用金属热喷涂加纤维复合材料对管道补强修复的方法

摘要

本发明涉及一种用于含缺陷金属管道的补强修复方法，特别适用于管道不停输条件下的现场作业。特征是：在进行管体表面处理以后，通过热喷涂金属合金对缺陷2进行填平处理，并在整圈管体1表面喷涂形成一层金属合金基层3；然后在此基层上缠绕纤维与环氧粘结剂所组成的纤维树脂复合材料4，纤维树脂复合材料固化后具有极高的抗拉强度和弹性模量，它将通过金属合金基层限制缺陷处的径向膨胀变形，实现对管道缺陷的补强修复。效果是：金属合金基层与钢质管体的结合强度高，且具有成型快、抗压强度优异、收缩率低的优点，这有利于补强材料和管体之间紧密贴合；选用耐蚀合金材料可使缺陷部位的抗电化学腐蚀能力和与阴极保护的兼容性大大提高。

权利要求

1.用金属热喷涂加纤维复合材料对管道补强修复的方法，其特征是：使用喷砂或者电动角磨机进行管体表面处理以后，通过热喷涂金属合金对缺陷进行填平处理，并在整圈管体表面喷涂形成一层金属合金基层；然后在此基层上缠绕纤维与环氧粘结剂所组成的纤维树脂复合材料，纤维树脂复合材料固化后具有极高的抗拉强度和弹性模量；性能测试合格后，进行人工封闭处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述的管体表面处理应在补强之前的4个小时内进行完毕，以避免表面再氧化的发生；管体表面处理质量应达到GB/T8923-1988中规定的Sa2.5或者St3级；施工前在需补强部位放线、定位。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述的热喷涂工艺方法包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂；热喷涂丝材选用可获得较高硬度的合金喷涂丝材；通过热喷涂方法将金属合金丝材熔化喷射填充到管体表面缺陷处，并在整圈管体表面喷涂形成一层具有较高强度和良好防腐性能的金属基层；热喷涂应在工件表面喷砂后尽快进行，在喷涂过程中，工件表面应一直保持清洁、干燥和无肉眼可见的氧化；待喷涂的时间根据地域情况最长不超过4h；当待喷涂工件表面处在凝露状态下时，不能进行喷涂；待喷工件表面的温度应保持在露点以上，且至少比露点温度高3℃以上才能进行喷涂。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述的纤维树脂复合材料包括芳纶增强塑料(AFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)、玻璃纤维增强塑料(GRP)；将纤维增强卷材和环氧树脂基体包裹涂敷在金属合金基层上，树脂固化后生成纤维树脂复合材料；缺陷点应布置在纤维树脂层压板中部，对纵向较长的缺陷点，安装时应保证缺陷点边缘距层压板边缘的距离不小于50mm，若缺陷点过长，不能满足上述要求，则应考虑两条卷材并列安装；卷材缠绕必须由两人完成；首层卷材安装的起点盖住缺陷点并与缺陷点相距45°～90°角，卷材粗糙面应紧贴管道表面；安装过程中，卷材两边应始终对齐事先在管道上划好的修复边线，保持与管道轴线的垂直；采用分层缠绕时，第二条卷材头应与第一条卷材尾搭接不应小于3cm，层与层的接头间应错开3～5cm，以此类推；当所需的纤维卷材层数全部安装完备后，需要用混合树脂将层压板边缘填实并抹成坡口；最后一层卷材末端也应用填料抹平。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述的复合材料在固化期间，不能浸泡在水中或遭雨淋；当安装时气温低于25℃，或希望尽快固化，应在外面包裹一干净塑料布，然后用电热毯包住纤维树脂复合材料加热。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述的人工封闭处理是指在成型且检测合格的纤维树脂复合材料外涂抹封闭涂料或缠绕外防腐层。

说明书

用金属热喷涂加纤维复合材料对管道补强修复的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用金属热喷涂后外缠纤维增强塑料复合材料实现对钢质压力管道的管体缺陷进行补强修复的方法，尤其是能在管道不停输条件下对管体缺陷进行现场补强修复。

