CN1853847A

CN1853847A - 用于焊缝缺陷修复补强的碳纤维复合材料和方法

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Publication number: CN1853847A
Application number: CN 200610066654
Authority: CN
Inventors: 王修云; 郑岩; 王金友; 陈迎锋
Original assignee: ANKE PIPING ENGINEERING SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING
Current assignee: ANKE PIPING ENGINEERING SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2026-04-17
Also published as: CN1853847B

Abstract

本发明涉及用碳纤维复合材料对焊缝缺陷修复补强的方法，该方法包括在焊缝及该焊缝的周围区域按一定的尺寸及层数湿法粘贴碳纤维片材，使所需层数的该碳纤维片材沿管道的轴向、环向或与轴向呈一定角度紧密缠绕粘贴于需要处理的焊缝及该焊缝的周围区域，使相邻的两层复合材料之间以平行、垂直或一定角度相互交错。如果需要，该方法还包括在需要修复补强的表面用修补胶层和/或底胶层进行修复的步骤，和在碳纤维层外进行防腐处理的步骤。该方法可使最终构成的复合修复层的承压能力达到并超过原始焊缝的承压能力。本发明的方法施工简便，有利于补强材料和焊缝及管体之间、补强层之间紧密贴合，并且可在管线不停输的情况下进行补强作业。

Description

用于焊缝缺陷修复补强的碳纤维复合材料和方法

发明领域

本发明涉及用树脂基碳纤维复合材料对焊缝缺陷进行修复补强的技术，更具体地，本发明涉及用于焊缝缺陷，例如管道焊缝缺陷，包括环焊缝和螺旋焊缝的焊缝缺陷进行修复补强的方法，以及所述材料和方法在各类焊缝缺陷修复补强中的应用。

背景技术

油气管道运输是五大运输产业之一，仅目前我国油气长输管道就达3万余公里。如此长距离的管道在安装和服役过程中，众多的焊接处可能会出现焊接缺陷，例如未焊透或焊接焊缝出现裂纹，所述的焊缝包括环焊缝和螺旋焊缝。环焊缝和螺旋焊缝如果存在未焊透或出现裂纹的缺陷时，则承受内压和轴向拉伸的能力必然降低，最终可能导致完全断裂。以环焊缝为例，在出现环焊缝时，所使用的补强材料必须满足如下两种强度的要求：一是碳纤维复合材料的拉伸强度和横截面面积的乘积必须足够大，以便弥补焊缝中裂纹缺陷引起的强度降低；二是碳纤维复合材料与钢管表面的抗剪强度和其粘结面积必须足够大，以避免碳纤维在轴向拉伸的作用下出现滑脱现象(俗称“脱裤子”现象)。此外，补强后裂纹是否还能继续扩展，补强后碳纤维复合材料在疲劳加载过程中是否会发生失效，都是一些需要研究的问题。

如何解决环焊缝和螺旋焊缝的补强目前尚无令人满意的解决方案。本发明采用碳纤维轴向补强的方法来弥补焊缝强度的降低。

碳纤维以其强度高、弹性模量大而著称，最适合于作为补强材料所用。表1示出碳纤维布、碳纤维树脂复合材料和X60管线钢的性能比较。

表1碳纤维、碳纤维复合材料与X60管线钢的性能比较

	拉伸强度σ_b(MPa)	屈服强度σ_S(MPa)	弹性模量E(GPa)	延伸率δ(％)
	拉伸强度σ_b(MPa)	屈服强度σ_S(MPa)	弹性模量E(GPa)	延伸率δ(％)	碳纤维布(200g/m²)	3500	235	1.5
碳纤维布(300g/m²)	3500		235	1.5	碳纤维布(200g/m²)	3500	235	1.5
碳纤维布(300g/m²)	3500		235	1.5	树脂基碳纤维复合材料	≥2500	≥210	≥1.4
X60钢		443	207		树脂基碳纤维复合材料	≥2500	≥210	≥1.4
X60钢		443	207		8层单向玻璃布复合(Clock Spring公司)	414	34	1.5-2
4层玻璃布复合(Furmanite公司)	203.1-228		12-13		8层单向玻璃布复合(Clock Spring公司)	414	34	1.5-2

由表1可以看出，用碳纤维作为补强材料有如下优点：

1.树脂基碳纤维复合材料的弹性模量等于或大于210GPa，和钢的弹性模量207GPa十分接近，非常有利于碳纤维复合材料与钢的协同变形，有利于载荷在钢和碳纤维复合材料之间的均匀分布，从而有利于达到补强效果。

2.树脂基碳纤维复合材料具有足够的变形量，大于1.4％。一般情况下，管体变形远小于碳纤维复合材料的变形量，使用碳纤维复合材料进行补强从管体变形的角度来说也是足够保险的。

