[发明专利]一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用碳纤维增强树脂基复合材料对油气输送管道外壁缺陷进行补强修复的方法及其复合材料体系。

背景技术

油气管道运输是五大运输产业之一，我国目前油气输送管道已突破7万公里。油气管道因腐蚀、机械损伤等原因往往形成各种管体缺陷，造成在役管道爆裂、泄漏等事故发生，严重影响了管道的安全运行和输送作业能力，如何对检测到的管体缺陷进行有效地修复补强是确保管线安全运行和提高输送效益的关键技术措施。现有的管道修复技术包括焊接补疤、套袖、夹具、换管以及复合材料修复等。复合材料修复技术由于其施工安全方便、不停输、不需要焊接作业、具有可设计性和耐腐蚀性等优点，已被广泛用于钢质管道结构的补强修复。近年来，国内外已形成多种复合修复产品，美国的主要有ClockAPPW(ArmorPipe Wrap)等产品，国内主要有中石油管材研究所、中石油北京天然气管道有限公司及北京力强基业工程技术有限公司等单位各自的补强修复专利产品。目前，各类复合材料修复产品体系主要有三部分组成：(1)高强度的玻璃纤维或碳纤维增强材料；(2)固化速度快、性能高的基体胶粘剂材料；(3)传递载荷的高压缩强度管体缺陷填充材料。复合材料补强修复施工工艺有预成型法和湿缠绕法两种。

中石油管研院根据多年现场施工经验及对多种修复产品开挖验证其修复效果的检测研究发现，修复点在补强修复并回填一段时间后，出现修复材料与管体脱粘、分层、空鼓、压边搭边和边界端头无封口或封口不完整等修复问题，造成这些问题的施工原因主要包括修复点管体表面处理不彻底、胶粘剂涂刷不均匀或局部漏涂、纤维布缠绕折皱或预紧力不足、修复层端头无封口措施等。但同时也存在材料自身的问题，包括缺陷填充材料易脆裂、底层胶粘剂与管体粘结力差、碳纤维因导电而发生电偶腐蚀和修复材料修复套袖底层抗阴极剥离性能差等问题。

因此，针对现场施工和开挖验证发现的问题，结合最新的化工产品对整个补强修复复合材料体系进行了产品改进和技术提高，以提高修复补强技术的有效性及修复工程质量，确保修复补强效果和防腐效果的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对含体积型缺陷油气输送管道修复补强碳纤维复合材料，包括脱粘、分层、空鼓等施工问题及缺陷填充材料的脆性断裂、底层胶粘剂阴极剥离和电偶腐蚀等，复合材料及改进的施工方法，确保复合材料修复体系与钢质管体之间具有良好的匹配性，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，使管道承压能力达到或超过无缺陷时状态。

本发明所述的钢质管道修复补强复合材料由缺陷填充材料、抗阴极剥离绝缘底胶、碳纤维增强树脂复合材料(包括碳纤维布和层间胶粘剂)几部分组成。

缺陷填充材料

缺陷填充材料由甲、乙两组分组成，其各组分的重量比见表1，甲乙两组分的重量比为(6～7)∶1；该填充材料室温条件下(大于15℃)，指触干燥时间为1～2.5h，工作温度范围-60～150℃，压缩强度85～100MPa，线膨胀系数15×10^-6/K(接近钢材)。

表1缺陷填充材料组分重量份

抗阴极剥离绝缘底胶

抗阴极剥离绝缘底胶为甲、乙两组分组成，甲乙两组分的重量比为(80～100)∶28。其各组分的重量比见表2，底胶厚度为0.1～1mm。该底胶25℃固化168h后，钢-钢拉伸剪切强度20.2～21.3MPa(GB/T 7124-86)，根据GB/T 23257-2009其剥离强度达170N/mm，阴极剥离测试无明显变化。

碳纤维布为本发明所使用的增强体，为复合材料的主要承载原材料，其抗拉强度为2500～5000MPa，拉伸弹性模量为100～350GPa，每平方米重量为200～400g，延伸率为1.0～2.5％，幅宽为50-1500cm，长度为每卷100米。

表2抗阴极剥离绝缘底胶组分重量份

层间胶粘剂

层间胶粘剂为本发明所使用的复合材料基体，是将管体载荷传递给增强体碳纤维布的材料。层间胶粘剂材料由甲、乙两组分组成，其各组分的重量比见表3，甲乙两组分的重量比为(2～4)∶1。采用碳纤维(T300)增强后的复合材料拉伸强度高达1228～1414MPa，弹性模量达95GPa左右。

表3层间胶粘剂材料组分重量比