背景技术

[0002] 钢质管道是我国流体介质传输工程中的主要载体，但在环境(大气、土壤和微生物等)和内输送介质作用下会发生腐蚀，由腐蚀引起的强度降低和坑蚀穿孔现象十分严重，泄漏事故时有发生，给企业生产造成巨大的损失。由腐蚀引起的外壁腐蚀坑、槽等体积型缺陷的修补，以往主要采用现场焊接补疤、套袖或区段割除重新焊接新管段的方法，但由于(1)焊接造成输送管修补的管段的韧脆性转变温度降低，降低管道运行的安全性；(2)高的修补费用；(3)焊接过程中易产生氢脆、残余应力等问题；(4)对焊接操作人员技术水平要求高，焊接后需进行必要的现场探伤；(5)输送管道在修补期间有时需要停止运行，管内介质需要排空，特别是天然气石油管线，从而造成巨大经济损失，所以对外壁腐蚀缺陷输送管道的修复必须开发新型的修补增强技术。

[0003] 钢质管道的复合材料补强修复技术是近些年开始实施的一项新的管道修复技术。当管道被施以内压时，管道发生径向膨胀并且管壁中产生环向拉伸应力。在管壁减薄区域(如腐蚀坑)，由内压引起的径向凸起与环向应力、应变比正常壁厚区域要严重。当径向凸起达到一定程度时，该缺陷处将发生破裂失效和泄漏。复合材料修复技术利用增强纤维和基体树脂在管道外形成复合材料补强层，分担管道承受的载荷，限制管道缺陷处由内压引起的径向膨胀和环向拉伸应力，从而达到对缺陷补强的目的，恢复管道的正常承压能力。国外石油公司和服务商已将该技术广泛地投入到了工业应用中，比如美国TDW、APPW、ClockSpring和StrongBack等几家公司，其维抢修技术和产品基本上可代表目前管道修复领域的先进水平。

[0004] 前述几家公司的复合材料修复产品在四川油气田内都有应用。2004年至今，中石油西南油气田分公司在其管辖的近50条输气管道上对管道智能检测和常规检测中发现的不可接受缺陷进行了补强修复，有10万套以上的产品(补强修复套件)安装应用。在对这些补强修复套件的补强效果和防腐效果进行检测评价过程中，我们发现有部分套件出现了分层脱粘、沥青浸入、纤维浸润不够、管体除锈清理不彻底等情况，严重影响了管体缺陷修复效果。究其原因，该类补强修复技术有三个缺点：一是在施工过程中，由于焊缝余高、咬边造成的管体不平以及树脂填料的自收缩，导致复合材料层压板和管体表面不能紧密贴合，容易出现空鼓；二是树脂填料与钢质管体的结合强度低，钢/层压板界面拉伸抗剪强度低，导致复合材料层压板易剥离管体表面；三是施工过程控制点多，受到作业环境、工人的技术熟练程度、工人的责任心等多种因素的影响，质量难以保证，尤其是树脂基体质量不易控制，导致其机械性能不足，将严重影响补强修复效果。由此可以看出，该类补强修复技术有几大关键控制点：一是管体表面处理；二是基面填平；三是树脂填料和树脂基体的质量，四是树脂与钢界面的结合性，五是树脂与纤维的结合性。

[0005] 热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分，它是一种材料表面强化和表面改性的新技术。热喷涂技术是利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，同时借助于焰流或高速气体将其雾化，并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面，完成工件尺寸恢复(如封孔)或沉积成具有某种功能的涂层。

