CN109058648A - 一种用复合材料对表面损伤连续管补强修复的方法 - Google Patents

一种用复合材料对表面损伤连续管补强修复的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用复合材料对表面损伤连续管补强修复的方法，采用的复合材料包括缺陷填充材料、层间胶粘剂、纤维增强材料片材、柔性铜质金属网和陶瓷颗粒胶粘剂，采用缺陷填充材料对管体损伤处进行修补，填平管体表面的损伤，采用层间胶粘剂涂刷纤维增强材料片材，然后将其粘贴在管体表面损伤处，采用柔性铜质金属网，将其紧贴在纤维增强材料片材上，涂刷高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂并覆盖柔性铜质金属网，最终形成由缺陷填充材料、层间胶粘剂、纤维增强材料片材、柔性铜质金属网和陶瓷颗粒胶粘剂组成的复合材料修复层。由于复合材料与连续管在强度、韧性具有良好的匹配性，该方法防止了连续管因局部损伤而造成整盘失效，提高了连续管使用寿命。

Description

一种用复合材料对表面损伤连续管补强修复的方法
技术领域:
本发明涉及石油天然气管材修复技术领域，具体涉及一种用复合材料对表面损伤连续管补强修复的方法，以实现服役连续管的外壁腐蚀、损伤等缺陷进行修复和补强。
背景技术：
连续管在石油天然气工业中已广泛应用于油田修井、钻井、完井、测井、增产等领域。由于连续管作业技术具有效率高、成本低、作业范围广、占地面积小等一系列技术优点和作业优势，因此连续管在油气田勘探、开发、作业、增产中发挥着越来越重要的作用。
连续管作业技术中对连续管的用量大、管材质量要求高。国内现场调查表明，在作业数量不大的情况下，每台作业车平均每年消耗连续管大于4000米。据国外资料，世界上每年连续管用量近500万米。由于连续管工作条件比较恶劣，受力状态比较复杂，其失效形式归纳起来主要有3大类型：(1)塑性变形失效，连续管发生死弯，拉伸颈缩性变形，被压扁等现象；(2)断裂失效，连续管发生过载断裂、应力脆断、疲劳断裂等现象；(3)表面损伤失效，连续管发生均匀腐蚀、局部点蚀或管壁在下井过程发生磨损以及作业过程中的机械损伤。针对连续管的失效类型，采取相应措施，提高连续管的使用寿命，对于促进石油工业的发展具有重要意义。
因此，针对连续管由于腐蚀、磨损、机械损伤等表面损伤问题，本发明提出用复合材料补强修复技术，对连续管带缺陷位置实施补强修复，从而延长连续管的使用寿命，防止连续管在表面损伤位置率先发生失效。复合材料补强修复技术就是将复合材料缠绕在存在缺陷的连续管外表面，与强力胶和填料一起构成复合修复层，修复完成后，缺陷部位连续管承担的部分应力就会传递到复合修复层，从而使缺陷部位减少应力集中，防止缺陷部位发生局部腐蚀，提高缺陷部位的承压能力，从而避免连续管因局部的表面损伤而发生应力集中萌生裂纹、腐蚀穿孔、管体刺漏等失效，有效提高连续管的使用寿命。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，该方法采用复合材料补强修复，不仅成本较低、便于施工、修复后效果明显，而且由于复合材料与连续管的强度和韧性具有良好的匹配性，使损伤位置承担的应力传递到复合修复层，有效减少损伤位置的应力集中，提高损伤位置管材的承压能力，同时复合修复层能有效防止损伤位置局部腐蚀的进一步发生，使含损伤连续管达到或超过无缺陷时的性能，从而有效防止连续管因局部损伤而造成整盘连续管发生失效，提高连续管的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，所述复合材料包括缺陷填充材料、层间胶粘剂、纤维增强材料片材、柔性铜质金属网和陶瓷颗粒胶粘剂，所述方法包括以下步骤：
步骤1：对待补强修复的连续管进行损伤定位，并创造工作环境；
步骤2：对损伤表面及损伤附近的连续管表面进行处理，去掉损伤部位的污物和氧化皮，确保待补强修复的连续管表面无油、无水；
步骤3：采用缺陷填充材料对管体损伤处进行修补，填平管体表面的损伤；
步骤4：采用层间胶粘剂涂刷纤维增强材料片材，然后将其粘贴在管体表面损伤处；
步骤5：采用柔性铜质金属网，将其紧贴在纤维增强材料片材上，涂刷高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂并覆盖柔性铜质金属网，最终形成由缺陷填充材料、层间胶粘剂、纤维增强材料片材、柔性铜质金属网和陶瓷颗粒胶粘剂组成的复合材料修复层；
