大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，第三方損害及防腐層破損引起的腐蝕缺陷是威脅在役輸油管道管道安全運行的主要風(fēng)險因素。目前，針對機(jī)械損傷或腐蝕缺陷而尚未泄漏的管道，主要的修復(fù)技術(shù)包括焊接、換管、夾具、纖維復(fù)合材料修復(fù)等。

采用焊接方法對輸油管道修復(fù)具有很大的危險性。由焊接引起的管道安全事故屢見不鮮。換管的經(jīng)濟(jì)成本和社會成本都非常高，在交通流量較大或人口稠密地區(qū)受到嚴(yán)重制約。

夾具修復(fù)方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外，恢復(fù)管道承壓能力。特點是能夠在不破壞原有管道的情況下進(jìn)行增強(qiáng)。但夾具方法操作復(fù)雜，在一定條件下用于處理泄漏的管道具有明顯的優(yōu)勢，而對于沒有泄漏的管道，其造價高、操作復(fù)雜、難以施工的弱點十分明顯。

纖維復(fù)合材料修復(fù)補強(qiáng)技術(shù)作為一種高效快捷的新型修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)在油氣管道維護(hù)和大修中得到應(yīng)用。其優(yōu)點是免焊不動火，極大地降低了操作的風(fēng)險性，并且在尚未有泄漏的補強(qiáng)中，可以帶壓修復(fù)，保障管道不間斷運行。碳纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，是應(yīng)用與管道補強(qiáng)的理想纖維材料。

一、碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)

纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)使用填平樹脂對管道缺陷進(jìn)行填平處理，然后配合專用粘結(jié)劑在需要補強(qiáng)的管道外纏繞纖維材料，形成纖維復(fù)合材料補強(qiáng)層。補強(qiáng)層固化后，與管道形成一體，代替管道材料承載管內(nèi)壓力，從而達(dá)到恢復(fù)甚至超過管道設(shè)計運行壓力的目的。

碳纖維材料是一種在航空航天、軍工、高壓管道和壓力容器、建筑結(jié)構(gòu)工程補強(qiáng)（橋梁、電站、水利工程及古建筑）等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)材料，它具有非常高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。

美國天然氣研究協(xié)會（Gas Research Institute）的研究表明，纖維復(fù)合材料對壓力管道的修復(fù)效果取決于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。碳纖維材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度超過3500MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材和玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料的彈性模量與鋼材的彈性模量（207×103MPa）幾乎完全相同，補強(qiáng)層與鋼管具有非常好的變形協(xié)同性。補強(qiáng)層能夠替代管道缺陷處承擔(dān)管道的內(nèi)壓。

碳纖維復(fù)合材料補強(qiáng)技術(shù)用于管道補強(qiáng)具有如下技術(shù)優(yōu)點：

①免焊不動火，可在帶壓運行狀態(tài)下修復(fù)；

②施工簡便快捷，操作時間短；

③碳纖維彈性模量與鋼的彈性模量十分接近，有利于復(fù)合材料盡可能多的承載管道壓力，降低含缺陷管道的應(yīng)力水平，限制管道的膨脹變形；

④碳纖維的抗拉強(qiáng)度高，用于管道修復(fù)具有極高的安全性；并且碳纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異，其強(qiáng)度隨著服役時間增加基本保持不變；

⑤碳纖維復(fù)合材料補強(qiáng)層厚度小，方便后續(xù)的防腐處理；

⑥碳纖維補強(qiáng)纏繞、鋪設(shè)方式靈活?？蓪Νh(huán)焊縫和螺旋焊縫缺陷(包括高焊縫余高和嚴(yán)重錯邊)補強(qiáng)；還可對彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件修復(fù)； 

