CN106238970B - 一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，包括：清洗待修复补强宽度范围内钢管表面，充分干燥；将配制好的环氧树脂粘浸胶均匀涂抹于待修复补强管段表面；3)根据补强宽度、补强层数和边界的坡口要求，将裁好的复合材料纤维布+层间环氧树脂粘浸胶依次对钢管进行交叉、螺旋缠绕，螺旋缠绕时复合材料纤维布相互搭接50％；将边界坡口抹成斜坡15±5°；固化，自然风干，即完成凸台角焊缝复合材料修复补强过程。该方法避免了在运行过程中发生泄漏等安全事故，特别是对交叉焊缝的裂纹沿着性能主管道直焊缝区域延伸开裂的现象，避免了严重的灾害和损失的发生。

Description

一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法

技术领域

本发明涉及一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，特别是凸台焊接后与主管道焊缝形成交叉焊缝的复合材料修复补强方法。

背景技术

站场与阀室是石油天然气储存与运输过程中必不可少的组成部分。为了满足阀门、仪表和法兰等的安装需要，站场和阀室设计中经常会遇到在主管上开孔、焊接凸台的情况。ERW焊管是非填充金属的电阻焊钢管。它由于壁厚均匀、易于防腐涂敷，尺寸精度高，无内焊瘤等优点而广泛应用于许多重点站场工程。根据标准SY 0402-2002《石油天然气站内工艺管道工程施工及验收规范》和SY 4203-2007《石油天然气建设工程施工质量验收规范-站内工艺管道工程》，在制作管汇时，凸台开孔位置应与主汇管本身的纵焊缝或螺旋焊缝错开应不少于100mm。但在实际操作中，由于ERW直缝电阻焊管外表面很光整，单从肉眼观察难以确定焊缝位置。部分凸台焊接安装位置距离ERW焊缝很近甚至重合，存在安全隐患。

在主管道上开孔，破坏了管道的连续性，开孔边缘一定范围内存在应力集中。凸台焊接本身又涉及到异种金属以及不同强度、不同壁厚、不同管径的管接头焊接，焊接过程中可能产生裂纹、气孔、固体夹渣物、未焊透、未熔合、熔深不足、咬边、对接错边与角度偏差以及其他形状缺陷，焊接质量难以控制。如果凸台开孔中心位于ERW钢管直焊缝附近形成交叉焊缝，焊缝相交处附近极其复杂的残余应力分布对应力集中区域塑形的发展、应力的分布都有极其不利的影响，可能会使焊缝区域出现三向拉应力的脆性破坏。

对于正在运行的站场主管道，通过降压置换，割除旧管焊接新管的方法更换违规凸台角焊缝，特别是与主管道形成交叉焊缝的结构一方面耗资巨大，因为凸台切割前需要站场管道停止运输，并排空清洗管道。另一方面更换管道也会出现新的环焊缝焊接、凸台角焊缝焊接等问题。近年来复合材料技术发展迅速，复合材料修复补强技术具有安全、方便，不动火、不停输等优点，已经成功应用于钢质管道结构的补强修复。本发明是针对凸台和主管道形成的T型交叉结构，提供一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，特别是凸台焊接后与主管道形成交叉焊缝的复合材料修复补强方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对站场/阀室中，仪表、法兰、引压和取气等安装需要凸台的角焊缝结构，特别是凸台焊接后与主管道焊缝形成交叉焊缝的结构，提供一种复合材料修复补强方法。通过使用本发明提供的修复补强方法，对包括角焊缝、主管道直管段、同凸台连接支管段的T型角焊缝结构进行修复补强，有效限制角焊缝，特别是交叉焊缝处的局部应力集中，增加该T型结构的强度，避免在运行过程中发生泄漏等安全事故，特别是在交叉焊缝时防止裂纹沿着性能相对薄弱的主管道直焊缝区域延伸开裂并长程扩展，造成严重的灾害和损失。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

根据本发明实施例提供的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其包括下述步骤：

1)首先利用清洗剂清洗待修复补强宽度范围内的主管段、支管段和角焊缝钢管表面，并充分干燥；

2)将配制好的环氧树脂粘浸胶均匀涂抹于待修复补强管段表面；

3)根据补强最小修复宽度、补强层数和边界的坡口要求，修复补强边界都采用纤维布宽度逐渐减小、补强层的厚度逐渐增加的方式，在补强层的两端形成外坡口结构；将裁好的复合材料纤维布+层间环氧树脂粘浸胶依次对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕，按照沿主管段两侧螺旋缠绕，主管段与支管段的角焊缝钢管处交叉缠绕，支管段螺旋缠绕的方式缠绕，螺旋缠绕时复合材料纤维布相互搭接50％；

