CN114623311A - 修复管道的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种修复管道的方法，包括：(a)将纤维材料的一部分固定到管道；(b)在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘接胶，以形成多层纤维复合材料；(c)缠绕多孔层，以覆盖多层纤维复合材料；(d)缠绕密封带，以覆盖多孔层，并将密封带粘接在管道表面上，在密封带和管道表面之间形成密封腔，多层纤维复合材料和多孔层位于该密封腔中；(e)抽取密封腔中的空气，使得密封腔内的压力达到预定负压。
Description
技术领域
本发明涉及一种修复管道的方法。
背景技术
管道运输是国民经济五大运输产业之一，仅目前我国油气长输管道就达5万余公里。这些管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、土壤腐蚀、电偶腐蚀、外力损伤等作用，造成管道爆裂、泄漏等事故发生频繁，影响管道的正常输送作业。因此，需要在不停止输送的情况下进行修复补强增强的技术。
复合材料修复技术由于其施工安全方便、不停输、不需要动火焊接作业、具有耐腐蚀性等优点，已被广泛用于钢质管道结构的补强修复。
目前纤维复合材料修复主要有预成型法和现场湿法缠绕两种成形方式。由于预成型法材料较硬，形状适应性较差，目前使用较少。湿法缠绕成形方式手法灵活，适应性强，能用于直管、弯头甚至三通等异形件的修复，所以应用比较广泛。
复合材料修复湿法缠绕是利用增强纤维和基体树脂在管道外形成复合材料补强层，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，恢复管道的正常承压能力。实施过程如下：1、对待修复管道表面进行打磨、清洗，用树脂等材料将管道缺陷填平，对焊缝位置进行平滑过渡；2、在待修复区域均匀涂刷粘接树脂，缠绕粘贴纤维材料；3、在粘贴的纤维材料表面涂刷粘接树脂，缠绕粘贴第二层纤维材料；4、重复2、3步骤，直至达到规定的层数。5、待粘接树脂固化后，对补强区域进行防腐处理。
这种复合材料修复工艺容易产生以下问题：
1、分层。复合材料在缠绕过程中，拉紧力不足或每层之间的粘接胶涂刷不均匀，造成复合材料层与层之间产生剥离现象或粘接力不足的情况。
2、空鼓。复合材料在缠绕过程中，由于粘接树脂涂刷不均匀，纤维片材褶皱，材料固化过程中气泡无法溢出复合材料等原因，复合材料内部往往存在大小不等的气泡。较大的气泡可以用敲击法现场检测发现，并进行修补，体积较小的气泡不容易检测出来，但会削弱纤维复合材料的力学性能。
3、端口翘边、不完整。复合材料缠绕后，纤维末端、修复段两侧往往会产生翘边，固化后表面不平滑，存在毛刺等，一方面不利于后继防腐，另一方面一旦防腐层出现破损，水等腐蚀介质侵入管道表面。
4、纤维复合材料厚度不均匀。在纤维复合材料固化过程中，粘接胶有一定的流动性，固化过程中会造成顶部纤维复合材料粘接胶流淌，厚度变小，底部纤维复合材料粘接胶聚集，厚度增加。如果是在立管上进行修复，纤维复合材料还会由于自身重量下滑，造成修复层移位等现象。
因此，需要一种修复管道的方法，其能够克服以上缺点中的至少一项。
发明内容
本发明提供了一种修复管道的方法，包括：(a)将纤维材料的一部分固定到管道；(b)在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘接胶，以形成多层纤维复合材料，(c)缠绕多孔层，以覆盖多层纤维复合材料；(d)缠绕密封带，以覆盖多孔层，并将密封带粘接在管道表面上，在密封带和管道表面之间形成密封腔，多层纤维复合材料和多孔层位于该密封腔中；(e)抽取密封腔中的空气，使得密封腔内的压力达到预定负压。
有利地，所述方法还包括：在步骤(c)之后且在步骤(d)之前，缠绕吸胶层，以覆盖多孔层。
有利地，在步骤(d)中，缠绕密封带，以覆盖吸胶层，使得多层纤维复合材料、多孔层和吸胶层位于该密封腔中。
有利地，在步骤(c)中，缠绕多孔层使得其延伸超出多层纤维复合材料。
有利地，缠绕吸胶层使得其延伸超出多孔层。
有利地，所述方法还包括：在保持密封腔内的预定负压一预定时间之后，拆除多孔层、吸胶层和密封带。
有利地，所述预定负压小于1个大气压。
有利地，所述预定负压小于0.2个大气压。
有利地，所述预定负压小于0.1个大气压。
有利地，所述预定时间选择成直到吸胶层中没有粘接胶渗出。
有利地，在步骤(b)中，对纤维材料施加预紧力，并在预紧力作用下在管道上缠绕多层纤维材料。
有利地，所述方法还包括：预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。
有利地，所述预紧力F预选择为满足以下公式的F预1、F预2、F预3之一、F预1、F预2、F预3任意两者之和、或者三者之和，即：F预＝{F预1，F预2，F预3，F预1+F预2，F预2+F预3，F预1+F预3，F预1+F预2+F预3}