⑦可以用于腐蝕、機(jī)械損傷和裂紋等缺陷修復(fù)補強(qiáng)，也可用于整個管段的提壓增強(qiáng)處理，應(yīng)用范圍廣。

二、輸油管道搶修案例

在西部管道組織的例行檢測中發(fā)現(xiàn)烏蘭輸油管道某處出現(xiàn)機(jī)械損傷。該處管道的外徑為559mm，管道正常壁厚為10mm。在管道表面最上側(cè)存在機(jī)械損傷凹陷，凹陷深15mm，凹陷外沿直徑約200mm；對缺陷處管道壁厚測量發(fā)現(xiàn)，管道凹陷處管壁有減薄，減薄大約2mm。

經(jīng)有關(guān)部門研究決定采用碳纖維復(fù)合材料補強(qiáng)技術(shù)對此管道進(jìn)行搶修。搶修方案為首先使用填平樹脂對凹陷進(jìn)行填平修復(fù)處理，然后纏繞高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料。

補強(qiáng)方案確立后，使用有限元分析軟件對該方案進(jìn)行驗證計算。

首先對無缺陷管道承受內(nèi)壓時管壁應(yīng)力分布進(jìn)行計算。在管道完好無損情況下，承受3MPa的內(nèi)壓時，管道內(nèi)環(huán)向應(yīng)力為83.85MPa。建立有限元模型對該方案進(jìn)行分析。在有限元模型中，對凹陷進(jìn)行模擬計算。為便于建立模型，僅取管道的八分之一建立模型。

在有限元模型中，鋼材的彈性模量取207GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為450MPa。管道內(nèi)的運行壓力設(shè)定為3MPa。碳纖維復(fù)合材料補強(qiáng)層數(shù)為6層。根據(jù)上述條件計算得到未補強(qiáng)管道中的環(huán)向應(yīng)力與補強(qiáng)后管道中的環(huán)向應(yīng)力分布云圖。

由計算結(jié)果可知未補強(qiáng)管道凹陷的邊緣處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。最大的環(huán)向應(yīng)力數(shù)值達(dá)到322MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無缺陷管道承載3MPa壓力時的管壁環(huán)向應(yīng)力。并且這個應(yīng)力數(shù)值已經(jīng)接近鋼材的屈服強(qiáng)度。此管道存在內(nèi)壓波動時，在疲勞載荷的作用下，極易在應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞破壞。如不進(jìn)行補強(qiáng)處理，凹陷處壁厚可能繼續(xù)減少，使管道缺陷處應(yīng)力集中更嚴(yán)重。

采用碳纖維復(fù)合材料補強(qiáng)技術(shù)后，管道中環(huán)向應(yīng)力有明顯的降低，最嚴(yán)重區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力為164MPa。這個應(yīng)力數(shù)值低于鋼材的屈服強(qiáng)度，管道變形尚處于彈性變形范圍。管道經(jīng)過補強(qiáng)處理后，管壁的應(yīng)力集中將大大緩解，管道將處于安全應(yīng)力范圍內(nèi)。

補強(qiáng)方案確定后的施工流程為：

①對管道外表面進(jìn)行預(yù)處理，清除防腐層；

②使用電動除銹工具打磨管道表面，達(dá)到St3級的除銹要求；

③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥；

④在凹陷處涂抹填平樹脂，修補至缺陷部位表面平整；

⑤填平樹脂初步固化后，纏繞高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，確保復(fù)合材料覆蓋了缺陷部位，纏繞層數(shù)為6層；

⑥對補強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行防腐處理，然后回填。

在對上述含缺陷管道進(jìn)行修復(fù)補強(qiáng)后，恢復(fù)了管道的正常運行壓力，效果良好。

三、小結(jié)

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補強(qiáng)技術(shù)相對于其他類型的修復(fù)技術(shù)，具有更高的安全性、可靠性及適應(yīng)性。對于管道凹坑類型的機(jī)械損傷有較好的修復(fù)能力。為今后類似問題的解決提供了參考。

有限元數(shù)值模擬方法可以作為復(fù)合材料補強(qiáng)設(shè)計的輔助工具。 
      建議對碳纖維復(fù)合材料維修補強(qiáng)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用條件進(jìn)一步研究，以更好的指導(dǎo)復(fù)合材料維修補強(qiáng)作業(yè)。