3.碳纤维补强材料的强度比玻璃纤维大一个数量级，这使得较薄的碳纤维复合材料便可以达到很厚的玻璃纤维补强材料才能具有的补强效果。

迄今为止，有关环焊缝和螺旋焊缝缺陷的补强没有什么好的技术方案。

本发明目的在于研制开发一种将碳纤维材料应用于焊缝缺陷，特别是管道焊缝缺陷，包括环焊缝和螺旋焊缝缺陷修复补强的新技术，所使用的补强材料的比强度、比模量与所焊接的金属材料接近，施工过程简便，并有利于补强材料和金属材料之间、补强层与层之间的紧密贴合，所述的补强材料可与所焊接的金属材料以及焊缝材料形成一体，并使最终构成的复合修复层承压能力达到并超过原始焊缝的承压能力，并且补强用的碳纤维复合材料在轴向拉伸的作用下不会出现滑脱现象，即俗称的“脱裤子”现象，在疲劳加载过程不会发生失效现象，补强后的裂纹也不会继续扩展。

本发明的修复补强技术可在管线不停输的情况下进行补强作业，施工过程中不需要大型的机械吊装设备，不需要焊接或切割管道，施工空间要求很低，并且所述的补强材料具有抗腐蚀、耐老化等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对焊缝缺陷，特别是管道焊缝缺陷进行修复补强的方法，该方法具有良好的施工安全性和其修复层具有性能优越性。其中所述进行修复补强的焊缝缺陷包括金属管道的环焊缝或螺旋焊缝的各类缺陷，例如对油气管道焊接缺陷进行修复补强。

本发明提供了对焊缝缺陷进行修复补强的方法，该方法包括在焊缝及焊缝的周围区域按一定的尺寸及层数湿法粘贴碳纤维片材。

具体的，本发明对焊缝缺陷进行修复补强的方法包括在焊缝及该焊缝的周围区域按一定的尺寸及层数湿法粘贴碳纤维片材，所述的湿法粘贴碳纤维片材是用粘浸胶涂刷或浸渍碳纤维片材，并将所需层数的该碳纤维片材沿管道的轴向、环向或与轴向呈一定角度紧密缠绕或铺设，使之粘贴于需要处理的焊缝及该焊缝的周围区域，使相邻的两层复合材料之间以平行、垂直或一定角度相互交错；其中所述的粘浸胶是环氧类或不饱和聚酯类胶。

本文中，所述“用粘浸胶涂刷或浸渍碳纤维片材”也称之为“碳纤维复合材料”。下文所述“本发明的材料”或“本发明的补强材料”是指上述碳纤维复合材料、修补胶、底胶和/或防腐材料的总称。

本文所用的术语“焊缝”是指对任意两材料，特别是金属材料进行焊接所形成的焊接缝，特别是指管道焊缝，例如管道焊接所形成的环焊缝或螺旋焊缝；所述的“焊缝缺陷”是指焊接时或焊接后的服役期内所形成的任何形式的缺陷，包括未焊透或出现裂纹等缺陷，例如裂纹型缺陷；所述的管道通常是指金属管道，例如钢管。

本文所用的术语“碳纤维片材”包括以各种原料制作的碳纤维片材，例如碳纤维布。优选的，本发明所使用的碳纤维片材其弹性模量范围为(0.5-8.0)×10⁵Mpa，优选(1.0-3.0)×10⁵MPa，抗拉强度范围为1000～5000MPa，优选1000～3500MPa，延伸率δ范围为0.2-3.0％，单位面积重量范围为100～400g/m²。

本发明方法所用的粘浸胶用于渗浸碳纤维片材，以及碳纤维与金属材料例如管体之间、碳纤维片材之间的粘结。粘浸胶可分为冬用与夏用两种。冬用和夏用配方略有不同，通常可通过调整固化促进剂的用量来实现。当使用环境温度降低时，可适当加大固化促进剂的用量。本领域普通技术人员根据本领域的常识，或通过简单试验即可知道在某一使用温度下应该如何调节固化促进剂用量。

用于涂刷或浸渍碳纤维片材的粘浸胶可以是环氧类或不饱和聚酯类胶。所述的环氧类胶按类别可分为单组分环氧胶粘剂、双组分环氧胶粘剂和多组分环氧胶粘剂；主要包括纯环氧树脂胶粘剂和改性环氧树脂胶粘剂。改性环氧树脂胶例如有酚醛-环氧树脂胶粘剂、尼龙-环氧树脂胶粘剂、丁腈-环氧树脂胶粘剂、丙烯酸-环氧树脂胶粘剂、聚硫-环氧树脂胶粘剂和聚氨酯-环氧树脂胶粘剂等。