其中，补强最小修复宽度为试验测试凸台焊接对组织、残余应力和水压爆破试验影响范围的最大值+支管开孔直径；

4)缠绕完成后，将主管段、支管段边界坡口，主管段与支管段之间的角焊缝交界位置利用橡胶抹刀将环氧树脂粘浸胶抹成斜坡；

5)然后固化，自然风干，即完成凸台角焊缝复合材料修复补强过程。

进一步，所述试验测试凸台焊接对组织影响范围为12～15mm，残余应力影响范围最大值为113mm～167mm，水压爆破试验影响范围为93mm～98mm。

进一步，所述补强层数为管线直管段材料最小屈服强度×直管段管壁厚度/所选用复合材料纤维布拉伸强度×单层复合材料纤维布厚度。

进一步，对于角焊缝钢管缠绕，补强层数为补强层数计算值的1.5倍；直管段和支管段的补强层数与计算值一致。

进一步，所述坡口要求为坡口角度在15±5°。

进一步，步骤3)依次对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕的方法为：

3a)首先采用复合材料纤维布对角焊缝两侧主管段进行的螺旋缠绕；

3b)然后对角焊缝区域缠绕，方式为：第一层首先从主管段的底部向支管段黏贴复合材料纤维布；第二层从主管段与支管端焊缝位置开始，交叉缠绕一周；

3c)然后在支管段进行螺旋缠绕，螺旋缠绕搭接50％；

3d)在缠绕一层后的复合材料纤维布上涂抹一层环氧树脂粘浸胶，重复步骤3a)-3c)，直至完成对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕。

进一步，缠绕过程中，用专用工具罗拉沿纤维方向在复合材料纤维布上反复滚压多次，以去除气泡，使胶粘剂充分渗透纤维布。

进一步，所述复合材料纤维布采用玻璃纤维或碳纤维。

本发明的设计内容主要是提供一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，特别是凸台焊接后与主管道形成交叉焊缝时的复合材料修复补强方法。通过对凸台角焊缝，特别是凸台焊接后与主管道焊缝形成交叉焊缝的T型结构进行修复补强，可以增加该T型结构的强度，弥补该处组织恶化造成的强度和韧性的损耗。同时有限限制角焊缝，特别是交叉焊缝处的局部应力集中，避免在运行过程中在局部应力集中位置发生泄漏等安全事故。角焊缝处复合材料修复补强的搭接结构，则主要针对可出现的焊接缺陷，增加结构强度。主管段的补强则可以在交叉焊缝时防止裂纹沿着性能相对薄弱的主管道焊缝区域延伸开裂并长程扩展，导致造成严重的灾害和损失。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明缠绕方式示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的设计内容主要是提供一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，包括下述步骤：

1)首先利用清洗剂清洗待修复补强宽度范围内的主管段、支管段和角焊缝钢管表面，并充分干燥。

2)将配制好的环氧树脂粘浸胶均匀涂抹于待修复补强管段表面。

3)根据补强最小修复宽度、补强层数和边界的坡口要求，修复补强边界都采用纤维布宽度逐渐减小、补强层的厚度逐渐增加的方式，在补强层的两端形成外坡口结构；将裁好的复合材料纤维布+层间环氧树脂粘浸胶依次对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕，按照沿主管段两侧螺旋缠绕，主管段与支管段的角焊缝钢管处交叉缠绕，支管段螺旋缠绕的方式缠绕，螺旋缠绕时复合材料纤维布相互搭接50％。

见图1所示，在主管段1、支管段2和角焊缝钢管上缠绕复合材料纤维布3后的修复补强边界呈外坡口4结构。

依次对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕的方法为：

3a)首先采用复合材料纤维布对角焊缝两侧主管段进行的螺旋缠绕；

3b)然后对角焊缝区域缠绕，方式为：第一层首先从主管段的底部向支管段黏贴复合材料纤维布；第二层从主管段与支管端焊缝位置开始，交叉缠绕一周；

3c)然后在支管段进行螺旋缠绕，螺旋缠绕搭接50％；

3d)在缠绕一层后的复合材料纤维布上涂抹一层环氧树脂粘浸胶，缠绕过程中，用专用工具罗拉沿纤维方向在复合材料纤维布上反复滚压多次，以去除气泡，使胶粘剂充分渗透纤维布。重复步骤3a)-3c)，直至完成对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕。

