四川省建筑设计研究院 四川成都 610041
摘要：能源供给对于国民经济和民生发展十分重要，各国均对管道修复补强技术的研究和开发相当关注，促使了该技术的飞跃发展，并为延长管道的工作寿命提供了保证。文章介绍了现有压力管道修复补强技术，总结了各类工程技术的主要优势和实际操作过程中的条件限制。
关键词：压力管道 修复补强 纤维修复
引言
目前，针对压力管道的修复补强技术方法多种多样，各具特点。其中不乏一些技术已经广泛地运用于工程实践中，传统的修复补强技术普遍具有操作技术要求高，耗时耗力且会带来一系列安全运行和经济效益等问题。由于新技术缺乏实践经验，未能大规模广泛应用。本文将对迄今国内外用于工程实践中的技术工艺进行探讨。
1 焊接修复补强类型
焊接修复补强技术是指当压力管道出现打孔泄露或其他缺陷时，对损伤部位采用诸如堆焊、打补丁、打套筒或区段割除重焊管等方法以达到修复补强目的，使管道恢复正常承压水平，排除生产安全隐患。
该类型技术普遍须运用和借助焊接手段，首先对损伤部位进行打磨和清洗，采用与原结构相同的材质类型和规格尺寸的焊接补强材料（套筒、补板、管段等）覆盖于待修复部位，之后进行焊接和表面防腐措施，从而恢复压力管道的功能属性。以上介绍的焊接修复补强技术适用于不同的损伤类型，其中针对深度不大的单点缺陷采用堆焊技术，针对小面积多点缺陷的情况主要采用打补丁技术，而对于大面积缺陷的情况则应采用打套筒技术。该技术成熟度较高且成本费用较低，是目前国内大规模采用的修复补强技术。但其劣势相当明显，可概括为：（1）由于采用现场焊接，对于操作人员的施工技术和劳动强度要求相当高。特别地，当在服役管道上进行焊接操作时，具有被焊穿的风险；（2）压力管道与补强材料之间传力均匀的问题和焊缝材料与母材性能匹配问题以及施工后产生的应力集中对加固结构的二次损害；（3）当施工环境温度太低或者湿度较大时较易产生氢脆和冷脆，焊接后还必须对焊缝进行现场探伤；（4）压力管道在修复补强时需要停车操作。当管体内介质排空后，如果停车时间过长又可能引发凝管事故，造成巨大的经济损失；（5）明火操作带来的严重安全隐患。
2 夹具修复补强类型
该技术最早由英国BG天然气公司进行研究，美国的Battelle公司和荷兰的Gasunie公司相继改进其应用方法,但修复补强原理均相同。此项修复补强方法主要应用于天然气和石油管道发生泄漏后的临时抢修，适用工况主要包括：机械损伤（凹坑）、腐烛缺陷厚度超过管道壁厚2/3以上单点腐烛，严禁对裂纹损伤使用。
其加固原理是通过向钢质套筒之间的夹层注入环氧树脂以形成一个连续的负荷过渡层，以将损伤部位在内压作用下受到的应力传递至钢质套筒上。对于夹具的固定也是相当方便的，首先将在受损部位将两个半圆钢套筒包裹起来，套筒之间采用螺栓进行现场定位安装，钢筒端部用密封胶密封，然后向套筒与管道外壁之间形成的环形空隙内注入环氧树脂。此技术的相较传统修复方法的优点主要在于避免了管道在工作状态中进行焊接修复而带来的明火危险，同时还可带压不停工实施修复操作，安全、有效地恢复管道系统的完整性，经修复后管道强度可以达到修复前正常运行的压力要求。另外，维修和抢修速度很快时间要求相对较短，可迅速恢复管道工作。
目前，该方法的适用压力为10.0 MPa，适用温度范围为3至100℃。但是该技术除了对施工工艺、操作人员技术要求较高以外，经修复后对夹具的防腐工作也是难以处理的，综合来看修复成本相对较高。
3 内衬修复补强类型
内衬修复技术是指在不开挖地表的条件下，采用树脂对纤维内衬层进行浸渍和涂层处理，利用气压或水压使其翻转紧贴在待修复补强管道的内壁上，使树脂热固成型后形成光滑连续的复合纤维内衬管，从而到达防护与修复的目的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆复合纤维层从里到外由树脂层、纤维层、防渗膜构成，纤维层通常由丙纶或锦纶构成。由于复合纤维具有柔韧性，因此此技术的主要特点时适用于各种截面形状的管道，例如三通、弯管、叉头以及变截面管道等等。同时，修复操作时无须开挖土方，仅通过人孔即可将内衬送入管道中。