步骤6：采用抽真空或加热的方法对复合材料修复层进行辅助固化，保证修复层质量；
步骤7：对连续管修复层区域进行验收，做好施工记录。
所述缺陷填充材料由甲、乙两组分组成，甲、乙两组分的重量比为(5-6):1；所述甲组分由以下重量份材料组成：液态双酚A型环氧树脂40-80、增韧剂聚氨酯树脂15-40、触变剂气相二氧化硅5-10、钢粉20-50、银粉40-80、氧化铝30-60；所述乙组分由以下重量份材料组成：改性酸酐固化剂70-100、N,N二甲基苄胺30-50；采用橡胶抹刀将所述缺陷填充材料以腻子状修补填平到管体损伤处。
所述纤维增强材料片材为玻璃纤维片材或碳纤维片材。
所述层间胶粘剂由丙、丁两组分组成，丙、丁两组分的重量比为(3-4):1；所述丙组分由以下重量份材料组成：E-55液态双酚A型环氧树脂50-100、增韧剂聚氨酯树脂20-40、触变剂气相二氧化硅5-10、纳米氧化锌改性胶粉10-30、环氧树脂活性稀释剂10-30、环氧树脂消泡剂0.1-0.5；所述丁组分由以下重量份材料组成：改性酸酐固化剂60-90、N,N二甲基苄胺30-50、硅烷偶联剂KH-5901-5；所述层间胶粘剂的形状为乳脂状，涂刷纤维增强材料片材至其渗透充分浸润。
所述柔性铜质金属网采用单丝或多丝结构，网眼密度大、强度高，金属网厚度为0.3-1.0mm，宽度为100-400mm。
所述高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂由耐磨粗颗粒和改性增韧耐热固化剂复合而成，所述耐磨粗颗粒包括高性能金钢砂、陶瓷材料和碳化硅。
所述抽真空对复合材料修复层进行辅助固化的方法为：抽真空采用的工具包括导管、真空泵和真空袋，用密封条将真空袋四周粘贴在复合材料修复层周围，压紧密封，同时将导管和真空泵相连，启动真空泵，进行抽真空，时间为20-40分钟，待外层耐磨陶瓷颗粒胶粘剂初步固化即可停止抽真空。
所述加热对复合材料修复层进行辅助固化的方法为：采用自控温电伴热带，将其缠绕于复合材料修复层及其周围，然后加热固化。
本发明的有益效果：
1、本发明缺陷填充材料的弹性模量、线膨胀系数与连续管钢材接近，保证了连续管服役过程中缺陷填充材料与管材变形的同步性，同时该缺陷填充材料能有效的将损伤位置应力传递到复合材料修复层的外层，从而控制了损伤部位进一步扩展失效的风险；本发明的缺陷填充材料现场操作简单，对环境温度无特殊要求，室温条件下干燥时间为1-2小时，工作温度在-40-150℃，完全满足现场连续管的服役需求。
2、本发明纤维增强材料片材的弹性模量范围为(3-5)×105MPa，抗拉强度范围为2000-4000MPa；采用层间胶粘剂涂刷纤维增强材料片材，层间胶粘剂固化后，生成了纤维增强复合材料，具有较高的抗拉强度，能够传递并分担连续管内、外压力，防止管材膨胀变形，降低缺陷处的拉伸应力与应变，从而有效防止连续管因表面损伤引发管材过早失效。
3、本发明柔性铜质金属网与高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂固化后，组成了复合增强型耐磨层，有效增强了连续管修复区域的耐磨性能，防止连续管补强修复区域在服役过程中发生磨损，而造成修复区域过早失效，从而影响连续管补强修复效果。在修复区与连续管搭接处，用橡胶抹刀将高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂抹成斜坡，可减少连续管服役过程中搭接位置发生磨损。
4、本发明对复合材料修复层采用抽真空的方法进行辅助固化，解决了层间胶粘剂与纤维浸润不均一问题以及修复层之间和修复层与管壁之间粘结不紧密问题，可以避免整个复合体系固化期间发生脱粘、分层、空鼓、开裂及气泡的产生。采用加热辅助固化，保证了在潮湿、寒冷的恶劣环境下快速有效固化，缩短施工周期，确保了修复效果。
5、本发明研制的缺陷填充材料、纤维增强复合材料(包括层间胶粘剂和纤维增强材料片材)及复合增强型耐磨层(包括柔性铜质金属网和高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂)，实现了复合材料与连续管在强度、韧性具有良好的匹配性，使损伤位置承担的应力传递到复合修复层，有效减少损伤位置的应力集中，提高损伤位置管材的承压能力，同时防止损伤位置局部腐蚀，使含损伤连续管达到或超过无缺陷时的性能，从而有效防止连续管因局部损伤而造成整盘连续管发生失效，实现了连续管使用寿命的提高。