其中，F预1为克服带压管道修复后内部压力下降造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预2为克服带压管道修复后管道轴向拉伸弹性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预3为克服带压管道修复后管道轴向拉伸塑性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预为施加在单层纤维材料的预紧力，P维修为管道维修时的压力；D管道为管道外径；t管道为管道壁厚；f安全1、f安全2、f安全3为安全系数，其大于0且小于等于100；t单层纤维为单层纤维材料的理论厚度；b纤维幅宽为纤维宽度；E纤维为纤维的弹性模量；E管道为管道材料的弹性模量；μ管道为管材的泊松比；σ屈服为管材的屈服强度；ε抗拉为管材轴向载荷为抗拉强度时引起的管道环向塑性应变。
有利地，f安全1、f安全2、f安全3为0.5。
有利地，f安全1、f安全2、f安全3为1。
附图说明
在下面结合附图详细描述的本发明的优选实施方式中，本发明的优点和目的可以得到更好地理解。为了在附图中更好地显示各部件的关系，附图并非按比例绘制。
图1示出根据本发明的用纤维复合材料对管道的缺陷进行修复的方法的流程图。
具体实施方式
将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。术语“依次包括A、B、C等”仅指示所包括的部件A、B、C等的排列顺序，并不排除在A和B之间和/或B和C之间包括其它部件的可能性。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。
下面，参照图1，详细描述根据本发明的方法的优选实施方式。
如图1所示，本发明的用纤维复合材料对管道的需要修复的部位进行修复的方法包括以下步骤：(a)将纤维材料的一部分固定到管道；(b)在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘浸胶，以形成多层纤维复合材料；(c)缠绕多孔层，以覆盖多层纤维复合材料，一般而言，将多孔层覆盖成延伸超出多层纤维复合材料的两侧分别大约3cm，优选地不大于10cm；(d)缠绕密封带，以覆盖多孔层，并将密封带粘接在管道表面上，在密封带和管道表面之间形成密封腔，多层纤维复合材料和多孔层位于该密封腔中；(e)抽取密封腔中的空气，使得密封腔内的压力达到预定负压。在步骤(c)之后且在步骤(d)之前，缠绕吸胶层，以覆盖多孔层，如此在缠绕密封带时，利用密封带覆盖吸胶层，使得多层纤维复合材料、多孔层和吸胶层位于该密封腔中，一般而言，吸胶层覆盖成延伸超出多孔层的两侧分别大约10cm。
根据本发明的方法，在密封腔内的压力达到预定负压(例如小于1个大气压，优选地小于0.2个大气压，更优选地小于0.1个大气压)之后，保持预定负压一预定时间，然后拆除多孔层、吸胶层和密封带。该预定时间可以选择成直到吸胶层中没有粘接胶渗出，至少大于30分钟。
在缠绕多孔层时，缠绕多孔层的起始端和结束端会彼此搭接，从而彼此重叠，该重叠范围应尽可能较小，优选地，起始端和结束端彼此对准，没有重叠在一起。另外，为了便于后续的拆除，多孔层不用粘接胶浸润。
通过例如真空泵将密封腔抽真空，并保持负压，在密封腔内外产生压差，多层纤维复合材料中的气泡会因该压差而体积膨胀，并由于外界气压对多层纤维复合材料的挤压作用而经由多孔层中的孔溢出。同时，由于该压差，多层纤维复合材料中的多余的粘接胶也会经由多孔层中的孔溢出而被吸胶层吸附，并渗透到吸胶层中。
密封带由柔性材料形成，如此，在形成压差之后，密封带在外界气压的作用下变形从而贴合在吸胶层上。
根据本发明的方法，在步骤(b)中，对纤维材料施加预紧力，并在预紧力作用下在管道上缠绕多层纤维材料，预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘上述预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。具体地，预紧力F预选择为F预1、F预2、F预3之一、F预1、F预2、F预3任意两者之和、或者三者之和，
即：F预＝{F预1，F预2，F预3，F预1+F预2，F预2+F预3，F预1+F预3，F预1+F预2+F预3}
其中，P维修为管道维修时的压力；D管道为管道外径；t管道为管道壁厚；f安全1、f安全2、f安全3为安全系数，其大于0且小于等于100，优选地大于0小于等于50，更优选地大于0小于等于2.5，当安全系数为0.5时，表示管内压力变化下降到维修时压力的一半，当安全系数为1时，表示管内压力从维修时的压力下降到0；t单层纤维为单层纤维材料的理论厚度；b纤维幅宽为纤维宽度；E纤维为纤维的弹性模量；E管道为管道材料的弹性模量；μ管道为管材的泊松比；σ屈服为管材的屈服强度；ε抗拉为管材轴向载荷为抗拉强度时引起的管道环向塑性应变；F预1为克服带压管道修复后内部压力下降造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预2为克服带压管道修复后管道轴向拉伸弹性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预3为克服带压管道修复后管道轴向拉伸塑性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预为施加在单层纤维材料的预紧力。
