王燕书

摘 要：当前高分子复合材料补强技术在输油管道缺陷修复中应用较为广泛，有着高模量、修复层质量轻和混合增强带绝缘等优势，不仅施工非常便捷，也还有利于减少成本。笔者通过分析贝尔佐纳（Belzona）高分子复合材料补强技术的性能特点，详细介绍了贝尔佐纳（Belzona）复合材料在输油管道缺陷补强中的实际应用。

关键词：貝尔佐纳（Belzona）；复合材料；输油管道缺陷；补强技术

中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0155-02

1 复合材料修复技术概述

当前全世界所用输油气管的长度在2×106km以上，大多数管道使用已经超过了30年，存在着严重的外腐蚀等现象，极大增加了每年在管道修复上花费的资金，通常为80亿-100亿美元[1]。若是外腐蚀过于严重，选择套筒修复甚至换管等方法，所需资金巨大。

现在复合材料修复技术应用越来越多，在输油管道缺陷修复上优势非常显著。对该技术来说，主要是将高强度填料在缺陷处进行涂敷，并在管体与纤维材料层中使用强力胶，这样管道缺陷处受到的应力会向着复合材料修复层均匀的传递，复合材料和缺陷管道充分结合并协同变形，让缺陷管道在应力分布上更加合理，最终实现了补强的效果。和以往金属材料修复手段不一样，复合材料修复技术优点主要包括以下几点：一是复合材料比强度与比模量都比较高；二是复合材料具有较强的可设计性特点；三是复合材料成型工艺较多，在大面积与复杂结构等补强中比较适用；四是修复中避免出现停输情况的发生，有利于快速修复与减少成本，对设备要求也不高。因为复合材料具备上述优势，已经在当前长输油气管道缺陷修复中应用越来越广泛。对管体缺陷修复来说，所用复合材料一般包括玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等，所用树脂则有聚酯、乙烯酯和环氧类树脂等。对复合修复技术来说，英国贝尔佐纳（Belzona）公司的管道包扎二代技术应用最多，随着复合材料修复技术的发展，我们也开始应用该技术，并取得了显著效果。

2 复合材料修复技术发展现状

现阶段复合材料管体缺陷修复技术分为预成型法与湿缠绕法两种。

预成型法一般选择不饱和聚酯与玻璃纤维，并提前按照含缺陷管道的管径在制成符合套筒，并使用强力胶让复合套筒在管道上牢固粘结，这样能够让管道强度得以提升。该技术优势如下：一是修复中省去了降压与动火等环节，可以达到快速修复的目的；二是能够提前将复合材料预制成型，不用进行现场配胶，大幅度提升了修复质量。但是该技术也有不足的地方，即由于复合套筒刚度很大，也难以变形，以修复直管为主，无法对手弯头、三通等异型件进行修复。所用玻璃纤维强度与纤维模量都很低，导致管体强度恢复不足。加工时套筒在积压、烘干、热处理和固化后，会导致成本提升。

湿缠绕法主要是在管道缠绕不含树脂的柔性纤维布，并在其表面涂刷一层树脂，通过对温度与时间的控制，让树脂固化后和纤维构成复合材料。这样复合材料和管道将实现紧贴，让大量的载荷被分担，实现了修复管道的效果。在管道缺陷修复中应用湿缠绕法时，复合材料的基体是环氧树脂，增强材料则为碳纤维片材，在各种类型的管道缺陷修复中发挥着重要作用，在-25℃-160℃的温度范围内比较适用。该技术优点包括以下几点：一是施工简单，工期短，对设备要求不高；二是所用碳纤维布有着较好的柔韧性特点，能够在变形较大、错边严重和高焊缝余高等管体缺陷的修复中应用。三是对碳纤维来说具备强度与比模量较高的特点，修补厚度也很薄，只有钢材厚度的1/5，能够实现较好的补强效果；四是该技术能够选择多种粘结树脂与施工技术，适用温度范围也很广。

对湿缠绕法来说缺点也很明显，主要是必须在施工现场进行胶液的配置，然后在作出缠绕处理，在胶液各组分比例、树脂与纤维比例、树脂对纤维的浸润程度和纤维布的平整度等参数上影响因素众多，如施工人员操作水平、修补量、施工环节和原始材料初始状态等，这样难以让修复层持久性与有效性得到保障。另外，碳纤维增强带与管道本体接触之后形成电偶腐蚀，会进一补加剧管道的腐蚀等。