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。
为了检验本技术的实施效果，取全新连续管样品，采用机加工设备模拟3种常见的连续管表面损伤缺陷，采用水压爆破试验和低周弯曲疲劳试验进行评价。试验用连续管及模拟缺陷相关参数见表1。
参照修复补强设计标准ASTM PCC-2-2006(压力设备和管道的维修标准)及相关计算模拟软件，估算3种缺陷补强修复层数分别为：3层、4层、4层(单层纤维片材厚度0.15mm，宽度150mm)。
表1 试验用连续管及模拟缺陷相关参数
通过本发明提供的一种用复合材料对表面损伤连续管补强修复的方法对3种缺陷进行补强修复的步骤为：
步骤1：对待补强修复的连续管进行损伤定位，并创造工作环境；
将作业车上服役的连续管导入导管器，作业车一端释放连续管，导管器一端缠绕连续管，在这个过程中，寻找待补强修复的缺陷位置，采用划线、喷标或其他方法，用醒目的颜色将待修复的区域进行标示定位。创造工作环境包括清理工作区域，准备补强修复工作所需各类补强材料及施工辅助设备，如有需要搭设手脚架。
步骤2：对损伤表面及损伤附近的连续管表面进行处理，去掉损伤部位的污物和氧化皮，确保待补强修复的连续管表面无油、无水；
损伤表面及损伤附近管体表面处理是纤维复合材料补强修复的基础和关键，直接决定修复层和管体粘结力的好坏，表面处理不好将直接会造成修复材料与管体脱粘。使用电动打磨工具进行表面基层处理，基层预处理质量应到达《GB/T 8923-1988涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中规定的St 3级，被修复表面应确保无油、无水，要完全去掉缺陷部位的污物和氧化皮等杂质。如果管体表面存在细小、弥散腐蚀坑缺陷，难以使用电动角磨机彻底打磨除锈，可以用表面除锈液，处理管体表面锈蚀，最后用酒精或丙酮或其他易挥发清洗剂出去管体表面上的油污及其他污物，清洗干净后使其充分干燥。
步骤3：采用缺陷填充材料对管体损伤处进行修补，填平管体表面的损伤；
缺陷填充材料中甲乙两组分的重量比为6:1，甲、乙组分的具体成分和重量比如表2所示。
表2 缺陷填充材料的组分及配比
步骤4：采用层间胶粘剂涂刷纤维增强材料片材，然后将其粘贴在管体表面损伤处；
层间胶粘剂中丙、丁两组分的重量比为4:1，丙、丁两组分的具体成分和重量比如表3所示。使用时，在地面平铺薄膜，将碳纤维片材铺在其上(碳纤维布：抗拉强度2500MPa，宽度150mm)，根据损伤实际情况设计裁剪纤维布的宽度。将配好的胶粘剂涂刷纤维布，使其充分浸润，然后将纤维片材沿连续管环向或与轴向呈一定角度紧密缠绕粘贴于表面损伤处及其周围区域。
表3 层间胶粘剂材料的组分及配比
步骤5：采用柔性铜质金属网，将其紧贴在纤维增强材料片材上，涂刷高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂并覆盖柔性铜质金属网，最终形成由缺陷填充材料、层间胶粘剂、纤维增强材料片材、柔性铜质金属网和陶瓷颗粒胶粘剂组成的复合材料修复层。金属网的厚度为0.5mm，宽度为150mm，陶瓷颗粒胶粘剂现场一般直接使用配置好的成品，当使用环境温度较低时，现场可适当加入一定的固化促进剂。在修复区与连续管搭接处，用橡胶抹刀将高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂抹成斜坡，可减少连续管服役过程中搭接位置发生磨损。
步骤6：采用抽真空或加热的方法对复合材料修复层进行辅助固化，保证修复层质量，抽真空40分钟。
步骤7：对连续管修复层区域进行验收，做好施工记录。
检查修复层是否存在脱粘、分层、空鼓、开裂，是否达到施工要求。进行现场施工记录，包括：时间、地点、管柱信息、表面损伤尺寸、补强修复位置、施工方法、施工过程、质量检查等记录。
采用水压爆破试验对3种含缺陷连续管样品进行补强修复性能评价。将连续管样品两端用留有进水孔、排气孔的堵头封堵，注水排气，加压至74.1MPa，保压15min，无泄漏，无压降(参照API Spec5ST连续油管规范中静水压试验方法)；后逐级加压，直至试样爆破。结果：3种含缺陷连续管样品爆破压力分别为124.6MPa，120.1MPa，120.9MPa，爆破位置均为未经修复补强的管体位置。