所述的不饱和聚酯类胶粘剂是在聚酯的主链上含有不饱和键者称为不饱和聚酯，它是由不饱和二元羧酸(或酸酐)、饱和二元羧酸(或酸酐)组成的混合酸与多元醇缩聚而成的。将它溶于不饱和单体如(苯乙烯)中，便得到黏稠的液体，为不饱和聚酯树脂。在不饱和聚酯树脂加上引发剂、促进剂、改性剂、填料等便组成了不饱和聚酯胶粘剂。如189不饱和聚酯胶粘剂，199不饱和聚酯胶粘剂，二甲苯不饱和聚酯树脂胶粘剂等。

优选的粘浸胶由甲、乙两组分组成，甲乙两组分的配比为(3～4)∶1，其中：

甲组分包括：

(A)：68％～84％(重量)的液态环氧树脂，

(B)：10％～15％(重量)的丙烯酸酯液体橡胶，

(C)：5％～15％(重量)的气相二氧化硅，和

(D)：1％～2％(重量)的颜料；

乙组分包括：

(E)：70％～90％(重量)的改性胺类环氧固化剂，和

(F)：10％～30％(重量)的环氧固化促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚；

所述甲组分(A)的环氧树脂可以是双酚A型环氧树脂或乙烯基改性环氧树脂；乙组分(E)的固化剂可以是改性脂肪族胺，例如二乙烯三胺基甘油正丁基醚(例如商品593)或酚醛改性多元胺(例如商品T31)。

构成粘浸胶的甲、乙两组分混合固化后的性能如表2。

表3粘浸胶的规格性能

项目	粘浸胶
项目	粘浸胶							Anko300W(冬用)			Anko300S(夏用)
甲乙组分的配比	(3～4)∶1			(3～4)∶1				Anko300W(冬用)			Anko300S(夏用)
甲乙组分的配比	(3～4)∶1			(3～4)∶1			适用温度℃	5～15			15～35
可使用时间(min)	40～170			60～180			适用温度℃	5～15			15～35
可使用时间(min)	40～170			60～180			指触干燥时间(hr)	4.0～12.0			3.0～10.0
形状	乳脂状						指触干燥时间(hr)	4.0～12.0			3.0～10.0
形状	乳脂状						性能指标	拉伸强度(MPa)	弯曲强度(MPa)	压缩强度(MPa)		钢钢剪切强度(MPa)	弹性模量(MPa)
	≥30	≥40	≥50		≥10	≥2×10³	性能指标	拉伸强度(MPa)	弯曲强度(MPa)	压缩强度(MPa)		钢钢剪切强度(MPa)	弹性模量(MPa)
	≥30	≥40	≥50		≥10	≥2×10³	主要用途	涂刷焊缝及其周围管道表面、渗透粘贴碳纤维片

粘浸胶可按下述方法制备：将配套树脂的甲、乙组分分别混合和储存，使用前按规定比例准确称量后放入容器内，用搅拌器拌合均匀。一次配胶量应以在可使用时间内用完为宜。

本发明对焊缝修复补强的方法还包括在进行修复补强之前对焊缝和焊缝周围的部位进行表面清理，并任选的在清理后的表面涂布修补胶层和/或底胶层，所述的修补胶层是由环氧类胶涂布而成；所述的底胶层由常规的环氧或其他类型的高强度结构胶涂布而成。

本发明方法所用的修补胶用于管道外损伤缺陷的填平修补；所述底胶的使用有助于碳纤维复合材料和管体间的粘结。修补胶可分为冬用与夏用两种。冬用和夏用配方略有不同，通常可通过调整固化促进剂的用量来实现。当使用环境温度降低时，可适当加大固化促进剂的用量。本领域普通技术人员根据本领域的常识，或通过简单试验即可知道在某一使用温度下应该如何调节固化促进剂用量。

根据界面的不同选择是否使用修补胶。例如在需要修补的界面不平整时，就必须使用修补胶对表面进行填平补齐。本发明方法所用的修补胶可以是上述环氧类胶，优选的修补胶由甲、乙两组分组成，甲乙两组分的配比为2∶1。

