CN102464861B

CN102464861B - 一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用

Info

Publication number: CN102464861B
Application number: CN 201010550596
Authority: CN
Inventors: 马卫锋; 罗金恒; 赵新伟; 蔡克; 陈志昕; 张华�
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: CN102464861A

Abstract

本发明涉及一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用；由缺陷填充材料、抗阴极剥离绝缘底胶和碳纤维复合材料组成；用缺陷填充材料对管道缺陷进行修补；在管道缺陷补强区域用抗阴极剥离绝缘底胶涂刷；用层间胶粘剂对碳纤维布涂刷、浸透并对补强修复区域进行铺设；用不锈钢薄带对复合材料修复层进行紧固固化；对不锈钢紧固的修复层进行室温固化或外部加热带加热固化；拆除加热装置和不锈钢薄带后对修复层进行外部防腐处理；可以避免在修复后修复补强层在服役过程中出现的修复材料与管体脱粘、分层、空鼓、开裂和鼓泡等现象，有效提高了在寒冷潮湿的恶劣环境下施工的有效性，确保了复合材料修复施工质量和补强修复效果，提高修复管道缺陷施工的可靠性。

Description

一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用

技术领域

本发明涉及一种利用碳纤维增强树脂基复合材料对油气输送管道外壁缺陷进行补强修复的方法及其复合材料体系。

背景技术

油气管道运输是五大运输产业之一，我国目前油气输送管道已突破7万公里。油气管道因腐蚀、机械损伤等原因往往形成各种管体缺陷，造成在役管道爆裂、泄漏等事故发生，严重影响了管道的安全运行和输送作业能力，如何对检测到的管体缺陷进行有效地修复补强是确保管线安全运行和提高输送效益的关键技术措施。现有的管道修复技术包括焊接补疤、套袖、夹具、换管以及复合材料修复等。复合材料修复技术由于其施工安全方便、不停输、不需要焊接作业、具有可设计性和耐腐蚀性等优点，已被广泛用于钢质管道结构的补强修复。近年来，国内外已形成多种复合修复产品，美国的主要有Clock

APPW(Armor

Pipe Wrap)等产品，国内主要有中石油管材研究所、中石油北京天然气管道有限公司及北京力强基业工程技术有限公司等单位各自的补强修复专利产品。目前，各类复合材料修复产品体系主要有三部分组成：(1)高强度的玻璃纤维或碳纤维增强材料；(2)固化速度快、性能高的基体胶粘剂材料；(3)传递载荷的高压缩强度管体缺陷填充材料。复合材料补强修复施工工艺有预成型法和湿缠绕法两种。

中石油管研院根据多年现场施工经验及对多种修复产品开挖验证其修复效果的检测研究发现，修复点在补强修复并回填一段时间后，出现修复材料与管体脱粘、分层、空鼓、压边搭边和边界端头无封口或封口不完整等修复问题，造成这些问题的施工原因主要包括修复点管体表面处理不彻底、胶粘剂涂刷不均匀或局部漏涂、纤维布缠绕折皱或预紧力不足、修复层端头无封口措施等。但同时也存在材料自身的问题，包括缺陷填充材料易脆裂、底层胶粘剂与管体粘结力差、碳纤维因导电而发生电偶腐蚀和修复材料修复套袖底层抗阴极剥离性能差等问题。

因此，针对现场施工和开挖验证发现的问题，结合最新的化工产品对整个补强修复复合材料体系进行了产品改进和技术提高，以提高修复补强技术的有效性及修复工程质量，确保修复补强效果和防腐效果的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对含体积型缺陷油气输送管道修复补强碳纤维复合材料，包括脱粘、分层、空鼓等施工问题及缺陷填充材料的脆性断裂、底层胶粘剂阴极剥离和电偶腐蚀等，复合材料及改进的施工方法，确保复合材料修复体系与钢质管体之间具有良好的匹配性，分担管道承受的载荷，限制管道缺陷处由内压引起的径向膨胀和环向拉伸应力，从而达到对缺陷补强的目的，使管道承压能力达到或超过无缺陷时状态。