3 贝尔佐纳（Belzona）复合材料管道包扎补强技术的特性

贝尔佐纳（Belzona）SuperWrap 11为受腐蚀、弱化和穿孔的管道和罐壁提供新一代修复方案，该方案符合ISO24817和ASME PCC-2标准。它的组成如下：流体级树脂系统、基于玻璃纤维和碳纤维的定制混合增强带、离型膜。用有限元数值模拟方法作为贝尔佐纳复合材料管道包扎补强设计的辅助工具，如图1、图2所示。

该系统有三个不同的树脂等级可选，贝尔佐纳（Belzona）1981和贝尔佐纳（Belzona）1982、贝尔佐纳（Belzona）1983，适用于不同的使用温度（从5℃至150℃）以及对操作时限有要求的工况。

这种复合修复系统是更换缺陷金属基材的备选方案，它设计用于管道包扎和小块修复，具有极佳的强度、防腐性和耐化学性。贝尔佐纳（Belzona）SuperWrap 11可快速简易地修复输油管道因腐蚀引起的缺陷。

主要优点：

（1）符合ISO24817和ASME PCC-2标准；（2）即使在线，也可快速轻松地敷涂，确保快速恢复使用；（3）在进行标准包扎系统施工之前，贝尔佐纳（Belzona）膏状级可用于重建点蚀表面；（4）使用温度范围在（从5℃至150℃）之间；（5）极佳的强度（杨氏模量高）；（6）突出的防腐性和耐化学性；（7）热膨胀系数接近钢的热膨胀系数，减少了热循环带来的应变积累；（8）贝尔佐纳（Belzona）1982树脂的操作时期长，可以进行大面积施工；（9）与碳钢的粘附极佳；（10）无溶剂，因此降低了健康和安全风险。

贝尔佐纳（Belzona）SuperWrap 11的应用包括：

复合管道包扎系统：用于修复几何外形复杂的管道，包括弯头、直管和三通；

对大口径管道（直径大于600毫米）和罐壁进行符合标准的小块修补；

修复管道和罐壁上的穿孔缺陷和薄壁缺陷。

4 贝尔佐纳复合材料管道包扎施工工艺

（1）表面处理：用防爆水喷砂对输油缺陷管道进行表面粗糙化处理，使表面粗糙度≥75cm；（2）表面清洁：使用Belzona 9111清洁剂清洁表面油污和杂质；（3）表面修复：使用Belzona 1111超级金属填补缺陷和焊缝梯度使其恢复原有轮廓和坡度；（4）表面包扎：按照缺陷修复设计及施工方案，进行管道缺陷区域Belzona9381+Belzona1982整体缠绕，达到设计包扎层数；再采取Belzona9382隔离带进行包扎紧固；（5）检查验收：待固化完全，拆除表面Belzona9382隔离带，并进行表面检查，检查合格即可进行下一道工序。

5 复合修复技术发展趋势

近年来国内大部分在役管道开始进入老龄化，在管道缺陷修复上要求也变得更高，在修复过程中必须做到安全、经济与便捷，这样极大推动了对复合材料管体缺陷修复技术的研究、开发与应用。整体上来说，复合材料管体缺陷修复技术发展趋势如下：一是修复温度范围将越来越广，各复合材料修复方法能够在较大温度范围下进行修复，需要研究性能更好的树脂体系，这样才能让较宽范围内长期性能变得稳定；二是复合材料所用纤维类型将发展的更加多元化，在开发复合材料的过程中，要在各种条件上都能够有效的修复管体缺陷。当前纤维种类不断增多，质量也不断提升，但是在管道缺陷修復中很多有着较好性能的纤维应用较少，研究不够深入。今后将从各种纤维与树脂复合材料特点进行研究，确保复合材料逐步在各种条件下都能适用；四是利用有限元分析法与电脑模拟的方式，深入分析修复材料在修复效果与内应力等方面的情况，管道完成修复后也要作出综合评价，保证现场检测的质量与效率，记录好各项数据，让复合材料修复技术标准的制定创造条件。

6 结语

综上所述，当前复合材料管体缺陷修复技术应用前景非常广阔，但是在技术标准、施工工艺和配套施工设备研究方法还处于起步阶段。在管体缺陷修复工程需求量逐步增加的今天，复合材料修复技术必将得到快速的发展，管体修复技术种类也日益多样化，并从整体上提升了管体修复的效果。

参考文献

[1] Mohitpour M， Golshan H， Murray A. Pipeline design and construction：a practical approach. 2nd ed. New York，NY：ASME Press；2003：499-518.

[2] Cuthill J. Advances in materials，methods， help gain new users. Pipeline & Gas Journal Nov，2002，229（11）：64.

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