其中所述的甲组分包括：

(A)：30％～50％(重量)的液态双酚A型环氧树脂，

(B)：10％～20％(重量)的液态酚醛型环氧树脂

(C)：5％～10％(重量)的气相二氧化硅，和

(D：35％～40％(重量)的硅灰石或氧化铝填料；

所述的乙组分包括：

(E)：60％～80％(重量)的改性胺类环氧固化剂，和

(F)：20％～40％(重量)的促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚；

所述乙组分中(E)的固化剂例如可以是改性脂肪族胺，例如二乙烯三胺基甘油正丁基醚(例如商品593)或酚醛改性多元胺(例如商品T31)。

构成缺陷填平修补胶的甲、乙两组分混合固化后的性能如表1。

表2修补胶的规格性能

项目	修补胶
项目	修补胶				Anko200W(冬用)		Anko200S(夏用)
甲乙组分配比	2∶1	2∶1			Anko200W(冬用)		Anko200S(夏用)
甲乙组分配比	2∶1	2∶1		适用温度℃	5～15		15～35
可使用时间(min)	30～160	50～210		适用温度℃	5～15		15～35
可使用时间(min)	30～160	50～210		指触干燥时间(hr)	3.5～10.0		3.0～10.0
形状	腻子状			指触干燥时间(hr)	3.5～10.0		3.0～10.0
形状	腻子状			性能指标	钢钢粘结抗剪强度(MPa)	钢钢粘结抗拉强度(MPa)		胶体抗压强度(MPa)
≥10	/	≥50			钢钢粘结抗剪强度(MPa)	钢钢粘结抗拉强度(MPa)		胶体抗压强度(MPa)
≥10	/	≥50	主要用途		修补焊缝及焊缝周围管道的表面缺陷

修补胶可按下述方法制备：将配套树脂的甲、乙组分分别混合和储存，使用前按规定比例准确称量后放入容器内，用搅拌器拌合均匀。一次配胶量应以在可使用时间内用完为宜。

本发明方法所用的底胶是常规的环氧或其他类型的高强度结构胶。底胶的使用的有助于碳纤维复合材料和管体间的粘结，是否需要使用底胶，取决于所补强的材料和/或应用者对补强后材料强度的需求。在实际应用时，可根据需要确定用或不用底胶。另外，根据界面的不同可选择使用不同的底胶。本发明的方法所使用的底胶是市场上常规销售的环氧及其他类型的高强度胶。

本发明用于焊缝缺陷修复补强的方法是根据需要使各碳纤维复合材料层以一定角度交错铺设。

具体的，所述的铺设方法是将一定大小和层数的碳纤维复合材料以平行的、垂直的或以一定角度紧密缠绕或铺设，使之粘贴于需要处理的焊缝及该焊缝的周围区域，使相邻的两层复合材料之间以平行、垂直或一定角度相互交错。

进一步地，本发明的方法还包括在湿法粘贴碳纤维复合材料之后，任选对所述的作业区进行防腐处理，即在碳纤维复合材料层的外层还包括一或多层外防腐材料层。例如当所述的管线埋于地下时，所述的外防腐材料就是必要的；但当所述的管线处于地面时，所述的防腐材料就不一定是必要的。如果进行修复补强的焊缝区具有外防腐材料时，通常所述外防腐材料与原始外防腐材料相同。常用的外防腐材料是聚乙烯冷缠胶粘带，所述的聚乙烯胶粘带厚度以0.7mm～2.0mm为宜；抗拉强度大于18MPa为宜；但也可以使用聚氨酯和聚脲涂料进行喷涂防腐。

在实际应用时，根据管道缺陷的具体情况，本专业技术人员可按照通常的缺陷补强参数设计方法确定补强层的厚度、宽度和补强材料用量。

用本发明的补强材料对焊缝缺陷进行修复补强的方法包括在焊缝及焊缝的周围区域按一定的尺寸及层数湿法粘贴本发明的碳纤维复合材料。

具体的，本发明对焊缝缺陷进行修复补强的方法包括以下步骤：

(1)对焊缝和焊缝周围的部位进行表面清理；

(2)任选的在其表面涂布上述修补胶层；

(3)任选的在其表面或修补胶层表面涂布上述的底胶层；

(4)用粘浸胶涂刷或浸渍一定的尺寸的碳纤维片材，并将所需层数的上述碳纤维片材沿管道的轴向、环向或与轴向呈一定角度紧密缠绕粘贴于需要处理的焊缝及该焊缝的周围区域，使相邻的两层复合材料之间以平行、垂直或一定角度相互地交错铺设；和

(5)在完成上述修复补强步骤后，任选对所述的作业区进行防腐处理。

所述湿法粘贴本发明的碳纤维复合材料，是用粘浸胶涂刷或浸渍碳纤维片材，例如碳纤维布，并将所需层数的树脂基碳纤维复合材料沿管道的轴向、环向或与轴向呈一定角度紧密缠绕或铺设，使之粘贴于需要修复补强的位置，使相邻的两层复合材料之间是以平行、垂直或一定角度交错铺设。为确保施工质量，碳纤维片材的纵横方向的搭接应保持一定长度。根据需要确定是否要铺设修补胶层和/或底胶层。通常，在需要进行修复补强的表面不平整时，就需要涂布修补胶将表面填平补齐，修复至表面基本平整，表面仍存在凹凸糙纹的，应该用砂纸打磨平整，以利于修复补强层与管道的黏结。所述的底胶层由常规的环氧或其他类型的高强度结构胶涂布而成。底胶的使用的有助于碳纤维复合材料和管体间的粘结，是否需要使用底胶，取决于所补强的材料和/或应用者对补强后材料强度的需求。铺设修补胶层和/底胶层的方法可采用常规的方法，例如涂布、喷涂等方法。