4)缠绕完成后，将主管段、支管段边界坡口，主管段与支管段之间的角焊缝交界位置利用橡胶抹刀将环氧树脂粘浸胶抹成斜坡。

5)然后固化，自然风干，即完成凸台角焊缝复合材料修复补强过程。

本发明方法中应满足下述条件限定：

(1)复合材料产品选用原则：目前常规的复合材料修复补强体系主要针对带缺陷管道，由高强度纤维布、缺陷填平树脂、层间胶粘剂三者组成。针对凸台角焊缝T型结构修复补强的主要目的是增加结构强度，因此本发明复合材料修复补强体系主要选用：高强度复合材料纤维布+层间胶粘剂体系。高强度复合材料纤维布可以但不局限于玻璃纤维、碳纤维。

(2)补强位置的确定：凸台角焊缝T型结构不仅仅包括主管道的直管段，还包括凸台连接的支管段，因此修复补强的位置包括直管段、角焊缝和支管段共三个部分。

(3)针对凸台角焊缝结构修复补强层数推荐：目前复合材料修复补强的推荐做法主要针对管道上已经存在缺陷导致壁厚减薄的情况，推荐层数根据缺陷类型、缺陷的大小计算修复补强层厚度/单层纤维布厚度得到。针对凸台角焊缝T型结构，将其设定为关联缺陷，本发明建议根据实际运行管道的管线材质，厚度和所选用的复合材料实测强度计算出推荐的直管段修复补强层数，具体为：管线直管段材料最小屈服强度×直管段厚度/所选用复合材料拉伸强度×单层厚度，四舍五入。对于凸台焊接后形成交叉焊缝的情况角焊缝钢管缠绕，补强层数增加为计算值的1.5倍。支管段的修复补强层数同主管段一致。

(4)针对凸台角焊缝结构修复补强宽度推荐：在主管道上开孔、焊接凸台一定会干扰角焊缝周围材质的组织结构和受力情况，补强最小修复宽度根据凸台焊接后的组织、残余应力和整体结构性能的水压爆破试验+支管开孔直径结果可知：，凸台焊接后对于主管段组织影响范围为12～15mm，残余应力影响范围为113mm～167mm，水压爆破试验影响范围为93mm～98mm。西气东输二线常用的凸台开孔大小为25mm、50mm、80mm三种。因此推荐的最小修复补强宽度为：残余应力影响范围+支管开孔直径。修复补强层的宽度必须大于该影响区域尺寸，才能达到补强的目的，修复凸台焊接对整体钢结构性能影响。根据针对西气东输二线的实际情况，主管道修复补强宽度的最小值必须大于凸台角焊缝左右两侧250mm(167mm(残余应力影响范围)+80mm(凸台的最大直径)，支管段修复补强宽度的最小值必须在凸台角焊缝上15mm(组织影响范围)。根据管道补强保守原则，针对凸台角焊缝实际修复补强推荐宽度为：主管段左右两侧各250mm，支管段为凸台上方10-30mm，如果仪表连接位置同凸台距离低于30mm，则宽度到仪表连接下方。

(5)主、支管段修复补强层边界坡口角度：在利用复合材料对主管段和支管段进行修复补强时，主、支管段的修复补强边界都采用宽度逐渐减小的纤维布，补强层的厚度逐渐增加，在补强层的两端形成外坡口的形式，坡口角度为15±5°。通过该设计，复合材料修复补强层对管道的约束力逐渐增加，实现裂纹柔性止裂，避免失效时出现管线环切的危险情况，具体见附图1。

