量值

经资料搜集，本实施例管道为无缝钢管，材质为20#钢，其最小屈服强度为245MPa，弹性模量为206×10³MPa。补强修复玻璃纤维复合材料其拉伸弹性模量为14×10³MPa，环向拉伸强度为213～241MPa。根据补强历史数据，修复缺陷为轴向方向，因此为内压引起的环向应力，结合表2的数据代入公式1。

$t_{\min }=\frac{D}{2\mathrm{\σ}}\·\left(\frac{E_s}{E_c}\right)\·(P-P_s)=1.52\mathrm{mm}$

实际测量最小修复层厚度为4mm，大于厚度阈值t_min，表明补强修复厚度合格。

步骤S5、利用宽度检测单元102进行宽度测量及评价。实际宽度测量值为345mm，边界无斜坡。根据公式3进行评价。根据补强修复历史数据，该补强缺陷轴向宽度为15mm。

L＝2L_over+L_defect+2L_taper＝340mm

因此，实际宽度值基本和要求值相当，基本合格，但补强修复层边界未采取封口措施，既采用多余的填料和胶粘剂将复合材料边界抹成斜坡，以避免外界污水杂质进入修复层内部。但本实施例未发现封口处理，表明施工不合格。

步骤S6、利用空鼓检测单元103进行空鼓检测及评价。利用小锤等工具对修复层进行空鼓检测，如果存在空鼓，计算有效粘接面积(S_j-S_k)。

经实际检测，环向空鼓宽度为35mm。带入公式4可得有效粘接面积为90％，小于95％，不合格。

步骤S7、胶粘剂层检测及评价。本发明实施例复合材料层间胶粘剂非常薄，检测过程中重点检测了最外层纤维下胶粘剂，检测结果见表3。

利用胶粘剂层检测单元104测量胶粘剂层中的缺陷尺寸，并将所述缺陷尺寸与尺寸阈值进行比较，如果所述缺陷尺寸大于尺寸阈值，则胶粘剂层修复不合格。胶粘剂层中的缺陷尺寸包括：杂质的宽度及高度、气泡的宽度及高度、凹陷的宽度及高度、起皱台阶的厚度、针孔的深度。

检测结果如表3所示，由检测结果可知，胶粘剂层无明显问题，检测结果合格。

表3胶粘剂层检测项目及结果评价

检测项目	检测结果及评价
		裂纹	无裂纹，填充材料完整
杂质、气泡、凹陷	有少量小凹陷，高度宽度均小于2mm
		起皱	由于玻璃纤维较厚无起皱
针孔	无针孔
		树脂颜色	均匀一致

步骤S8、复合材料层检测及评价。

利用复合材料层检测单元105获取复合材料层图像，并根据所述图像分析复合材料层的表面特性。复合材料层的表面特性包括：纤维方向，纤维是否渗透，有无杂质，轴向修复宽度是否超过处理表面。

根据复合材料层图像得到的复合材料层检测结果及相应评价见表4。由结果可知，复合材料最大问题为未渗透，出现大面积干纤维，造成原因为施工过程中涂胶量少且涂胶不均，漏涂问题严重。

表4复合材料层检测项目及相应评价

检测项目	检测结果及评价
		纤维方向	单向纤维，沿环向方向，符合设计规定
未渗透/干纤维	存在未渗透问题，为检测面积40％
		杂质	无杂质
轴向宽度和修复位置	修复宽度未超过处理表面，修复位置符合要求

步骤S9、粘结力定量检测及评价。

利用粘结力检测单元106测量修复层剥离条承受的拉力，根据所述的拉力计算剥离强度并与剥离强度阈值进行比较，如果所述剥离强度小于剥离强度阈值，则修复层抗拉不合格。

测量剥离强度步骤是，先将防腐层环向划开宽度为20mm，长10cm左右的长条，划开是应划透防腐层，并撬起一端，用测力计以10mm/min的速率垂直钢管表面匀速拉起防腐层，记录测力计的稳定数值，如图4所示。

本实施例为换管取样所得，因此，对粘结力测试直接进行定量检测。根据公式5计算得到的修复层与管体的剥离强度的检测结果为50N/2cm，而修复层的层间剥离强度为200N/2cm(未断)。结果表明，修复层层间剥离强度性能为优秀级(＞100N/cm)，而修复层与管体剥离强度过低，性能不合格(＜70N/cm)。

步骤S10、修复处管道表面检测及评价。

利用管道表面检测单元107测量管道的表面缺陷尺寸，获取管道表面图像，并根据所述的图像分析所述管道的表面特性。所述管道的表面特性包括：修复区是否有明显的几何变化，几何变化是否为流线型。