采用连续管低周疲劳模拟试验装置对3种含缺陷连续管样品进行补强修复性能评价。试验条件及结果如表4所示，结果表明：3种含缺陷连续管样品经补强修复后，具有较好的抗低周疲劳性能。
表4 试验条件及结果

Claims (8)

1.一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述复合材料包括缺陷填充材料、层间胶粘剂、纤维增强材料片材、柔性铜质金属网和陶瓷颗粒胶粘剂，所述方法包括以下步骤：
步骤1：对待补强修复的连续管进行损伤定位，并创造工作环境；
步骤2：对损伤表面及损伤附近的连续管表面进行处理，去掉损伤部位的污物和氧化皮，确保待补强修复的连续管表面无油、无水；
步骤3：采用缺陷填充材料对管体损伤处进行修补，填平管体表面的损伤；
步骤4：采用层间胶粘剂涂刷纤维增强材料片材，然后将其粘贴在管体表面损伤处；
步骤5：采用柔性铜质金属网，将其紧贴在纤维增强材料片材上，涂刷高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂并覆盖柔性铜质金属网，最终形成由缺陷填充材料、层间胶粘剂、纤维增强材料片材、柔性铜质金属网和陶瓷颗粒胶粘剂组成的复合材料修复层；
步骤6：采用抽真空或加热的方法对复合材料修复层进行辅助固化，保证修复层质量；
步骤7：对连续管修复层区域进行验收，做好施工记录。
2.根据权利要求1所述的一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述缺陷填充材料由甲、乙两组分组成，甲、乙两组分的重量比为(5-6):1；所述甲组分由以下重量份材料组成：液态双酚A型环氧树脂40-80、增韧剂聚氨酯树脂15-40、触变剂气相二氧化硅5-10、钢粉20-50、银粉40-80、氧化铝30-60；所述乙组分由以下重量份材料组成：改性酸酐固化剂70-100、N,N二甲基苄胺30-50；采用橡胶抹刀将所述缺陷填充材料以腻子状修补填平到管体损伤处。
3.根据权利要求1所述的一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述纤维增强材料片材为玻璃纤维片材或碳纤维片材。
4.根据权利要求1所述的一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述层间胶粘剂由丙、丁两组分组成，丙、丁两组分的重量比为(3-4):1；所述丙组分由以下重量份材料组成：E-55液态双酚A型环氧树脂50-100、增韧剂聚氨酯树脂20-40、触变剂气相二氧化硅5-10、纳米氧化锌改性胶粉10-30、环氧树脂活性稀释剂10-30、环氧树脂消泡剂0.1-0.5；所述丁组分由以下重量份材料组成：改性酸酐固化剂60-90、N,N二甲基苄胺30-50、硅烷偶联剂KH-5901-5；所述层间胶粘剂的形状为乳脂状，涂刷纤维增强材料片材至其渗透并充分浸润。
5.根据权利要求1所述的一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述柔性铜质金属网采用单丝或多丝结构，网眼密度大、强度高，金属网厚度为0.3-1.0mm，宽度为100-400mm。
6.根据权利要求1所述的一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述高性能耐磨陶瓷颗粒胶粘剂由耐磨粗颗粒和改性增韧耐热固化剂复合而成，所述耐磨粗颗粒包括高性能金钢砂、陶瓷材料和碳化硅。
7.根据权利要求1所述的一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述抽真空对复合材料修复层进行辅助固化的方法为：抽真空采用的工具包括导管、真空泵和真空袋，用密封条将真空袋四周粘贴在复合材料修复层周围，压紧密封，同时将导管和真空泵相连，启动真空泵，进行抽真空，时间为20-40分钟，待外层耐磨陶瓷颗粒胶粘剂初步固化即可停止抽真空。
8.根据权利要求1所述的一种用复合材料对表面损伤连续管进行补强修复的方法，其特征在于：所述加热对复合材料修复层进行辅助固化的方法为：采用自控温电伴热带，将其缠绕于复合材料修复层及其周围，然后加热固化。
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