外表面含局部減薄三通的碳纖維修復技術(shù)研究

章 昕 趙建平

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

外表面含局部減薄三通的碳纖維修復技術(shù)研究

章 昕*趙建平

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

針對受內(nèi)壓三通外表面發(fā)生局部減薄的情況，從極限載荷分析角度，系統(tǒng)研究了局部減薄缺陷尺寸對三通承載能力的影響，提出了碳纖維修復的方案。以待修復缺陷相對厚度、周向長度和軸向長度為指標，以承載能力為目標，采用有限元方法，提出了優(yōu)化修復方案。

三通 局部減薄 碳纖維修復技術(shù) 極限載荷

目前，國內(nèi)在役的各類油氣管道五萬余千米，由于制造缺陷、環(huán)境腐蝕及第三方破壞等因素，導致各種缺陷危及管道安全[1]。局部減薄是常見缺陷之一，不僅造成管道承載能力下降，而且在載荷作用下，減薄處會產(chǎn)生應力集中，從而削弱管道抗疲勞載荷能力,如何保障缺陷管道的安全運行已成為石化行業(yè)的一個重要課題[2]。當前的管道元件修復技術(shù)主要可總結(jié)為：夾具修復、焊接修復和纖維復合材料修復三大類[3～5]。纖維復合材料修復補強技術(shù)作為一種高效便捷的新型修復技術(shù)，具有無需焊接、不動火的優(yōu)點,在尚未泄漏的補強中,可以不停車帶壓修復，提高了安全性，在油氣管道維護和大修中得到廣泛應用，如用CFRP修復城市燃氣管道焊縫缺陷，利用復合材料修復天然氣管道缺陷等[6～11]。碳纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強度和彈性模量，以及耐酸堿老化、耐濕熱老化性能，用于鋼制管體缺陷修復，具有傳統(tǒng)維修方法無法比擬的優(yōu)點，將成為纖維復合材料補強技術(shù)的主流[12，13]。

1997年，國外已經(jīng)成功地將碳纖維復合材料修復技術(shù)應用在埋地鋼制管道上[14]。隨著復合材料修復技術(shù)的飛速發(fā)展，這項技術(shù)在國外的管道行業(yè)已得到廣泛應用[15，16]。國內(nèi)管道缺陷復合材料修復技術(shù)的相關(guān)研究起步較晚，在2009年僅有中國石油管道研究中心和北京安科管道工程有限公司掌握了管道缺陷的碳纖維復合材料修復技術(shù)[17]。

由于三通結(jié)構(gòu)上幾何形狀不連續(xù)性的特點，成為管道中較為薄弱的環(huán)節(jié)。筆者以三通為研究對象，開展碳纖維補強技術(shù)對局部減薄缺陷修復的研究。

1 無缺陷三通的極限載荷分析

筆者研究工業(yè)管道中常用的支、主管徑比不小于0.5的三通。設定主管直徑為406.4mm，支管直徑為219.1mm。應用ABAQUS有限元軟件，采用增量法計算三通的極限載荷。為便于分析，設定主管和支管的材料相同(X80HD)，相應的力學性能參數(shù)為：彈性模量197.1GPa，泊松比0.3，屈服強度540MPa。設定內(nèi)壓載荷均勻施加于模型的內(nèi)表面，取值為100MPa。同時為了模擬支、主管端封閉的條件，在主、支管端面施加由載荷引起的等效均布拉應力分別為235、779MPa。選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應力最大點的載荷和應變的關(guān)系，利用二倍斜率準則，得到無缺陷三通的極限載荷為81.95MPa。