根据需要确定在碳纤维复合材料的外层是否需要铺设外防腐材料层。当所述的管线埋于地下时，通常需要铺设外防腐材料；但当所述的管线处于地面时，所述的防腐材料就不一定是必要的。如果进行补强的管道本身具有外防腐材料时，所述外防腐材料通常与原始外防腐材料相同。常用的外防腐材料是聚乙烯冷缠胶粘带或聚氨酯和聚脲涂料。使用聚乙烯胶粘带时，铺设的方法通常是以所述的胶带缠绕管道，且缠绕层与原防腐层的搭接宽度应保持一定长度。缠绕时胶粘带边缝应平行，不得扭曲皱折；使用聚氨酯和聚脲涂料时，通常进行喷涂防腐。

焊缝补强所需要缠绕的碳纤维补强层数与碳纤维复合材料的拉伸强度密切相关。为确保所使用的本发明的补强材料的大小和层数(或称补强材料的厚度)能够满足焊缝缺陷修复补强的需要，焊缝补强所需要缠绕的碳纤维补强层数可参照下式计算：

t_{cf} = \frac{(t_{s} \times σ_{s, s}) / 2}{σ_{b, cf}}

式中t_cf，t_s分别代表碳纤维补强层和钢管的厚度，σ_b，cf表示碳纤维的拉伸强度，σ_s，s为钢管材料的屈服强度。

以下述条件为例对碳纤维复合材料拉伸强度和补强层数进行计算：

依据试验数据，所采用的碳纤维与树脂基体形成复合材料后，忽略树脂的强度及其横截面积，仅仅按照试样所承受的拉伸载荷除以碳纤维的横截面面积来计算。对于本发明的碳纤维复合材料，其拉伸强度大于2500MPa；

管体材料以X52钢为例，其额定最小屈服强度为358MPa；

假设管道壁厚为7mm，且假设管道环焊缝全部开裂，实际上相当于两个等壁厚的环形柱体对接起来，利用碳纤维补强的方法将两个环形柱体全部连接起来；

利用上述碳纤维复合材料进行补强，计算等效于7mm厚钢管的强度所需要的碳纤维厚度是0.5012mm。以本发明所用的碳纤维单层片材的厚度以0.167mm为例，三层碳纤维(总厚度为0.501mm)的轴向铺设即可弥补7mm管道环焊缝完全开裂的强度需要。

上述计算是按照绝对保守的角度来进行计算的。实际上，管道往往不会出现环焊缝完全开裂的情况，多数情况是环焊缝具有一定长度和深度的裂纹型缺陷，这时可以按照缺陷的深度和长度折合成等效承载面积损失，来计算需要的碳纤维厚度和碳纤维层数。一般来说，对于小于壁厚一半，长度不是很大的缺陷，两层碳纤维足够弥补其抗拉强度的损失。但为了工程保守起见，可以适当增加其层数。

满足焊缝缺陷补强所需轴向纤维铺设长度可通过下式计算：

L_cf×τ_s，int＝(t_s×σ_s，s)/2

式中L_cf代表铺设长度，τ_s，int表示碳纤维复合材料与管壁界面剪切强度，t_s代表钢管厚度而σ_s，s为钢管材料的屈服强度。

具体计算实例参照了对本发明的数种碳纤维复合材料与金属基体界面的结合强度所进行测试，测试表明采用强力粘结树脂底涂方法制备的试样，其界面剪切强度大于11.3MPa，而各种方法中测试得到的最低界面剪切强度为3.69MPa。另外从论证环焊缝缺陷碳纤维补强方法可行性方面考虑，我们从最保守的角度，取界面剪切强度为2MPa来进行计算。因此可以三种界面剪切强度值11.3MPa、3.69MPa和2Mpa为例进行计算。

其它假设技术条件与计算碳纤维补强层厚度时的假设一样，即：管材为X52钢，额定最小屈服强度为358MPa，管材壁厚为7mm。同样考虑轴向应力往往为环向应力的二分之一，并且考虑环焊缝完全开裂。

