用玄武岩纤维复合材料对管道修复补强或增强的方法

摘要

本发明涉及用于管道，特别是金属管道的修复补强或增强的方法。主要原材料是玄武岩纤维增强材料和树脂类基体材料。本发明中，修复补强或增强材料的强度、模量与金属管体材料较为接近，可与管道形成一体，共同承载管内压力，并使最终构成的复合修复层的承压能力达到并超过原始管道的承压能力；而且玄武岩纤维为绝缘材料，使得管道与阴极保护的兼容性和抗电化学腐蚀能力大大提高。本发明的方法施工简便，有利于补强材料和管体之间、补强层之间紧密贴合，并且可对在役管线进行修复补强增强作业。

说明书

发明领域

本发明涉及用树脂基玄武岩纤维复合材料对管道，特别是金属管道进行修复补强和/或增强的技术，更具体地，本发明涉及对管道，特别是金属管道修复补强的补强材料，该材料为树脂基玄武岩纤维复合材料，用所述材料对管道缺陷进行修复补强的方法，以及所述材料和方法在油气输送管道缺陷的修复补强中的应用。

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。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；或者由于输送要求的提高，现有的输送能力不足或者设计能力不足，不能按要求提压；或者由于管道经过的地区类别发生变化，安全性有更高要求时，这些均影响管道的正常输送作业。国内外常有油气管道爆破和泄漏事故发生，如1989年，前苏联乌拉尔输气管道爆破一次伤亡1024人；北美也曾发生输气管道一次爆破开裂13公里的大事故。大量的现场调查表明，我国在役油气管线60％以上已进入事故多发期。通常，有缺陷的油气输送管道在运行作业时，往往采取降压输送的做法；输送要求提高或管道地区类别变化，而现有条件不能满足时，大部分是维持现有状况，不得已时新建管道。这样不仅影响了正常的生产作业，而且大大增加了运行成本。因此开发一种效果好、安全性高、便于实施的对管道进行修复补强和增强的方法是本领域追求的目标。在现有的油气管道外缺陷修复补强技术中，主要有传统的焊接补疤和复合材料补强等方法。由于焊接补疤过程中有可能发生焊穿和产生氢脆的危险，特别对于不停输的输气管线，一般建议不采用此方法。而树脂基复合材料由于具有轻质高强、抗腐蚀、耐久性好、施工简便、不影响结构的外观等优异特性，已被国外的油公司用于管道补强。如美国Clockspring公司的复合材料补强技术，它是采用间苯二甲酸型不饱和聚酯与E-玻璃纤维复合成片材，采用干铺法包裹于金属管道表面，在层与层之间用环氧粘结剂粘结。这种技术的缺点有两个：一是施工过程中，无法保证复合片材与管体、复合片材层与层之间的紧密贴合；另一是玻璃纤维的弹性模量及强度均较低，所以补强层的厚度会较厚，对后续防腐造成一定困难，对基体承载能力的提高程度也很有限。而北京科技大学等开发的复合材料补强技术因为成本较高，原料不易得以及因为碳纤维原丝基本完全依赖进口等因素还需要进一步完善。

近年来并没有关于使用玄武岩纤维进行管道维修补强和增强的报道以及公开具体的实施方案。

玄武岩纤维是前苏联开发的一种无机纤维，是以天然玄武岩矿石为原料熔制而成的纤维，具有抗拉强度高、弹性模量大、电绝缘性好、耐腐蚀和化学稳定性好等优良特性，而且可在600℃或者更高的温度下使用，其性能全面优于普通的玻璃纤维。因为玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，使玄武岩纤维的制造过程对环境无害，无工业垃圾，不向大气排放有害气体，是新型的环保型纤维。

玄武岩纤维目前已经国产化，成本远低于碳纤维，已经应用于纤维增强水泥制品、路面土工隔栅、汽车用摩擦材料等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种用玄武岩纤维复合材料对管道进行修复补强和/或增强的方法，其特征在于在管道需要修复补强和/或增强的部位铺设玄武岩纤维复合材料，该方法成本较低，安全可靠，便于施工。因为玄武岩纤维体积电阻率和表面电阻率均大于10¹⁰Ω·m，具有良好的电绝缘性能和介电性能，因此，玄武岩纤维复合材料可作为管道的绝缘层，完全不会发生类似电偶腐蚀或其他电化学腐蚀的风险。