本发明所述的钢质管道修复补强复合材料由缺陷填充材料、抗阴极剥离绝缘底胶、碳纤维增强树脂复合材料(包括碳纤维布和层间胶粘剂)几部分组成。

缺陷填充材料

缺陷填充材料由甲、乙两组分组成，其各组分的重量比见表1，甲乙两组分的重量比为(6～7)∶1；该填充材料室温条件下(大于15℃)，指触干燥时间为1～2.5h，工作温度范围-60～150℃，压缩强度85～100MPa，线膨胀系数15×10^-6/K(接近钢材)。

表1缺陷填充材料组分重量份

抗阴极剥离绝缘底胶

抗阴极剥离绝缘底胶为甲、乙两组分组成，甲乙两组分的重量比为(80～100)∶28。其各组分的重量比见表2，底胶厚度为0.1～1mm。该底胶25℃固化168h后，钢-钢拉伸剪切强度20.2～21.3MPa(GB/T 7124-86)，根据GB/T 23257-2009其剥离强度达170N/mm，阴极剥离测试无明显变化。

碳纤维布为本发明所使用的增强体，为复合材料的主要承载原材料，其抗拉强度为2500～5000MPa，拉伸弹性模量为100～350GPa，每平方米重量为200～400g，延伸率为1.0～2.5％，幅宽为50-1500cm，长度为每卷100米。

表2抗阴极剥离绝缘底胶组分重量份

层间胶粘剂

层间胶粘剂为本发明所使用的复合材料基体，是将管体载荷传递给增强体碳纤维布的材料。层间胶粘剂材料由甲、乙两组分组成，其各组分的重量比见表3，甲乙两组分的重量比为(2～4)∶1。采用碳纤维(T300)增强后的复合材料拉伸强度高达1228～1414MPa，弹性模量达95GPa左右。

表3层间胶粘剂材料组分重量比

本发明的另一目的是提供一种使用上述用于含缺陷管道修复补强的复合材料体系对油气压力管道修复补强的施工方法。该方法针对补强修复工程中所发现的实际问题，能够有效避免脱粘、分层、空鼓等施工缺陷及缺陷填充材料的脆性断裂、底层胶粘剂阴极剥离和碳纤维电偶腐蚀等问题，具有便施工、易操作、缺陷少和工程质量高的优点。包括以下步骤：

1)、对缺陷表面及缺陷处管道表面进行处理；

2)、采用所述缺陷填充材料对管道缺陷进行修补；

3)、在管道缺陷补强区域采用所述抗阴极剥离绝缘底胶涂刷；

4)、采用所述层间胶粘剂对碳纤维布涂刷、浸透并对补强修复区域进行铺设；

5)、采用不锈钢薄带对复合材料修复层进行紧固固化；

6)、对不锈钢紧固的修复层进行室温固化(大于15℃)或外部加热带加热固化；

7)、拆除加热装置和不锈钢薄带后对修复层进行外部防腐处理。

其中，缺陷表面及补强处管体表面处理参照国家标准《GB/T8923-1988涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》，钢管表面处理是涂敷作业和补强修复的基础和关键，直接决定底胶和管体粘结力的好坏。因此，必须严格控制其处理质量达到打磨除锈St3或喷砂除锈Sa2.5。抗阴极剥离绝缘底胶厚度为0.1～1mm，优选为0.5mm。复合材料紧固固化用不锈钢薄带厚度为0.1～0.3mm，优选为0.2mm。加热固化用加热带优选自控温伴热电缆，工作温度40～120℃。防腐处理可选用冷缠带、热收缩带或其他防腐材料。

本发明专用缺陷填充材料含有钢粉和银粉，添加钢粉能降低原材料成本，并增加腻子粘度和固化后强度，而银粉的加入有效降低了填料的膨胀系数，使之更接近于钢材，KH550硅烷偶联剂保证了填料、填料与管体良好的粘结力，将有效传递载荷。最新出口的产品端环氧基液体丁腈橡胶，明显提高了底胶的抗阴极剥离性能，同时良好的绝缘性能杜绝了碳纤维和钢材之间电偶腐蚀的发生。基体树脂采用最新的纳米固体橡胶增韧技术，活性稀释剂和消泡剂分别改善基体树脂的浸润渗透性和使复合材料快速消除气泡，使复合材料更加紧密，强度和抗腐蚀性能更好。不锈钢薄带紧固固化能有效避免整个复合体系固化期间脱粘、分层及空鼓的产生，明显提高修复施工的可靠性和有效性。加热固化可以保证在潮湿寒冷的恶劣环境下修复体系能够快速有效固化，提高复合修复补强技术抗环境影响的能力，缩短施工周期。