[0006] 我国的热喷涂技术及工程应用早在上世纪50年代初就开始了丝的电弧热喷涂(据资料报道，就在江浙一带的高压输电钢结构塔上喷涂Zn涂层防腐，至今仍在起着防腐蚀的作用)。电弧喷涂是利用两根金属丝之间产生的电弧熔化丝的顶端，两根金属丝的成分可以相同，也可以不相同，经一束或多束气体射流(一般为压缩空气)雾化将已熔化的金属熔滴喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的工艺方法。电弧喷涂机体积较小，操作简单，易于野外作业。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种用于含缺陷金属管道的补强修复方法，特别适用于管道不停输条件下的现场作业。研制开发出金属合金/纤维复合材料的补强修复系统，很好地解决了传统复合材料补强修复技术中，复合材料与钢质管体的结合强度低、树脂填料收缩率大、树脂填料质量不稳定的问题。此补强修复系统由热喷涂金属合金基层、纤维树脂层压板以及高性能环氧粘结剂三个部分组成，各组分间以及与管道基体表面间在力学、化学性能上都具有良好的匹配性。在缺陷修复时，首先使用喷砂(推荐)或者电动角磨机进行管体表面处理以后，通过热喷涂金属合金对缺陷2进行填平处理，并在整圈管体1表面喷涂形成一层金属合金基层3，金属合金基层具有优异的抗压强度；然后在此基层上缠绕纤维与环氧粘结剂所组成的纤维树脂复合材料4，纤维树脂复合材料固化后具有极高的抗拉强度和弹性模量，它将通过金属合金基层限制缺陷处的径向膨胀变形，降低缺陷处的拉伸应力与应变，实现对管道缺陷的补强修复。

[0008] 本发明对钢质管道管体缺陷进行补强修复包括以下步骤：1、管体表面处理管材的表面基层处理一般应在补强之前的4个小时内进行完毕，以避免表面再氧化的发生。使用喷砂(推荐)或者电动角磨机进行表面基层处理。基层预处理质量应达到GB/T8923-1988中规定的Sa2.5或者St3级。如果管道表面存在较细小腐蚀坑缺陷，难以使用电动角磨机彻底除锈，可以用钢丝刷将腐蚀坑内的腐蚀产物以及污垢清理干净。在确保钢管表面原有防腐涂层及氧化物清除后，用清洗剂清洗钢管表面，并使其充分干燥。施工前在需补强部位放线、定位。

[0009] 2、金属合金热喷涂常用的热喷涂工艺方法包括有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂，其中以电弧喷涂最适宜现场施工。热喷涂丝材宜选用可获得较高硬度的合金喷涂丝材，如铁基合金、镍铝合金等。

[0010] 通过热喷涂方法将金属合金丝材熔化喷射填充到管体表面缺陷处，并可在整圈管体表面喷涂形成一层具有较高强度和良好防腐性能的金属基层，金属合金基层具有优异的抗压强度，起到沿径向传递管壁压力的作用。

[0011] 热喷涂应在工件表面喷砂后尽快进行，在喷涂过程中，工件表面应一直保持清洁、干燥和无肉眼可见的氧化。待喷涂的时间根据地域情况应尽可能短，最长不超过4h。当待喷涂工件表面处在凝露状态下时，不能进行喷涂。待喷工件表面的温度应保持在露点以上，且至少比露点温度高3℃以上才能进行喷涂。

[0012] 3、纤维树脂层压板将纤维增强卷材和环氧树脂基体包裹涂敷在金属合金基层上，树脂固化后生成纤维复合材料，具有较高的抗拉强度。它能够通过金属合金基层和自身与管道的粘接力传递压力，分担管道内压并限制管道膨胀变形，降低缺陷处的拉伸应力与应变，实现对管道缺陷的补强修复。

[0013] 缺陷点应布置在纤维树脂层压板中部，对纵向较长的缺陷点，安装时应保证缺陷点边缘距层压板边缘的距离不小于50mm；若缺陷点过长，不能满足上述要求，则应考虑两条卷材并列安装。卷材缠绕安装必须由两人完成。首层卷材安装的起点盖住缺陷点并与缺陷点相距45°～90°角，卷材粗糙面应紧贴管道表面。安装过程中，卷材两边应始终对齐事先在管道上划好的修复边线，保持与管道轴线的垂直。采用分层缠绕时，第二条卷材头应与第一条卷材尾搭接不应小于3cm，层与层的接头间最好错开3～5cm，以此类推。

[0014] 4、封边当所需的纤维卷材层数全部安装完备后，需要用剩余的混合树脂将层压板边缘填实并抹成坡口。最后一层卷材末端也应用填料抹平。必要时可蘸少许水抹平。

[0015] 5、固化复合材料固化期间，不能浸泡在水中或遭雨淋。如安装时气温低于25℃，或希望尽快固化，可在外面包裹一干净塑料布，然后用电热毯包住纤维树脂复合材料加热。