在管道需要修复补强和/或增强的部位铺设玄武岩纤维复合材料的方法之一包括以下步骤：

(1)在管道表面涂刷可固化聚合物；

(2)铺设高强度玄武岩纤维，并滚压，使得可固化聚合物均匀浸渍玄武岩纤维；

任选地重复(1)和(2)多次，然后进行固化。

这种方法为完全湿法粘贴，对于管体有焊疤或缺陷等凹凸不平处或管道附件(如三通，弯头，异径管，法兰、小管径接头等)处时，具有很好的施工简便性。在操作时，要尽量使可固化聚合物均匀分布，并且完全浸渍玄武岩纤维。在铺设玄武岩纤维时，要最大可能的减少气泡，降低空隙率，必要的时候可以采取抽真空等措施。

在管道需要修复补强和/或增强的部位铺设玄武岩纤维复合材料的方法还可以采用另外一种方法，包括以下步骤：

(1)在玄武岩纤维表面浸涂可固化聚合物，制成玄武岩纤维预浸料；

(2)铺设玄武岩纤维预浸料；

任选地重复(1)和(2)多次，然后进行固化。

这种方法为干法铺设，较适用与现场管道条件较好，无较大的凹凸不平处，并且非异形管道附件(如三通，弯头，异径管，法兰、小管径接头等)处，此时现场操作更为省时，有利于在现场抢修时争取时间。

其中玄武岩纤维预浸料是指将可固化聚合物浸涂到玄武岩纤维上，通过一定的处理过程形成一种储存备用的半成品。预浸料的制备方法按可固化聚合物浸渍纤维的方法不同大致有：溶液浸渍法，热熔浸渍和胶膜辗压法，粉末工艺法。一般来说，预浸料大多需要低温储存，最近也有常温储存的产品。

预浸料因为可以预先制备，能严格控制其可固化聚合物的含量，从而使得预浸料的质量更容易控制。固化时为了提高固化质量，可采取真空固化。

在实际应用时，根据管道的具体情况，本专业技术人员可按照通常的缺陷补强参数或管道增强设计方法确定玄武岩纤维复合材料层数、宽度和补强材料用量。

上述方法中所述各层纤维复合材料对于管道可以沿管道轴向铺设、环向铺设或以一定角度铺设，也可以是几种铺设方式的任意组合。实际应用时，本专业技术人员可根据管道的具体情况进行设计。

上述方法中所述的纤维是连续纤维，选自单向纤维、正交或斜交的无纬布叠层、二维织物层合、多向编织纤维材料。实际应用时，可依据管道具体情况选用。一般情况下，为便于设计，多采用单向纤维。但是为了施工的方便和安全性，有时也采用其他多向的纤维。

上述方法中所述的可固化聚合物包括基体材料以及任选的辅助材料；基体材料为选自热固性树脂、热塑性树脂及高性能树脂，优选热固性树脂；辅助材料选自固化剂、偶联剂、引发剂、稀释剂、交联剂、阻燃剂、阻聚剂、抗静电剂、光稳定剂以及填料。其中热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰胺树脂、有机硅树脂、烯丙基树脂或其改性树脂。

其中环氧树脂与玄武岩纤维的黏结力强，机械性能高，介电性能优良，耐化学腐蚀性好，因此常选用环氧树脂。

在对管道进行修复补强和/或增强之前，可以任选的对管道进行表面处理，如除油，除锈，磷化，钝化，偶联等可提高界面结合力的处理，如果管道有不平处，可以任选的用填平树脂进行填平处理。

在玄武岩纤维复合材料外可以用外防腐材料进行防腐，包括聚脲或聚氨酯喷涂、聚乙烯或聚丙稀冷缠胶粘带缠绕。

其中需要修复补强和/或增强的部位包括有缺陷的管道、管道附件，或无缺陷需要增强的管道、管道附件。其中所述的缺陷包括体积型缺陷、平面型(裂纹型)缺陷、弥散损伤型缺陷(氢鼓泡、微裂纹)、几何型缺陷(噘嘴、错边等)。

用玄武岩纤维复合材料对管道进行修复补强和/或增强的方法可用于金属管道，非金属管道，优选金属管道，更优选在役油气输送管道。

为确保施工质量，玄武岩纤维的纵横向搭接应保持一定长度。

作业区的防腐修复，应该在补强作业区域内各粘贴面的胶粘剂表干后进行。

为保证施工质量，在需要进行开挖和回填时，应该按照规定的施工要求进行。例如对现场检测已确定的缺陷位置，必须在现场监护人员的监护下实施人工开挖。开挖过程中注意测量埋深，防止铁器损坏防腐层及钢管。在补强施工完成，并确认开挖管段无漏点后，采用细沙或素土进行分层夯实回填，并对现场进行清理和恢复地形原貌，保证管线的埋深达到设计要求。