通过使用本发明研制的纤维复合材料体系(包括填充材料、底胶和纤维复合材料)修复补强钢质管道结构，复合材料补强套袖可以有效分担管道承受的载荷，限制管道缺陷处在内压的作用下所产生的膨胀变形行为，恢复或提高原管道的正常承压能力。并且发明所提供的补强修复施工方法，可以避免在修复后修复补强层在服役过程中出现的修复材料与管体脱粘、分层、空鼓、开裂和鼓泡等现象，而且有效提高了在寒冷潮湿的恶劣环境下施工的有效性，确保了复合材料修复施工质量和补强修复效果，提高修复管道缺陷施工的可靠性。

具体实施方式

为了更明确的阐述本发明所述补强修复复合材料体系及施工方法，特给出下述实施例。

第一步：补强修复设计方法及方案

补强修复试验管道相关参数见表4，并且根据其屈服强度计算了无缺陷管道的理论屈服压力和爆破压力。采用电动手工打磨的方法在试验管道外表面自制了常见的矩形缺陷和沟槽缺陷，缺陷的具体尺寸参数见表5，矩形缺陷和沟槽缺陷照片。

表4补强修复试验管道相关参数

表5自制缺陷相关参数

项目	参数指标	项目	参数指标
				矩形缺陷1深度	6.63mm	沟槽缺陷2深度	5.5mm
缺陷1轴向长度	100mm	缺陷2轴向长度	55mm
				缺陷1环向长度	100mm	缺陷2环向长度	2.5mm
壁厚减薄程度	42％	壁厚减薄程度	35％

根据表4和表5中试验管道和自制缺陷的相关参数，参照国外修复补强设计标准ASME PCC-2-2006(压力设备和管道的维修标准)和自主开发的修复补强计算模拟软件，确定了补强修复层数和宽度，见表6。纤维复合材料体系平均厚度为0.35mm/层。

表6修复补强层数及宽度参数

项目	矩形缺陷1	沟槽缺陷2
			修复补强层数	6层	4层
修复补强宽度	300mm	300mm

第二步：缺陷及管道表面处理

对自制缺陷及周围的管道表面进行电动钢丝刷手工除锈打磨，保证达到GB/T 8923-1988要求的St3标准。打磨应从上到下依次打磨，并且管道底部部位应反复打磨确保达到标准，打磨过程。手工打磨完成后，应用毛刷去除浮砂，再用蘸有丙酮的脱脂棉彻底清洗缺陷和管道表面，直至棉纱无擦洗黑斑为止。

第三步：缺陷填充材料填充缺陷

在丙酮清洗缺陷及管道表面后，采用本发明研发的缺陷填充材料对矩形缺陷和沟槽缺陷进行修复填平。

缺陷填充材料由甲、乙两组分组成。

甲组分 E-51环氧树脂(无锡树脂厂) 55份

钢粉(250～325目，市售) 50份

银粉(200～325目，市售) 20份

无规羧基丁腈橡胶(西安长城树脂胶粘剂有限公司) 15份

乙组分改性胺固化剂(金岛奇士公司) 20份

气相二氧化硅(200目，市售) 6份

DMP-30(市售) 6份

KH550(市售) 10份

甲组分∶乙组分＝6∶1

第四步：抗阴极剥离绝缘底胶涂刷

待缺陷填充材料表面初步硬化后(手指触碰)，开始涂敷本发明所研制的抗阴极剥离绝缘底胶，该底胶既能有效防止修复层与管体阴极剥离的发生，又能杜绝碳纤维电偶腐蚀的隐患。底胶由甲、乙两组分组成，底胶厚度为0.55mm。

甲组分 CYD128环氧树脂(嘉化集团树脂厂) 100份

端环氧基丁腈橡胶(北京思道普森环保科技有限公 20份

乙组分 KH550型硅烷偶联剂(市售) 1份

JA112固化剂(四川蒲江精细化工厂) 35份

甲组分∶乙组分＝100∶28。

第五步：碳纤维布和层间胶粘剂修复补强管道

单向碳纤维布采用进口T-300型(河北建研材料技术有限公司)，抗拉强度3200～3800MPa，比重2.0～3.0g/cm³，单层厚度0.15～0.2mm，拉伸弹性模量为2.4×10⁵MPa。层间胶粘剂由甲、乙两组分组成，缠绕碳纤维布时涂刷层间胶粘剂。