以11.3MPa、3.69MPa和2MPa三个不同的界面剪切强度计算，所需碳纤维复合材料的轴向补强长度分别为112mm、342mm、和630mm。

本发明的碳纤维复合材料同样可以应用到具有裂纹型缺陷的螺旋焊缝的补强。螺旋焊缝的示意图如图3所示。焊缝与轴线夹角为β。所述螺旋焊缝补强所需要缠绕的碳纤维补强层数(或称补强材料的厚度)的计算如下：

螺旋焊缝垂直焊缝方向的主应力的分量为：

σ = \frac{PR}{t} (\frac{1 + v}{2} + \frac{1 - v}{2} \cos 2 β)

这个应力分量在焊缝与轴线夹角为45°时达到最大，相当于管道的环向应力。以上文关于环焊缝碳纤维补强层数计算所假设的各种条件进行计算，可知六层本发明碳纤维复合材料垂直于螺旋焊缝铺设即可足以弥补7mm管道螺旋焊缝完全开裂的强度需要。

满足螺旋焊缝缺陷补强所需轴向纤维铺设长度的计算同样可参照上文所述的计算方法进行。考虑到圆柱面是个可展曲面，根据上文所述公式计算，只需垂直于焊缝铺设1.26m即可保证满足7mm后管道螺旋焊缝完全开裂的补强要求，如果采用强力粘结树脂，则每边只要铺设224mm即可满足要求。

本发明碳纤维复合材料的优点是在疲劳载荷的作用下不会发生破坏。

由于碳纤维复合材料的应力应变曲线呈线性，所以在疲劳过程中能量耗散较小，疲劳损伤也较小，所以大量试验研究结果已经表明，在金属材料和碳纤维复合材料中存在同样尺寸当量的初始缺陷时，碳纤维复合材料的疲劳寿命要比金属材料高许多，所以一般不用担心碳纤维材料的疲劳寿命问题。

附图3示出三种T300碳纤维增强树脂基复合材料的的S-N曲线(参见赵渠明、郭恩明主编.先进复合材料手册.北京：机械工业出版社，2003.5.P873)其纵坐标S/S₀是疲劳强度和静强度之比。由图可以看出，对于0°铺层的碳纤维复合材料，在S/S₀＝0.5时，其疲劳强度大于107次，这对于输油管网的运行来说，及时每天波动一次，其30年采波动大约104次，比疲劳寿命低三个数量级，可见疲劳一般不会产生。通过应力分析计算同样可以得到在管道服役的环境下，碳纤维复合材料不会发生疲劳破坏的结论。

应用本发明的补强材料和方法可以对焊缝，特别是管道焊缝，例如对油气金属管道的焊缝缺陷进行修复补强，其中所述进行修复补强的焊缝缺陷是金属管道的环焊缝或螺旋焊缝的各类缺陷，例如开裂式的焊缝。

应用本发明的材料和方法对焊缝缺陷，特别是管道焊缝缺陷，包括环焊缝和螺旋焊缝缺陷进行修复补强时，补强材料和管体之间、补强层与层之间可紧密贴合而形成一体，使最终构成的复合修复层承压能力达到并超过原始焊缝的承压能力；补强用的碳纤维在轴向拉伸的作用下不会出现滑脱现象，即俗称的“脱裤子”现象，补强后碳纤维复合材料在疲劳加载过程不会发生失效现象，补强后的裂纹也不会继续扩展。

下面通过对本发明具体实施方式的描述，结合附图对本发明的材料及方法予以详尽的说明。

附图说明

图1为环焊缝裂纹碳纤维复合材料补强后的受力示意图。

图2为三种T300碳纤维复合材料的的S-N曲线。

图3是螺旋焊缝示意图。

图4是裂纹型焊缝试样示意图。

图5是裂纹型焊缝试样的照片。

图6是裂纹型焊缝试样修复补强后的照片。

具体实施方式

为了进一步阐述本技术所涉材料及施工工艺，给出了下述实施例。但是，这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：补强效果实验

为了验证碳纤维复合材料对含有的裂纹型缺陷的焊缝进行补强的效果，我们设计了如下实验以测试补强效果。实验采用的试样如图4所示，其中试样由(A)，(B)两个部分组装而成，两部分具有相同的实验段长度l，直径Ф；试样对接头直径Ф为40mm，长度l₁为30mm；试样加持端的直径为20mm。试样由45#钢制成。试样实物样貌见图5。以此试样模拟完全裂开的环向焊缝的极端情况。共加工了三个试样以对比验证不同的缠绕方式及是否涂刷底胶对碳纤维复合材料与钢的剪切强度的影响。三个试样的补强材料层分别按环向(即与轴向夹角90°，平行于环向焊缝)和轴向(即与轴向夹角0°，垂直于环向焊缝)以湿法缠绕若干层，各试样的具体缠绕方式见表1。试样制成后在室温中放置一周固化。经碳纤维复合材料补强后的试样如图6。