2 含缺陷三通的極限載荷分析

圖1 三通典型部位

圖2 缺陷尺寸示意圖

表1 影響因素與水平

表2 極限載荷的計算模型和結(jié)果

圖3 含缺陷三通應力分布云圖

采用直觀法對計算結(jié)果進行分析。以缺陷三通的極限載荷PL與無缺陷三通極限載荷PL0之比為縱坐標，以各影響因素為橫坐標作圖(圖4)，可觀察到各因素對缺陷三通極限載荷的影響。

a. 缺陷相對深度與極限載荷

b. 缺陷相對周向長度與極限載荷

c. 缺陷相對軸向長度與極限載荷

由圖4可見，局部減薄缺陷的深度對三通極限載荷的影響最大，極限載荷隨深度的增加呈直線下降；局部減薄缺陷的軸向長度對極限載荷有一定影響，隨著軸向長度增加極限載荷有一定減??；局部減薄缺陷的周向長度對極限載荷影響不大。

3 碳纖維修復三通極限載荷分析

碳纖維復合材料具有很好的拉伸強度和很高的彈性模量，力學參數(shù)與鋼材的數(shù)值很接近，是管道補強的理想材料[20]。碳纖維修復時，首先使用環(huán)氧樹脂填平缺陷處，然后使用專用粘結(jié)劑將碳纖維修復層貼補在需要補強的管道外壁，形成碳纖維復合材料的補強層[1]。補強層固化后，可以與三通形成一體，分擔管道承受的載荷，限制缺陷處由內(nèi)壓引起的徑向膨脹和環(huán)向拉伸應力，從而達到恢復管道正常承壓能力的目的[13]。

修復效果的影響因素主要有缺陷幾何尺寸和碳纖維層幾何尺寸。由于局部減薄深度對三通的極限載荷影響很大，所以缺陷深度是主要的研究因素。

3.1修復材料的基本參數(shù)

根據(jù)文獻[21]，設定修補劑環(huán)氧樹脂的抗壓強度為103MPa，彈性模量2.0GPa、泊松比0.3；碳纖維復合材料經(jīng)向彈性模量20GPa，緯向彈性模量21GPa，法向彈性模量20GPa，泊松比0.3。

設定碳纖維層幾何尺寸時，為便于分析，同樣采用無因次參數(shù)，分別為碳纖維層相對厚度a1/a、相對軸向長度L1/L和相對周向長度θ1/θ。a，L和θ分別為缺陷的深度、軸向長度和周角；a1和L1為碳纖維層的厚度和軸向長度，θ1為碳纖維層自缺陷開始的周角(圖5)。筆者所設定的缺陷在三通主管腹部，離相貫線較近，采取相貫線處全覆蓋碳纖維層至三通支管的方法。由于支管處未設定缺陷，出于節(jié)省考慮，只貼補較薄的碳纖維層，設定為支管壁厚的1/4。考慮到缺陷深度對三通的極限載荷影響最大，所以缺陷深度與碳纖維層幾何尺寸的關(guān)系為主要研究因素。

圖5 碳纖維鋪設方案

3.2針對極限載荷最小的缺陷三通的碳纖維修復方案

固定a/t=0.8，設定θ1/θ=3/2和L1/L=5/4，具體方案見表3。

表3 不同厚度的計算模型及修復效果

由表3可知，當a1/a=3/8即a1/t=3/10時,已基本恢復缺陷三通承載能力；當a1/a=4/8即a1/t=4/10時，修復后三通的極限載荷已遠大于無缺陷三通的極限載荷，說明用材浪費。

固定a/t=0.8，a1/a=3/8即a1/t=3/10，改變θ1/θ和L1/L，具體方案見表4。

由表4可以看出，θ1/θ=3/2和L1/L=5/4修復效果最好，也無需進行周向和軸向長度的加大試算。兩者中任一參數(shù)減小時，均使極限載荷減小，不滿足安全要求。當θ1/θ=7/4和L1/L=11/8時，雖然碳纖維層的周向及軸向長度都增加，但修復后三通的極限載荷沒有明顯增加，說明用材浪費。

表4 不同周向長度和軸向長度的計算模型及修復效果

根據(jù)表3、4的設計方案進行建模,計算結(jié)果的應力分布云圖如圖6所示。選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應力最大點，即三通肩部相貫線處應力最大點，研究其載荷和應變的關(guān)系，利用二倍斜率準則計算出不同相對厚度，相對周向長度和軸向長度下修復三通的極限載荷。