甲组份 E-51环氧树脂(无锡树脂厂) 40份

CYD128环氧树脂(嘉化集团树脂厂) 60份

纳米固体橡胶胶粉(北京化工研究院) 10份

稀释剂678(安徽新远化工有限公司) 10份

消泡剂BYK 550(BYK Chemie公司) 1份

乙组份改性胺固化剂(金岛奇士公司) 40份

气相二氧化硅(200目，市售) 5份

KH550硅烷偶联剂(市售) 3份

甲组分∶乙组分＝2∶1。

第六步：不锈钢薄带紧固处理

碳纤维布缠绕完成后，采用不锈钢薄带紧固复合材料套袖固化，将不锈钢薄带与纤维缠绕相同方向贴紧包覆，增加修复补强工程质量的可靠性。紧固固化用不锈钢薄带厚度为0.2mm，包覆完后采用橡胶带紧固并室温固化。

第七步：外部加热带加热固化

根据现场施工环境情况，如需加热固化，采用自控温伴热电缆加热固化，工作温度控制在60℃左右，固化2～4小时，固化完成后的修复层表面。

第八步：拆除外部加热带及不锈钢薄带

带紧固加热固化完成后，依次拆除加热带和紧固不锈钢薄带。现场修复施工时，防腐处理可选用冷缠带、热收缩带或其他防腐材料。

第九步：静水压爆破试验

对上述修复补强试验管段依据《SY/T 5992-94输送钢管静水压爆破试验方法》进行爆破试验。采用阶梯式加载方式加压至41.2MPa时，未补强母材出现撕裂型破坏，而缺陷处无明显变化。

Claims

1.一种修复管道碳纤维复合材料体系，其特征在于：由缺陷填充材料、抗阴极剥离绝缘底胶和碳纤维复合材料组成；

（1）缺陷填充材料，由甲、乙两组分组成，甲乙两组分的重量比为(6～7)：1；按重量份：

甲组分：E-51环氧树脂 30～70份

钢粉 50～100份

银粉 10～40份

无规羧基丁腈橡胶 10～25份

乙组分：改性胺固化剂 5～20份

气相二氧化硅 1～10份

2,4,6-三(二甲胺基甲基)-苯酚 2～10份

KH550硅烷偶联剂 0～15份

（2）抗阴极剥离绝缘底胶，为甲、乙两组分组成，甲乙两组分的重量比为(80～100)：28；按重量份：

甲组分：CYD128环氧树脂 100份

端环氧基丁腈增韧剂 10～30份

乙组分：JA112型固化剂 20～45份

KH550硅烷偶联剂 1～5份

（3）碳纤维复合材料，其基体树脂为层间胶粘剂，层间胶粘剂由甲、乙两组分组成，甲乙两组分的重量比为(2～4)：1；按重量份：

甲组分：E-51环氧树脂 30～60份

CYD128环氧树脂 40～70份

纳米固体橡胶胶粉 1～15份

稀释剂678 0～20份

消泡剂550 0～2份

乙组分：改性胺固化剂 30～60份

气相二氧化硅 3～8份

KH550硅烷偶联剂 1～5份。

2.一种权利要求1所述的修复管道碳纤维复合材料体系的应用，其特征在于：用于含缺陷管道修复补强，包括以下步骤：

(1)、对缺陷表面及缺陷处管道表面进行处理；

(2)、采用所述缺陷填充材料对管道缺陷进行修补；

(3)、在管道缺陷补强区域采用所述抗阴极剥离绝缘底胶涂刷；

(4)、采用所述层间胶粘剂对碳纤维布涂刷、浸透并对补强修复区域进行铺设；

(5)、采用不锈钢薄带对复合材料修复层进行紧固固化；

(6)、对不锈钢紧固的修复层进行室温固化或外部加热带加热固化；

(7)、拆除加热装置和不锈钢薄带后对修复层进行外部防腐处理。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料体系的应用，其特征在于：复合材料紧固固化用不锈钢薄带厚度为0.1～0.3mm，加热固化用加热带选自控温伴热电缆，工作温度40～120℃，防腐处理选用冷缠带、热收缩带或其他防腐材料。