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实验用管现场图片

图2缺陷示意图，缺陷尺寸49mm×18mm×3.5mm

图3缺陷处用300mm宽的玄武岩纤维复合材料补强后管道

图4爆破后管道

具体实施方式

为了进一步阐述本发明所涉方法及施工工艺，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：用水压爆破试验方法对本发明的技术方案进行评价

为了检验本技术的实施效果，以φ273钢管为例，模拟输油气管道可能存在的缺陷尺寸，采用水压爆破试验方法对该技术进行了评价。试验用管及缺陷示意见图1。

试验过程如下：

1)截取输油气管道常用管材管线3m(该管子为Q235螺旋焊管，管径为273mm，壁厚为7mm)，两端用留有排气孔、进水孔的封头封堵(见图1)。

2)制作缺陷尺寸(49mm×18mm×3.5mm)的缺陷。

3)对需要补强的管体部位进行清理，以去除管子外表面的防腐层、锈蚀及其他污物，并使其表面处理质量达到GB/T8923-1988中规定的St3级。

4)然后将缺陷处用填平材料(环氧砂浆)填平。

5)待填平材料表干后，在管道表面涂刷酚醛树脂类可固化聚合物，然后沿管道环向铺设300mm宽的单向玄武岩纤维。重复几次，共铺设8层。如图3所示。

6)补强层固化后对试验用管进行注水排气，在检查试样注满水并不漏水的情况下，进行逐级加压，直至试样破坏，如图4所示。

该爆破试验结果显示：破坏是在未经修复补强的管体处产生的，破坏为典型的撕裂型破坏；试验管有明显的膨胀现象，而经修复、补强的缺陷处并无明显变化；补强后的管体爆破压力为16.7Mpa，远高于试样的设计工作压力(6.4Mpa)，表明该技术已经达到了补强的目的。

实施例2

跟实施例1类似，用玄武岩纤维复合材料对螺旋焊缝缺陷进行补强，然后用静水压爆破实验进行验证其补强效果。

实验过程如下：

1)截取输油气管道常用管材管线3.5m(该管子为Q235螺旋焊管，管径为325mm，壁厚为7mm)，两端用留有排气孔、进水孔的封头封堵。

2)在管道螺旋焊缝处制作尺寸(长×宽×深＝60mm×10mm×5.16mm)的缺陷。

3)对需要补强的管体部位进行除油除锈处理。

4)将缺陷用anko填平树脂填平。

5)待填平材料表干后，在管道表面铺设500mm宽的玄武岩纤维预浸料。共铺设10层。然后加热使其固化。

其中，玄武岩纤维预浸料制备过程如下：将环氧634胶置于胶槽中，加热使其熔融，然后将其完全浸润玄武岩纤维，而后经过热压，使树脂基体熔融，纤维嵌入树脂基体中。最后冷却，切边，制得预浸料。

6)补强层固化后对试验用管进行注水排气，在检查试样注满水并不漏水的情况下，进行逐级加压，直至试样破坏。

该爆破试验结果显示：破坏是在未经修复补强的管体处产生的，破坏为典型的撕裂型破坏；试验管有明显的膨胀现象，而经修复、补强的缺陷处并无明显变化；补强后的管体爆破压力为18.7Mpa，远高于试样的设计工作压力(6.4Mpa)，表明该技术已经达到了补强的目的。

实施例3

跟实施例1类似，用玄武岩纤维复合材料对需要增压的管线进行修复增强，然后用静水压爆破实验进行验证其补强效果。

实验过程如下：

1)截取输油气管道常用管材管线3.5m(该管子为Q235螺旋焊管，管径为325mm，壁厚为7mm，设计压力7.3MPa，欲提高到7.8MPa)，

两端用留有排气孔、进水孔的封头封堵。

2)对整个管体进行除油除锈处理。

3)在管道表面涂刷环氧类可固化聚合物，然后沿管道环向铺设双向十字编织的玄武岩纤维。滚压后，再重复几次，共铺设8层。

4)补强层固化后对试验用管进行注水排气，在检查试样注满水并不漏水的情况下，进行逐级加压，直至10.8MPa(7.8MPa/0.72(设计系数))。

泄压后，管体无任何屈服迹象，管体周长及形变等变化约为零，表明该技术已经达到了提高设计压力的目的。

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。