管道表面检测结果如表5所示，检测结果表明，管体与修复层粘结力较低，表面修复处表面问题严重。本发明实施例采用整体剥离的方法，具体为先沿着轴向方向剥离开一定宽度的窄条，再在对应180°方向剥开另一窄条，然后对半分开修复层。管道表面无几何变形，但包含大量锈点和颜色已经变黑的胶粘剂，说明外界腐蚀性介质(污水等)透过无封口的边界进入到修复层底部，造成管道表面生锈和胶粘剂老化变质。

表5管道表面检测项目及对应的评价

检测项目	评价指标
		几何变化	修复区无明显的几何变化
表面处理	轴向宽度与设计值一致，锈点多，胶粘剂变质
		缺陷	小腐蚀坑，符合修复范围

本发明实施例的有益效果：通过管道修复补强检测系统，可以对缺陷管道的修复补强材料的修复效果进行检测评价，提高补强修复施工质量和延长管道缺陷处使用寿命。

通过以上实施方案对本发明的检测与评价指标体系已经进行了详细的描述。本发明所建立的检测及评价指标体系非常适合对含缺陷管道玻璃纤维或碳纤维复合材料修复补强技术，既可以现场检测评价(重新补强修复)，也适合换管取样进行实验室检测评价。对本领域技术人员来说很显然可以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。

Claims (10)

1.一种管道修复补强检测系统，其特征在于，所述的系统包括：

厚度检测单元，用于测量修复层厚度，并将所述的修复层厚度与厚度阈值进行比较，如果所述修复层厚度小于厚度阈值，则修复层厚度不合格；

宽度检测单元，用于测量修复层宽度，并将所述的修复层宽度与宽度阈值进行比较，如果所述修复层宽度小于宽度阈值，则修复层宽度不合格；

空鼓检测单元，用于测量空鼓的面积，计算有效粘接面积比S并与阈值S₀进行比较，如果S＜S₀，则修复层粘接不合格；

胶粘剂层检测单元，用于测量胶粘剂层中的缺陷尺寸，并将所述缺陷尺寸与尺寸阈值进行比较，如果所述缺陷尺寸大于尺寸阈值，则胶粘剂层修复不合格；

复合材料层检测单元，用于获取复合材料层图像，并根据所述图像分析复合材料层的表面特性；

粘结力检测单元，用于测量修复层剥离条承受的拉力，根据所述的拉力计算剥离强度并与剥离强度阈值进行比较，如果所述剥离强度大于剥离强度阈值，则修复层抗拉不合格；

管道表面检测单元，用于测量管道的表面缺陷尺寸，获取管道表面图像，并根据所述的图像分析所述管道的表面特性。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，对于管道内压引起的环向应力，所述的厚度阈值满足下式：

$t_{\min }=\frac{D}{2\mathrm{\σ}}\·\left(\frac{E_s}{E_c}\right)\·(P-P_s)$

其中，D为管道外径，σ为管道最小屈服强度，E_s为管道拉伸模量，E_c为复合材料环向拉伸模量，P为设计压力，P_s为最大允许工作压力。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，对于管道内压、弯曲和轴向拉伸引起的轴向应力，所述的厚度阈值满足下式：

$t_{\min }=\frac{D}{2\mathrm{\σ}}\·\left(\frac{E_s}{E_c}\right)\·(\frac{2F}{{\mathrm{\πD}}^2}-P_s)$

其中，D为管道外径，σ为管道最小屈服强度，E_s为管道拉伸模量，E_c为复合材料环向拉伸模量，P_s为最大允许工作压力，F为管道内压、弯曲和轴向拉伸引起的总轴向拉伸载荷。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的宽度阈值满足下式：

L＝2L_over+L_defect+2L_taper

其中，

D为管道外径，t为管壁厚度，L_defect为缺陷轴向宽度，L_taper为修复层边界斜坡。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，计算有效粘接面积比S的公式为：

$S=\frac{S_j-S_k}{S_j}\×100\%---\left(4\right)$

式中，S_k为空鼓面积，mm²；S_j为检测面积，mm²。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的阈值S₀为95％。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，胶粘剂层中的缺陷尺寸包括：杂质的宽度及高度、气泡的宽度及高度、凹陷的宽度及高度、起皱台阶的厚度、针孔的深度。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，复合材料层的表面特性包括：纤维方向，纤维是否渗透，有无杂质，轴向修复宽度是否超过处理表面。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，计算剥离强度的公式为：

$Q=\frac{F}{L}$

其中，Q为修复层剥离强度，N/cm；F为拉伸力，N；L为剥离带宽度，cm。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管道的表面特性包括：修复区是否有明显的几何变化，几何变化是否为流线型。

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