碳纤维复合材料在城镇燃气管道维修补强中的应用.doc

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1、碳纤维复合材料在城镇燃气管道维修补强中的应用摘要：本文介绍了碳纤维复合材料补强技术。以北京某高压天然气管道抢修项目作为工程案例，阐述了碳纤维复合材料管道修复技术在城镇燃气管道维修补强中的应用。关键词：燃气管道碳纤维复合材料维修补强1背景  随着我国经济的快速发展，城市建设十分迅速。第三方损害及防腐层破损引起的腐蚀缺陷是威胁在役城镇燃气管道安全运行的主要风险因素。目前，针对机械损伤或腐蚀缺陷而尚未泄漏的燃气管道，主要的修复技术包括：焊接、换管、夹具、纤维复合材料修复等[1]。   对于中、低压燃气管线，可以在管道降压或停输之后采用焊接修复或换管，实施取决于管道能否停输及停输造成的社会影响。采用

2、焊接方法对中高压燃气管道修复具有很大的危险性。由焊接引起的燃气管道安全事故屡见不鲜。换管的经济成本和社会成本都非常高，在交通流量较大或人口稠密地区受到严重制约。   夹具修复方法的原理是使用金属夹具包覆在缺陷管道外，恢复管道承压能力。特点是能够在不破坏原有管道的情况下进行增强。但夹具方法操作复杂，在一定条件下用于处理泄漏的管道具有明显的优势，而对于没有泄漏的管道，其造价高、操作复杂、难以施工的弱点十分明显。   纤维复合材料修复补强技术做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[2][3]。其优点是免焊不动火，极大地降低了操作的风险性，并且在尚未有泄漏的补强中，可以带

3、压修复，保障管道运行的不间断。目前国际国内市场上存在碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料两种纤维复合材料补强技术。碳纤维材料具有优异的拉伸强度和弹性模量，代表着纤维复合材料补强技术的发展趋势。2碳纤维复合材料修复技术   纤维复合材料修复技术使用填平树脂对管道缺陷进行填平处理，然后配合专用粘结剂在需要补强的管道外缠绕纤维材料，形成纤维复合材料补强层。补强层固化后，与管道形成一体，代替管道材料承载管内压力，从而达到恢复管道设计运行压力的目的。   碳纤维材料是一种在航空航天、军工、高压管道和压力容器、建筑结构工程补强(桥梁、电站、水利工程及古建筑)等领域得到广泛应用的高新技术材料，它具有非常高的抗

4、拉强度和弹性模量。   美国天然气研究协会(GasResearchInstitute)的研究表明，纤维复合材料对压力管道的修复效果取决于复合材料的抗拉强度和弹性模量[4]。碳纤维材料具有优异的力学性能，其抗拉强度超过3500MPa，远远大于钢材和玻璃纤维的抗拉强度，碳纤维复合材料的弹性模量与钢材的弹性模量(207×103MPa)几乎完全相同，补强层与钢管具有非常好的变形协同性。补强层能够替代管道缺陷处承担管道的内压。   碳纤维复合材料补强技术用于管道补强具有如下技术优点：   ①免焊不动火，可在带压运行状态下修复：   ②施工简便快捷，操作时间短：   ③碳纤维弹性模量与钢的弹性模量十分接

5、近，有利于复合材料尽可能多的承载管道压力，降低含缺陷管道的应力水平，限制管道的膨胀变形；   ④碳纤维的抗拉强度高，用于管道修复具有极高的安全性：并且碳纤维复合材料的抗蠕变性能优异，其强度随着服役时间增加基本保持不变；   ⑤碳纤维复合材料补强层厚度小，方便后续的防腐处理：   ⑥碳纤维补强缠绕、铺设方式灵活。可对环焊缝和螺旋焊缝缺陷(包括高焊缝余高和严重错边)补强：还可对弯管、三通、大小头等不规则管件修复；   ⑦可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强，也可用于整个管段的提压增强处理。应用范围广。3燃气管道抢修案例   北京某燃气管道(设计压力2.5MPa、管径DN700)位于北五环路

6、。燃气管道运营多年后，在道路建设过程中，道路调整路面高程，未与燃气管理部门联系，擅自施工，造成燃气管道覆土车行道下最浅处不足0.5m。燃气公司确定在该段管道上方增加混凝土盖板以保证安全。加装盖板前，在管道表面最上侧发现两个机械损伤凹陷，凹陷1深20mm，凹陷外沿直径约100mm：凹陷2深8mm左右，凹陷外沿直径约120mm。两个凹陷相距430mm。对缺陷处管道壁厚测量发现，管道凹陷处管壁有减薄，减薄大约1mm。管道表面存在一定的腐蚀。经初步分析，认为凹陷坑是道路施工时外力冲击造成。   经有关部门研究决定采用碳纤维复合材料补强技术对此管道进行抢修。首先使用填平树脂对凹陷进行填平修复处理，然后

7、缠绕高强度碳纤维复合料(见图1)。   补强方案确立后，使用有限元分析软件对该方案进行验证计算。   首先对无缺陷管道承受内压时管壁应力分布进行计算。计算依据为环向应力计算公式[5]：式中： σh——环向应力(MPa)； P——内压(MPa)； D——平均外径(m)： δ——壁厚(m)；   在管道完好无损情况下，承受2.5MPa的内压时，管道内环向应力为98.75MPa。建立有限元模2对该方案进行分析。在有