该技术在施工前还须对管道内壁进行调查和清洗。利用摄像系统先对内壁的损伤情况进行调查，然后清洗管内油垢和铁锈至见到65%内壁金属。在将内衬层送入管内后，必须保证其尽量展开与内壁紧密贴住，胶层保持连续和均匀防止褶皱。待内衬翻转操作完毕后，在管体外喷洒热水以保证热固型树脂快速硬化，时间一般为2至4小时。最后需要对内衬管的管口进行防水处理并人工对管道修复的情况进行复核。
4 纤维复合材料修复补强类型
纤维复合材料在建筑工程中被广泛运用至今只有不到十年的时间，最早由美国天然气公司与上世纪八十年代提出利用其对油气输送管线进行修复补强。进入上世纪九十年代，由于纤维材料的多样性、优异的性能以及相较于传统修复技术的独特优势，使该技术受到广泛的关注和充分的实践论证以致迅速地发展起来。
该修复补强技术的主要思想是利用纤维复合材料在主纤维方向的极限抗拉强度高的特性，利用环氧树脂将材料缠绕粘贴于受损部位以代替管道已缺失的金属厚度。当管道承受内压荷载时由管壁与纤维复合材料共同承担，复合材料对管道外壁施加外压以提高被修复补强构件的承压能力。
纤维复合材料修复补强技术的优势主要集中在以下几个方面：
（1）高强度、高模量。据美国油气协会研究发现，该技术修复效果主要取决于纤维的弹性模量和抗拉强度。其中仅普通碳纤维的弹性模量就达到210GPa，高于各类油气管线管壁弹性模量；其极限抗拉强度通常在2500至3000MPa之间。
（2）厚度薄、质量轻。通常情况下，一层纤维布的厚度不到0.3mm，相对密度在1.5至3之间；其与焊接修复补强类型的补板、盖帽等技术进行比较，补强材料的附加重量为后者的三十分之一，因此修复材料不会对原有结构的受力状态造成不利影响。
（3）可设计性强。由于纤维复合材料具有柔韧性，无论是变截面、三通、弯管等各类型管道都适用并与结构表面贴合紧密。复合纤维材料的性能除了取决于纤维和基体本身的力学性能以外，主要还由纤维的铺陈方式决定。因此可根据受荷条件，将复合材料以最节省的方式进行设计，最有效的发挥材料的特性。
（4）操作简便、成本低、安全有效。无需复杂机械加工设备，修复操作工序少、节约材料耗时较少，无动火施工避免了焊穿和发生氢脆、冷脆的可能性且可带压修复，综合性价比最优。
（5）耐腐蚀，易于防腐处理。复合纤维材料在腐蚀介质中材性几乎不变，由于其缠绕在被修复管道的外壁，可以起到隔绝腐蚀介质的作用；同时修复厚度较薄可以相当方便的涂刷防腐涂料或者使用防腐胶带等。
（6）抗疲劳性好。管道在加、卸载过程中，常常处于疲劳受荷状态。传统的修复技术是不适宜修复疲劳微裂纹的。据调查发现，在失效循环次数为1000万次条件下，碳纤维-环氧材料允许施加材料弯曲强度80%的应力，而钢材却只能施加40%的荷载。因此，在交变荷载条件下可以有效抑制裂纹的发展。
当然，由于纤维复合材料是各向异性的材料，垂直于纤维主方向的力学性能很低，主要取决于基体材料和两种材料之间的粘结能力。同时，材料性能的离散度很大，检测和质量控制较为困难，延伸率很小韧性不足都导致了机械连接的不可靠。总之，复合材料的优点突出、应用前景很大，除了材料本身的固有缺点以外，其他的劣势可以随着加工工艺改进以达到质优价廉的目的。
小结
文章从安全性、经济性以及适用性等三方面对复合材料修复补强技术进行技术分析，认为其可对不停车的压力管道进行无间断修复，并且在整个修复过程中无明火等安全隐患且修复效果甚佳，因此认为纤维复合材料补强技术可以替代传统的补强技术。在此基础上，对纤维复合材料的选取、操作工艺以及施工验收等方面作出了介绍。
论文作者:李兆惠,张志伟,杨雪琴,唐元丽
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/11
标签：管道论文; 补强论文; 技术论文; 纤维论文; 复合材料论文; 材料论文; 套筒论文; 《基层建设》2016年11期论文;