待试样完全固化后进行拉伸实验，测试碳纤维复合材料与钢管结合面剪切强度的公式为：

τ_{s, int} = \frac{F}{πΦL}

其中F为加载至破坏的载荷值，τ_s，int为所测的剪切强度，Ф为试样实验段的直径，L为环向焊缝每边的碳纤维复合材料层的延伸长度。

若试样在加持段破坏则证明所测的碳纤维复合材料与钢管结合面剪切强度要大于平衡破坏载荷的剪切应力值。

实验参数及结果见表4。

表4实验参数及结果

试样编号	实验段直径(mm)	实验段长度(mm)	补强材料缠绕长度(mm)	最大拉力(kN)	最大剪切力(MPa)	备注
试样编号	实验段直径(mm)	实验段长度(mm)	补强材料缠绕长度(mm)	最大拉力(kN)	最大剪切力(MPa)	备注	1	97	100×2	100	171.65	＞11.27	夹持部位断裂
2	95.5	100×2	100	126.32	8.42		1	97	100×2	100	171.65	＞11.27	夹持部位断裂
2	95.5	100×2	100	126.32	8.42		3	95.5	100×2	100	55.27	3.69

试样1：有底胶，底胶为AK04-1高强度结构胶，北京奥宇可鑫表明工程技术有限公司，铺层顺序90/0/90/0/90/0/90

试样2：无底胶，铺层顺序90/0/90/0/90/0/90

试样3：无底胶，铺层顺序0/90/0/90/0/90

每个试样的补强材料一样，均为下表3所述的补强材料。

表3补强材料

材料名称	组成及规格		配比
材料名称	组成及规格		配比	粘浸胶	甲组分	80％的双酚A型环氧树脂(CYD128)10％的丙烯酸酯液体橡胶8％的气相二氧化硅2％的颜料	甲乙组分3∶1混合
乙组分	75％的改性胺类环氧固化剂(593)25％的促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚				甲组分	80％的双酚A型环氧树脂(CYD128)10％的丙烯酸酯液体橡胶8％的气相二氧化硅2％的颜料
乙组分	75％的改性胺类环氧固化剂(593)25％的促进剂2，4，6-三(二甲氨基)-甲基苯酚	碳纤维	单位面积重量为300g/m²的单向碳纤维布幅宽330mm或幅宽500mm

修补方法如下：

1、根据上文所述涂或不涂底胶；

2、按照上表所述比例配制粘浸胶，然后将碳纤维布用所述的粘浸胶涂刷，并用其对缝隙和其周围部分表面进行缠绕补强。

修复补强后的钢管外观如图6所示。

为测定碳纤维复合材料与试样棒之间的剪切强度，采用深圳新三思的CMT4105电子万能试验机进行拉伸实验测试。

结果表明：碳纤维复合材料与金属基体界面的结合强度均大于2MPa，而且使用底胶的试样，钢材与纤维材料结合面的承载能力超过了试样夹持部位的承载能力。根据前面的计算结果，此种补强方法可以使得复合修复层承压能力达到或超过原始焊缝的承载能力，达到很好的补强效果。

实施例2：材料表面粗糙度对补强材料与管体间剪切力的影响

采用与实施例1类似的材料和方法进行改变试样棒直径、缠绕长度及粗糙度的实验。

实验所用试样如图4所示，其中试样由(A)，(B)两个部分组装而成，两部分具有相同的实验段长度l，为100mm，实验段直径Ф为50mm；试样对接头直径φ为20mm，长度l₁为30mm；试样加持端的直径为20mm。试样由45#钢制成；两种试样的铺层顺序均为90/0/90/0/90/0/90。

实验和测试方法如实施例1所述。实验结果如下：

表5改变粗糙度的实验结果

试样编号	补强材料缠绕长度(mm)	粗糙度()	最大拉力(KN)	最大剪切力(MPa)
试样编号	补强材料缠绕长度(mm)	粗糙度()	最大拉力(KN)	最大剪切力(MPa)	1	60	7	61.73	113.1
2	60	2	81.53	117.3	1	60	7	61.73	113.1

结果表明：

当金属表面粗糙度不同时，复合材料与试样棒之间的剪切强度会随之变化；但在所述的粗糙度范围内最大剪切力都大于2MPa，表明不同的表面粗糙度时，此种补强方法可以使得复合修复层承载能力达到或超过原始焊缝的承载能力，达到很好的补强效果。