圖6 碳纖維補強模型應力分布云圖

3.3針對不同缺陷深度的三通的碳纖維修復方案

改變?nèi)毕萆疃?，保持a1/a=3/8，θ1/θ=3/2和L1/L=5/4不變。并且在每種缺陷深度中，選擇極限載荷最小的缺陷三通。因缺陷深度a不是定值，為便于分析引入?yún)?shù)碳纖維層厚度和壁厚的比值a1/t。建立碳纖維修復模型并計算，選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應力最大點用二倍斜率法求出極限載荷，具體方案見表5。

表5 改變?nèi)毕菹鄬ι疃鹊挠嬎隳Ｐ图敖Y(jié)果

由表5可得，當(a/t)>0.5時，若a1/a=3/8，則(a1/t)>15/80，修補后三通的極限載荷最為接近無缺陷三通的極限載荷，是合理的修復方案。

當(a/t)<0.5時；若a1/a=3/8，則(a1/t)<15/80，極限載荷明顯下降，需另行設計。碳纖維層的相對周向和軸向長度對修補效果影響沒有相對厚度顯著，采用改變碳纖維層相對厚度a1/a的方法設計，為便于分析引入?yún)?shù)碳纖維層厚度和壁厚的比值a1/t。建立有限元模型計算，選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應力最大點,用二倍斜率法求出極限載荷，方案見表6。

由表6可得，當(a/t)<0.5時，若a1/a=6/8則 (a1/t) <30/80，修補后三通的極限載荷已非常接近無缺陷三通的極限載荷，是合理的修復方案。由于隨著缺陷深度的減小，參數(shù)a1/a中與之對應的碳纖維層補強厚度就減小，而補強所需的碳纖維層厚度不能過小，所以隨a/t減小，a1/a反而增大。另結(jié)合表5、6可得，在不同缺陷深度下，合理的碳纖維層厚度與壁厚的比值a1/t，最小不低于12/80，最大不超過30/80。

表6 增加碳纖維層厚度的計算模型和結(jié)果

4 結(jié)論

4.1局部減薄缺陷中，深度對三通的極限載荷影響十分顯著，隨著局部減薄深度的增加，極限載荷呈直線下降；局部減薄缺陷的軸向長度對極限載荷有一定影響，隨著軸向長度增加極限載荷有一定減?。痪植繙p薄缺陷的周向長度影響不大。

4.2碳纖維層相對缺陷周向角度θ1/θ=3/2和相對軸向長度L1/L=5/4時，修復效果最好，在合理修復厚度下，可以接近無缺陷三通的極限載荷；當θ1/θ和L1/L中的任一參數(shù)小于該方案時，補強不滿足要求；當θ1/θ和L1/L加大時，補強效果基本不變。

4.3當缺陷相對深度(a/t)>0.5時，若a1/a=3/8，補強后三通的極限載荷基本接近無缺陷三通的極限載荷；當(a/t)<0.5時，若a1/a=6/8，修補后三通的極限載荷基本接近無缺陷三通的極限載荷，是合理的修復方案。且在不同缺陷深度下，合理的碳纖維層厚度與壁厚的比值a1/t最小不低于12/80，最大不超過30/80。

[1] 吳艷，袁宗明，劉暢，等. 碳纖維復合材料修補缺陷管道的應用進展[J]. 管道技術(shù)與設備，2011，(5)：4～5.

[2] 王飛，陳剛，劉應華，等. 內(nèi)壓下含局部減薄缺陷三通的極限分析[J]. 清華大學學報(自然科學版)，2004，44(11): 1517～1519.

[3] 邢麗，季偉勤. 淺談碳纖維補強技術(shù)在工業(yè)管道中的應用實踐[J].化工設備與管道. 2014, 51(3):61～64.

