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險因素。目前，針對機械損傷或腐蝕缺陷而尚未泄漏的管道，主要的修復技術(shù)包括焊接、換管、夾具、纖維復合材料修復等。

采用焊接方法對輸油管道修復具有很大的危險性。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)受到嚴重制約。

夾具修復方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外，恢復管道承壓能力。特點是能夠在不破壞原有管道的情況下進行增強。但夾具方法操作復雜，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、操作復雜、難以施工的弱點十分明顯。

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

一、碳纖維復合材料修復技術(shù)

纖維復合材料修復技術(shù)使用填平樹脂對管道缺陷進行填平處理，然后配合專用粘結(jié)劑在需要補強的管道外纏繞纖維材料，形成纖維復合材料補強層。補強層固化后，與管道形成一體，代替管道材料承載管內(nèi)壓力，從而達到恢復甚至超過管道設(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（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，纖維復合材料對壓力管道的修復效果取決于復合材料的抗拉強度和彈性模量。碳纖維材料具有優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度超過3500MPa，遠遠大于鋼材和玻璃纖維的抗拉強度。碳纖維復合材料的彈性模量與鋼材的彈性模量（207×103MPa）幾乎完全相同，補強層與鋼管具有非常好的變形協(xié)同性。補強層能夠替代管道缺陷處承擔管道的內(nèi)壓。

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

①免焊不動火，可在帶壓運行狀態(tài)下修復；

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

⑤碳纖維復合材料補強層厚度小，方便后續(xù)的防腐處理；

⑥碳纖維補強纏繞、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重錯邊)補強；還可對彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件修復； 

⑦可以用于腐蝕、機械損傷和裂紋等缺陷修復補強，也可用于整個管段的提壓增強處理，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合材料補強技術(shù)對此管道進行搶修。搶修方案為首先使用填平樹脂對凹陷進行填平修復處理，然后纏繞高強度碳纖維復合材料。

補強方案確立后，使用有限元分析軟件對該方案進行驗證計算。

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行分析。在有限元模型中，對凹陷進行模擬計算。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，屈服強度為450MPa。管道內(nèi)的運行壓力設(shè)定為3MPa。碳纖維復合材料補強層數(shù)為6層。根據(jù)上述條件計算得到未補強管道中的環(huán)向應(yīng)力與補強后管道中的環(huán)向應(yīng)力分布云圖。

由計算結(jié)果可知未補強管道凹陷的邊緣處存在嚴重的應(yīng)力集中。最大的環(huán)向應(yīng)力數(shù)值達到322MPa，遠遠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。如不進行補強處理，凹陷處壁厚可能繼續(xù)減少，使管道缺陷處應(yīng)力集中更嚴重。

采用碳纖維復合材料補強技術(shù)后，管道中環(huán)向應(yīng)力有明顯的降低，最嚴重區(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度，管道變形尚處于彈性變形范圍。管道經(jīng)過補強處理后，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)。

補強方案確定后的施工流程為：

①對管道外表面進行預處理，清除防腐層；

②使用電動除銹工具打磨管道表面，達到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，纏繞高強度碳纖維復合材料，確保復合材料覆蓋了缺陷部位，纏繞層數(shù)為6層；

⑥對補強區(qū)域進行防腐處理，然后回填。

在對上述含缺陷管道進行修復補強后，恢復了管道的正常運行壓力，效果良好。

三、小結(jié)

碳纖維復合材料修復補強技術(shù)相對于其他類型的修復技術(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械損傷有較好的修復能力。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合材料補強設(shè)計的輔助工具。 
      建議對碳纖維復合材料維修補強的應(yīng)用范圍和應(yīng)用條件進一步研究，以更好的指導復合材料維修補強作業(yè)。