应用本发明的材料和方法对焊缝，特别是管道焊缝进行修复补强时，其操作简便，材料本身的自重小，补强效果好：

(1)利用碳纤维复合材料进行环焊缝补强时，可以满足抵抗焊缝开裂所需轴向抗力的需求。对于7mm壁厚的16Mn钢，3层0.167mm厚的碳纤维复合材料，可以满足焊缝任意开裂造成碳纤维轴向正应力的强度需求。

(2)碳纤维补强只要大于一定轴向长度，就能够抵抗碳纤维复合材料与金属界面的滑脱失效(即“脱裤子”)。例如利用我们研制的强力粘结树脂，焊缝每边只要有112mm的补强长度，就可以抵抗任何形式的环焊缝开裂。

(3)论证表明，碳纤维补强后，裂纹一般不会再扩展，即使扩展，距离也非常短，不会造成管道环焊缝的破坏。

(4)碳纤维补强不会出现碳纤维复合材料的疲劳失效问题。

总之，本发明是一种适合焊接缺陷修复补强的全新配套技术，适合于平面和/或管道焊缝缺陷的修复补强。其施工过程无需管线停产作业，且补强材料对管道自重的增加影响很小。

以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多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

1.对焊缝缺陷进行修复补强的方法，该方法包括在焊缝及该焊缝的周围区域按一定的尺寸及层数湿法粘贴碳纤维片材，所述的湿法粘贴碳纤维片材是用粘浸胶涂刷或浸渍碳纤维片材，并将所需层数的该碳纤维片材沿管道的轴向、环向或与轴向呈一定角度紧密缠绕或铺设，使之粘贴于需要处理的焊缝及该焊缝的周围区域，使相邻的两层复合材料之间以平行、垂直或一定角度相互交错；其中所述的粘浸胶是环氧类或不饱和聚酯类胶。

2.按照权利要求1的方法，其中所述的粘浸胶由甲乙两组分组成，其中甲组分包括：

(A)：68％～84％(重量)的液态环氧树脂，

(B)：10％～15％(重量)的丙烯酸酯液体橡胶，

(C)：5％～15％(重量)的气相二氧化硅，和

(D)：1％～2％(重量)的颜料；

乙组分包括：

(E)：70％～90％(重量)的改性胺类环氧固化剂，和

其中甲组分(A)的环氧树脂可以是双酚A型环氧树脂或乙烯基改性环氧树脂；乙组分(E)的固化剂可以是改性脂肪族胺；

甲、乙两组分在使用前以(3～4)∶1的比例用搅拌器均匀混合。

3.按照权利要求1所述的方法，其中所述的碳纤维片材的弹性模量范围为(0.5-8.0)×10⁵Mpa，优选(1.0-3.0)×10⁵MPa，延伸率δ的范围为0.2-3.0％。

4.按照权利要求2所述的方法，其中所述的改性脂肪族胺是二乙烯三胺基甘油正丁基醚或酚醛改性多元胺。

5.按照权利要求1的方法，该方法还包括在进行修复补强之前对焊缝和焊缝周围的部位进行表面清理，并任选的在清理后的表面涂布修补胶层和/或底胶层，所述的修补胶层是由环氧类胶涂布而成；所述的底胶层由常规的环氧或其他类型的高强度结构胶涂布而成。

6.按照权利要求5的方法，其中所述的修补胶由甲、乙两组分组成，所述的甲组分包括：

(A)：30％～50％(重量)的液态双酚A型环氧树脂，

(B)：10％～20％(重量)的液态酚醛型环氧树脂

(C)：5％～10％(重量)的气相二氧化硅，和

(D)：35％～40％(重量)的硅灰石或氧化铝填料；

所述的乙组分包括：

(E)：60％～80％(重量)的改性胺类环氧固化剂，和

其中乙组分中(E)的固化剂可以是改性脂肪族胺；

甲、乙两组分在使用前以2∶1比例用搅拌器均匀混合。

7.按照权利要求1的方法，该方法还包括在湿法粘贴碳纤维片材之后，任选对所述的作业区进行防腐处理。

8.按照权利要求1-7任意一项所述的方法，该方法包括以下步骤：

(1)对焊缝和焊缝周围的部位进行表面清理；

(2)任选的在其表面涂布权利要求5或6所述的修补胶层；

(3)任选的在其表面或修补胶层表面涂布权利要求5所述的底胶层；和

9.按照权利要求9的方法，其中所述的防腐处理包括在作业区外层有一或多层外防腐材料层，所述的防腐材料层是由聚乙烯胶粘带缠绕而成，或者是用聚氨酯或聚脲喷涂材料喷涂形成。

10.按照权利要求1的方法，其中所述进行修复补强的焊缝缺陷是金属管道的环焊缝或螺旋焊缝的各类缺陷。