[0016] 6、涂抹封闭涂料或缠绕外防腐层为了美观或延长补强修复系统的使用寿命，可通过涂抹封闭涂料或缠绕外防腐层的方式进行人工封闭处理。

[0017] 该复合材料补强技术可以用于含腐蚀、裂纹、氢致损伤、机械损伤、焊缝缺陷、几何缺陷和材质缺陷管道的修复补强，也可用于内腐蚀管道的临时增强；可用于单点缺陷补强，也可用于整体管段的缺陷补强。

[0018] 在实际应用中，根据管道缺陷的具体情况，按照ASME PCC-2和ISO/TS 24817中的相关规定进行补强修复设计确定补强层的厚度、宽度和补强材料的用量。

[0019] 相比较传统的复合材料修复技术，用金属热喷涂加纤维复合材料对管道补强修复的方法具有以下优点：1、易于现场操作，且不受工件大小和形状限制；2、喷涂过程中基体材料温升小，不产生应力和变形，喷涂厚度较易控制；3、金属合金基层与钢质管体的结合强度高；4、金属合金基层抗压强度优异，成型快，收缩率较低；5、具有良好的防腐性能，适用于在各种复杂环境条件下应用，修复层寿命可长达50年；6、不影响管道智能检测和阴极保护系统工作；7、生产效率高，能耗少，设备投资低，总成本低，具有良好的经济效益。

附图说明

[0020] 图1为管道及缺陷修复示意图，其中1-金属管道，2-管体缺陷，3-金属合金电弧喷涂基层，4-纤维树脂层压板。

[0021] 图2是短期缠绕压力试验管样的缺陷机械加工图，其中4-深度为80％的减薄区域，5-过渡边界，6-钢质管样；图中尺寸单位为毫米。

[0022] 图3是复合材料补强系统短期缠绕压力试验的照片。

具体实施方式

[0023] 为了进一步阐述本技术所涉及的施工工艺，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。

[0024] 根据ASME PCC-2-2006中关于短期缠绕压力试验的要求，以φ219×10的输气管道为例，机械加工槽型缺陷，按本发明的方法实施补强修复后，采用水压爆破试验方法对该技术进行了评价。试验过程如下：1、截取某输气管线1.7m(该管子为20#钢无缝管，管径为219mm，壁厚为10mm)，两端用留有排气孔、进水孔的封头封堵。

[0025] 2、大型龙门铣床加工一个150mm×80mm×8mm的槽型缺陷，位置管道中部(具体尺寸见图2)。

[0026] 3、按照上文所述方法和施工步骤对该缺陷进行补强修复(见图3)。

[0027] (1)管体表面处理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、沥青底漆及污物，并使其表面处理质量达到GB/T8923-1988中规定的Sa3级。施工前在需补强部位放线、定位。

[0028] (2)镍铝合金电弧喷涂通过电弧喷涂方法将镍铝合金丝材熔化后喷射填平管体表面缺陷，并在整圈管体表面喷涂形成一层均匀且具有较高抗压强度的金属基层，起到沿径向传递管壁压力的作用。

[0029] (3)碳纤维树脂层压板根据设计计算结果，需要缠绕6层碳纤维增强卷材。按照规范的施工步骤将卷材和环氧树脂基体包裹涂敷在镍铝合金基层上，等待树脂固化。

[0030] (4)封边用剩余树脂将层压板边缘和最后一层卷材末端填实并抹成坡口。

[0031] (5)固化24小时后用邵氏硬度计检查树脂的硬度，硬度超过40，表示树脂已固化，符合安装质量技术要求。

[0032] 4、计算出极限爆破压力Pf为22.3MPa，根据试验要求，补强修复系统必须承受住该压力。

[0033] 5、对试验管道进行注水排气，在检查试样注满水并不漏气的情况下，进行逐级加压，直至试样破裂。该试验管道上的槽型缺陷处在升压到26.4MPa时破裂(见图3)。

[0034] 已补强的管道能承受住Pf为22.3MPa的压强，我们认为补强系统对减薄缺陷的补强是有效的。