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管道碳纤维补强的打压试验研究 第11卷第20期2011年7月 167l一1815(2011)20—4805—04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering Vo1.11No.2OJuly2011 ⑥2011Sci.Tech.Engng. 化工技术 管道碳纤维补强的打压试验研究 马明利刘扬邱安娥孟庆武魏立新 (东北石油大学,大庆163318) 摘要为了分析验证碳纤维复合材料对管道的补强效果,制备出带有壁厚减薄缺陷的圆筒试件,并对圆筒试件进行了碳纤 维复合材料补强处理.利用高压爆破试验装置进行了打压试验.试验结果表明:经过补强的圆筒试件的屈服压力远高于完 整圆筒试件,而且补强试件的爆破压力也高于完整圆筒试件,补强效果很好,说明碳纤维复合材料完全适用于管道缺陷的修 复补强. 关键词管道碳纤维补强打压试验 中图法分类号TQ05O.7;文献标志码B 对于机械损伤或腐蚀缺陷而尚未泄漏的管道, 主要的修复技术包括贴板焊接,换管,夹具,套管, 复合材料修复等¨J.其中,焊接补强是最常用的 修复技术.管道焊接补强修复是在管道外壁缺陷 处贴焊一块弧形板或半圆筒套,这样既把腐蚀缺陷 处保护起来避免进一步腐蚀,又可以增强腐蚀缺陷 处的强度.然而,采用焊接的施工方法在一些有防 火要求的场所具有很大的危险性,尤其是油气输送 管线,由于焊接防火措施不当而容易引发安全 事故. 近年来,复合材料修复补强技术作为一种高效 快捷的新型修复技术,已经在油气管道维护和大修 中得到应用.其最大优点是免焊,不动火,极大 地降低了施工的风险性,并且可以带压补强修复, 保障管道不问断运行.目前,随着高强度碳纤维复 合材料的开发利用,已逐渐成为补强效果最好的复 合材料,在国外得到大范围的推广应用,在国内也 有研究人员对碳纤维复合材料补强技术进行了一 定的探索和试验研究81.本文通过针对带有一定 缺陷的管道碳纤维复合材料补强试件进行打压试 验,研究碳纤维复合材料的补强效果,为碳纤维复 合材料补强技术的工程应用提供参考. 1打压圆筒试件 打压试验的圆筒试件采用20钢无缝钢管加工 而成.20钢材质的屈服强度为245MPa,拉伸强度 为410MPa,弹性模量为200GPa,泊松比为0.3.圆 筒试件两端焊接厚壁板封堵,其中一侧的厚壁板加 工有螺纹接口.圆筒试件的外径86mm,壁厚3mm (加工偏差控制在0.1mm以内),试验段有效长度 400mm.圆筒试件共计加工9件,其中6件的中间 部位加工减薄区域,以模拟实际的腐蚀减薄缺陷. 模拟缺陷的圆筒试件中间部位加工减薄1.5mm(管 壁剩余厚度1.5mm),减薄区域轴向长度100mm, 参见图1. .u年月24日收到图1带有模拟缺陷的圆筒试件 第一作者简介:马明利(1967一),男,博士生,高级工程师,研究方 向:油气储运. 科学技术与工程11卷 图2碳纤维复合材料补强后的圆筒试件 2试件碳纤维补强 采用北京某公司生产的碳纤维复合材料进行 补强.碳纤维复合材料包括碳纤维布,专用填平树 脂和环氧树脂,其中碳纤维布为关键材料.碳纤维 布的主要性能参数为:名义厚度0.5mm,拉伸强度 760MPa,弹性模量70GPa.按照圆筒试件的缺陷 尺寸,参考美国机械工程师协会标准ASMEPCc一 2,为满足爆破压力,计算并圆整碳纤维补强层数为 3层. 对模拟缺陷的3件圆筒试件进行补强修复,其 工艺流程为: (1)利用砂纸打磨圆筒外表面,清除油污,并增 加粗糙度; (2)在圆筒缺陷处涂抹专用的填平树脂,修补 至与圆筒外径平齐; (3)填平树脂初步固化后,缠绕高强度的碳纤 维布,同时刷涂黏接用的专用环氧树脂,保证环氧 树脂浸透碳纤维布,共计缠绕3层碳纤维布; (4)补强后的圆筒试件在室温下放置3h以 上,以充分固化. 3打压试验装置 采用南京工业大学研制的圆筒爆破试验装置 进行打压试验.此装置主要包括主体打压装置(如 图3所示)和数据采集系统两大部分.主体打压装 置主要由柱塞泵和各种阀,管线,保护罩组成.将 液压油打入圆筒管段里,使圆筒管段屈服变形直至 爆破.数据采集系统主要由压力表,压力变送器, 记录仪组成,用于采集主体装置施加到管段内的压 力,并通过压力变化判断和记录屈服点位置以及爆 破失效压力.3件完整圆筒试件,3件带缺陷圆筒试 件以及3件碳纤维补强圆筒试件分别进行打压爆破 试验,记录其屈服点压力以及爆破失效压力. 图3圆筒打压爆破试验装置 图4完整圆筒试件的打压爆破后形貌 图5带缺陷圆筒试件的打压爆破后形貌 图6碳纤维补强圆筒试件的打压爆破后形貌 20期马明利,等:管道碳纤维补强的打压试验研究4807 4打压试验结果与分析 三种类型圆筒试件的打压爆破后形貌参见 图4一图6,其中图6为爆破后清除掉填充层和部分 补强层