带预紧力的纤维复合材料对管道的修复技术，通过修复期间及固化后始终保持复合材料带有一定预紧力，预紧力按等效于管内压力由零升高至运行压力时由于管体膨胀造成的外部复合材料修复层拉伸变形的力计算，这样便可以使运行压力修复达到在零内压修复的效果，从而避免修复层与管道界面的剪切强度因为内压大幅降低波动而降低的影响。
通过本发明的修复管道的方法，能够有效消除多层纤维复合材料中的气泡，提高了多层纤维复合材料的致密度；使粘接胶充分浸润多层纤维复合材料，有效地避免空鼓，提高了多层纤维复合材料与管道之间以及多层纤维复合材料的相邻层之间的粘接力；通过密封腔内外的压差，外界气压经由密封带、吸胶层和多孔层均匀传递到多层纤维复合材料，提高了多层纤维复合材料的均匀性；由于避免了空鼓，提高了致密度，多层纤维复合材料的弹性模量、抗拉强度等力学参数得到提升。
以上说明仅仅是对本发明的解释，使得本领域普通技术人员能完整地实施本方案，但并不是对本发明的限制。上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。
Claims (15)
1.一种修复管道的方法，包括：
(a)将纤维材料的一部分固定到管道；
(b)在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘接胶，以形成多层纤维复合材料，
其特征在于，所述方法还包括：
(c)缠绕多孔层，以覆盖多层纤维复合材料；
(d)缠绕密封带，以覆盖多孔层，并将密封带粘接在管道表面上，在密封带和管道表面之间形成密封腔，多层纤维复合材料和多孔层位于该密封腔中；
(e)抽取密封腔中的空气，使得密封腔内的压力达到预定负压。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：在步骤(c)之后且在步骤(d)之前，缠绕吸胶层，以覆盖多孔层。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在步骤(d)中，缠绕密封带，以覆盖吸胶层，使得多层纤维复合材料、多孔层和吸胶层位于该密封腔中。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在步骤(c)中，缠绕多孔层使得其延伸超出多层纤维复合材料。
5.如权利要求3所述的方法，其中，缠绕吸胶层使得其延伸超出多孔层。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括：在保持密封腔内的预定负压一预定时间之后，拆除多孔层、吸胶层和密封带。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述预定负压小于1个大气压。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述预定负压小于0.2个大气压。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述预定负压小于0.1个大气压。
10.如权利要求6所述的方法，其中，所述预定时间选择成直到吸胶层中没有粘接胶渗出。
11.如权利要求3所述的方法，其中，在步骤(b)中，对纤维材料施加预紧力，并在预紧力作用下在管道上缠绕多层纤维材料。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述预紧力F预选择为满足以下公式的F预1、F预2、F预3之一、F预1、F预2、F预3任意两者之和、或者三者之和，即：F预＝{F预1，F预2，F预3，F预1+F预2，F预2+F预3，F预1+F预3，F预1+F预2+F预3}
F预3≥ε抗拉·t单层纤维·b纤维幅宽·E纤维·f安全3
其中，F预1为克服带压管道修复后内部压力下降造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预2为克服带压管道修复后管道轴向拉伸弹性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预3为克服带压管道修复后管道轴向拉伸塑性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预为施加在单层纤维材料的预紧力，P维修为管道维修时的压力；D管道为管道外径；t管道为管道壁厚；f安全1、f安全2、f安全3为安全系数，其大于0且小于等于100；t单层纤维为单层纤维材料的理论厚度；b纤维幅宽为纤维宽度；E纤维为纤维的弹性模量；E管道为管道材料的弹性模量；μ管道为管材的泊松比；σ屈服为管材的屈服强度；ε抗拉为管材轴向载荷为抗拉强度时引起的管道环向塑性应变。
14.如权利要求13所述的方法，其中，f安全1、f安全2、f安全3为0.5。
15.如权利要求13所述的方法，其中，f安全1、f安全2、f安全3为1。
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