[4] 路民旭，陳迎鋒，董紹華，等. 管道維修補強技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].油氣儲運，2005，24(12):129～132.

[5] 白真權(quán)，王獻堃，孔杰.含缺陷管道補強修復技術(shù)發(fā)展及應用現(xiàn)狀分析[J]．石油礦場機械，2004，33( 1) : 41～43.

[6] 吳佳琉. 壓力管道缺陷的碳纖維復合材料修復補強技術(shù)研究[D]. 上海：華東理工大學，2014.

[7] 王雅芬，李榮光，馮少廣，等. CFRP修復城市燃氣管道焊縫缺陷的可行性[J]. 油氣儲運，2012，31(9): 674～676.

[8] 付明福，梁宏，劉國，等. 碳纖維復合材料修補缺陷管道的應用實踐[J]. 油氣儲運，2009,28(2)：68～70.

[9] 李天成. 榆林-濟南天然氣管道缺陷復合材料修復設計[J]. 天然氣工業(yè)，2012，32(10):78～79.

[10] 張煙生, 馬源, 宋利濱. 碳纖維復合材料修復儲氣井腐蝕缺陷的有效性分析[J]. 化工機械，2013,40(4):466～470, 475.

[11] 嚴彬濤.碳纖維材料在石油行業(yè)中的應用[J].金屬世界，2013，(5):8～10.

[12] Cuthill J. Advances in Materials, Methods, Help Gain New Users[J]. Pipeline & Gas Journal, 2002,229(11):64～66.

[13] 周祥，李勇，鄭曉春，等. CFRP用于鋼制管道管體缺陷修復的適用性評價[J]. 油氣儲運，2015，34(9): 978～982.

[14] Alexander C R. Guidelines for Repairing Damaged Pipelines Using Composite Materials[R]. Nashville：NACE International Corrosion Conference，2007．

[15] Batisse R. Review of Gas Transmission Pipeline Repair Methods [M].Berlin: Springer Netherlands，2008: 335～349．

[16] Batisse R，Hertz C S. A Review of Various Repair Techniques for Gas Transmission Pipelines: Advantages，Limitations and Developments[R]. Paris：International Gas Research Conference，2008．

[17] 李樞一，張建興，趙麗恒，等. 油氣管道碳纖維復合材料修復技術(shù)及應用[J]. 管道技術(shù)與設備，2013，(2):38～39.

[18] 王飛，陳鋼，劉應華，等. 內(nèi)壓下含局部減薄等徑三通極限載荷的數(shù)值分析[J]. 工程力學，2005，22(5):218～224.

[19] 沈士明，鄭逸翔．含局部減薄缺陷管道的極限載荷與安全評定[J]．石油機械，2004，32(6)：17～20.

[20] 錢伯章. 國內(nèi)外碳纖維應用領(lǐng)域、市場需求以及碳纖維產(chǎn)能的進展 [J]. 高科技纖維與應用，2010，(2)：29～33.

[21] 馬明利. 慶-哈輸油管道腐蝕缺陷評估與補強技術(shù)研究[D]. 大慶：東北石油大學，2011.

CarbonFiberRepairingTechnologyforTeewithLocally-thinnedExternalSurface

ZHANG Xin, ZHAO Jian-ping

(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing211816,China)

Considering the fact that tee under internal pressure has locally-thinned external surface and starting with the limit load analysis, the influence of this locally-thinned external surface’s size on the tee’s bearing capacity was discussed and the carbon fiber repairing scheme for it was designed; through having this surface defect’s relative thickness, the circumferential length and the axial length as well as the bearing capacity considered and the means of the finite element analysis adopted, the optimal repairing scheme was proposed.

tee, locally-thinned external surface, carbon fiber repairing technology, limit load

*章 昕，女，1992年10月生，碩士研究生。江蘇省南京市，211816。

TQ055.8

A

0254-6094(2016)06-0810-06

2016-04-14，

2016-05-31)