(6)T型结构角焊缝的补强位置和方式：角焊缝修复补强位置为主管段角焊缝左右15mm的区域，支管段凸台向上10mm的区域。针对T型结构角焊缝的复合材料缠绕方式为：

①第一层首先从主管段的底部向支管段黏贴复合材料，复合材料的宽度为15mm；

②第二层从主管段按照钟表11点或者1点对应位置开始，交叉缠绕，然后在角焊缝区域缠绕一周后，在支管段进行螺旋缠绕，螺旋缠绕搭接50％左右。具体见图2。

(7)凸台角焊缝复合材料修复补强的程序为：①首先对修复补强宽度范围内的主管段、直管段和焊缝进行表面清理，利用清洗剂清洗钢管表面，并充分干燥。②将环氧树脂粘浸胶的主剂与固化剂按规定比例称量准备后放入容器内，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。③黏贴前用滚筒刷(或油漆刷)将调配好的胶粘树脂均匀涂抹于待粘帖的部位，有搭接的部位应多涂刷一些。④根据按照补强宽度、补强层数和边界的坡口要求，裁好复合材料纤维布。首先对角焊缝两侧主管段进行复合材料的缠绕。然后对角焊缝区域按照前文第(6)条进行缠绕，最后对支管段进行缠绕。缠绕过程中，在复合材料和胶粘剂之间不应残留有空气。为此，可用罗拉(专用工具)沿纤维方向在复合材料纤维片上反复滚压多次，以去除气泡，使胶粘剂充分渗透纤维布。⑤修复补强完成，将主、支管道边界坡口，角焊缝与主、支管道交界位置利用橡胶抹刀将环氧树脂粘浸胶抹成斜坡，避免腐蚀性介质以修复层层与层之间的缝隙为通道进入修复层内部。(6)等待固化期间采取措施避免复合材料免受雨水、风沙的影响。

下面通过具体实施例对本发明方法做进一步详细说明。

2014年～2015年，石油管工程技术研究院和西部管道各个分公司针对凸台角焊缝，特别是凸台焊接后与主管道形成交叉焊缝的T型结构进行了复合材料修复补强。修复补强主要针对L415MB钢级、规格为Φ406.4×12.5mm的ERW电阻焊管，依照发明的要求：补强材料为：高强度玻璃纤维布+层间胶粘剂体系；补强位置包括主管段、角焊缝和支管段；修复补强层数根据计算：管线直管段材料最小屈服强度×直管段厚度/所选用复合材料拉伸强度×单层厚度＝415×12.5/2900*0.3＝5.96，补强层数选择为6层，如果为交叉焊缝，补强层数增加为9层。然后按照步骤(6)、(7)进行修复补强。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)首先利用清洗剂清洗待修复补强宽度范围内的主管段、支管段和角焊缝钢管表面，并充分干燥；

2)将配制好的环氧树脂粘浸胶均匀涂抹于待修复补强管段表面；

3)根据补强最小修复宽度、补强层数和边界的坡口要求，修复补强边界都采用纤维布宽度逐渐减小、补强层的厚度逐渐增加的方式，在补强层的两端形成外坡口结构；将裁好的复合材料纤维布+层间环氧树脂粘浸胶依次对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕，按照沿主管段两侧螺旋缠绕，主管段与支管段的角焊缝钢管处交叉缠绕，支管段螺旋缠绕的方式缠绕，螺旋缠绕时复合材料纤维布相互搭接50％；

其中，补强最小修复宽度为试验测试凸台焊接对组织、残余应力和水压爆破试验影响范围的最大值+支管开孔直径；

4)缠绕完成后，将主管段、支管段边界坡口，主管段与支管段之间的角焊缝交界位置利用橡胶抹刀将环氧树脂粘浸胶抹成斜坡；

5)然后固化，自然风干，即完成凸台角焊缝复合材料修复补强过程。

2.根据权利要求1所述的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，所述试验测试凸台焊接对组织影响范围为12～15mm，残余应力影响范围为113mm～167mm，水压爆破试验影响范围为93mm～98mm。

3.根据权利要求1所述的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，所述补强层数为管线直管段材料最小屈服强度×直管段管壁厚度/(所选用复合材料纤维布拉伸强度×单层复合材料纤维布厚度)。

4.根据权利要求3所述的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，对于角焊缝钢管缠绕，补强层数为补强层数计算值的1.5倍；直管段和支管段的补强层数与计算值一致。

5.根据权利要求1所述的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，所述坡口要求为坡口角度在15±5°。

6.根据权利要求1所述的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，步骤3)依次对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕的方法为：

3a)首先采用复合材料纤维布对角焊缝两侧主管段进行的螺旋缠绕；

3b)然后对角焊缝区域缠绕，方式为：第一层首先从主管段的底部向支管段黏贴复合材料纤维布；第二层从主管段与支管端焊缝位置开始，交叉缠绕一周；

3c)然后在支管段进行螺旋缠绕，螺旋缠绕搭接50％；

3d)在缠绕一层后的复合材料纤维布上涂抹一层环氧树脂粘浸胶，重复步骤3a)-3c)，直至完成对角焊缝两侧主管段、支管段和角焊缝钢管缠绕。

7.根据权利要求6所述的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，缠绕过程中，用专用工具罗拉沿纤维方向在复合材料纤维布上反复滚压多次，以去除气泡，使胶粘剂充分渗透纤维布。

8.根据权利要求1所述的一种凸台角焊缝复合材料修复补强方法，其特征在于，所述复合材料纤维布采用玻璃纤维或碳纤维。