碳纤维修复补强技术在炼化工业管道中的应用_万泽贵.pdf

应 用 技 术石油化工腐蚀与防护 CORROSION PROTECTION IN PETROCHEMICAL INDUSTRY2023 年第 40 卷 第 2 期引用格式:万泽贵 碳纤维修复补强技术在炼化工业管道中的应用J 石油化工腐蚀与防护，2023，40(2):44-48WAN Zegui Appli-cation of carbon fiber reinforcement technology in refining and chemical industry pipelineJ Corrosion Protection in Petrochemical Industry，2023，40(2):44-48碳纤维修复补强技术在炼化工业管道中的应用万泽贵(上海华子新材料科技有限公司，上海201612)摘要:阐述了碳纤维修复补强技术的基本原理以及补强层的主要组成、各部分性能、选用原则和施工要点。介绍了该技术在炼化工业管道中的应用，特别是在保温层下腐蚀和内腐蚀两种典型环境下的具体应用，从腐蚀原因、腐蚀形貌、补强选择方式、使用过程中的监检测等方面进行研究，并对该技术存在的问题进行探讨。研究表明:碳纤维对外腐蚀环境下的管道补强效果优于内腐蚀环境下的管道补强效果;外腐蚀环境下管道表面处理效果、碳纤维和管道的贴合程度决定补强层的使用寿命;内腐蚀环境下管道补强时必须刷涂高聚陶瓷修补剂，建议只临时使用并进行监测跟踪;对存在内腐蚀和裂纹等缺陷的高温、高压管道不建议使用。关键词:碳纤维;补强;修复;炼化工业管道收稿日期:2022-10-21;修回日期:2022-11-04。作者简介:万泽贵(1982)，工程师，本科，2006 年毕业于沈阳理工大学金属材料专业，主要从事石化设备腐蚀与防护研究工作。E-mail:wanzegui163 com炼化工业管道在运行期间由于外部环境和内部介质都存在腐蚀因素，会造成管道的腐蚀减薄、泄漏等影响安全运行的隐患。为处理这些隐患，一般采用焊接、夹具和纤维复合材料三种方法对管道进行修复补强，在一定时间内增加管道强度，恢复管道安全运行。其中的纤维复合材料主要是指玻璃纤维和碳纤维，碳纤维修复补强技术具有不动火和不停运的优点，近年来在国外管道修补方面有很多成功应用的案例，目前已在国内长输油气管道和城镇燃气管道中得到应用1-3。1碳纤维修复补强技术简介1 1基本原理碳纤维修复补强技术与常用的补焊、夹具等打补丁的管道缺陷修复手段相比，其区别在于可将碳纤维材料直接粘贴在待修复区域，利用纤维在其长度方向上的高强度特性，依靠热固性树脂基体增强，采用湿铺工艺在有缺陷的管道外包覆一个复合材料层，对管道进行修复补强，补强层与管道形成一体，分担管道承受的载荷，降低管道的应力，达到对管道补强的目的，恢复管道的正常承压能力 4-5。1 2补强层主要组成碳纤维修复补强层主要由碳纤维布、黏浸胶(高强度树脂基黏结剂)、环氧底漆和专用修补剂四个部分组成，补强层组成见图 1，前两个部分组成碳纤维复合材料，承担管道的内压;环氧底漆防止电偶腐蚀;专用修补剂用于填补缺陷，传递压力;四个部分作为一个整体共同作用在管道上。图 1碳纤维修复补强层组成44第 2 期万泽贵 碳纤维修复补强技术在炼化工业管道中的应用应 用 技 术1 3补强层各组成部分的性能1 3 1力学性能一般的碳纤维强度大于3 500 MPa，弹性模量大于 230 GPa，伸长率大于 1 5%。1 3 2耐温性能整个补强层的耐温性能主要受高强度树脂基黏结剂耐温性能的影响，树脂基黏结剂需要与碳纤维完全浸润成为一体，目前常用的树脂基黏结剂主要有环氧基和乙烯基两类，其最高使用温度一般在 120 左右，经特殊改性后其使用温度可提高至 200。1 3 3耐蚀性能整个补强层的耐蚀性能主要由树脂基黏结剂的耐蚀性能决定，一般的树脂基黏结剂的耐蚀性能良好，环氧树脂基黏结剂不耐硝酸和浓硫酸等强氧化剂的腐蚀，聚乙烯基黏结剂耐稀酸、稀碱、盐、醇和烷烃等介质的腐蚀，但在酯、酮、芳烃和卤代烃中会被溶解破坏。补强层底层的修补剂也会起到一定的耐蚀作用。1 4补强层各组成部分的选择1 4 1修补剂的选择修补剂一般分为两种，一种是高聚陶瓷修补剂，主要用于内腐蚀环境，当母材出现缺陷时，采用高聚陶瓷修补剂对其进行修补，可以隔绝母材与介质的直接接触，提高母材的耐磨耐腐蚀性能;另一种是环氧类修补剂，主要用于外腐蚀环境。1 4 2环氧底漆的选择根据管道的工作温度选择对应的环氧底漆，环氧底漆不仅能够增强基材与复合材料之间的黏附力，而且可以隔绝复合材料与金属之间的连通，避免电偶腐蚀的发生。1 4 3补强层数的选择补强层数主要与管道内径、运行压力、剩余壁厚、内部介质、缺陷状况和修复后的期望服役时间等因素有关。补强层数的选择见表 1。1 4 4管道防腐层的选择在管道补强层外恢复原有防腐层，若管道有阴极保护也应恢复。快速固化抗紫外线树脂能耐紫外线照射，抗腐蚀性能好，可快速固化，适用于暴露在日照下的管道防腐。聚乙烯胶黏带适用于较规则的管道防腐。抗老化防腐涂料与碳纤维复合材料的结合性能较好，适用于不规则形状结构的管道防腐。表 1补强层数的选择缺陷类型缺陷深度补强层数(双向)外腐蚀20%220%35%335%45%445%60%5内腐蚀20%320%35%535%8机械损伤20%320%35%435%50%5焊缝缺陷4裂纹20%3穿孔51 5碳纤维补强施工工序1 5 1管道表面处理针对外腐蚀环境，需要通过喷砂除锈或手工打磨除锈对管道表面进行处理，使管道表面除锈等级达到 St3 级标准;针对内腐蚀环境，只需采用手工将管道表面的油漆和油污去除，然后使用酒精清洗，干燥后涂刷专用修补剂。1 5 2管道表面缺陷填平采用专用修补剂将管道表面缺陷处填平，修补剂一般在 25 下 30 min 内完成固化。1 5 3刷涂底漆在管道外表面均匀刷涂 1 mm 厚度以上的环氧底漆，起到防止电偶腐蚀的作用，环氧底漆和环氧树脂基体材料固化速度基本相同。1 5 4粘贴碳纤维片材碳纤维片材可采用湿铺工艺铺设，应在30 min内铺设完成。拼接碳纤维层时宜采用节段搭接方式，搭接宽度保证在 5 cm 左右，不建议采用螺旋搭接方式。碳纤维复合材料初步固化时间为0 5 4 h，可以通过辐射加温的方式加速固化。为了增强界面的黏结力，也可以采用真空辅助工艺。1 5 5复合材料硬度测试采用邵氏硬度计对复合材料硬度进行测试，邵氏硬度在 75HD 以上即为合格，硬度测试的主要目的是为了验证材料固化和空鼓情况。1 5 6补强层防护在碳纤维复合材料外部缠绕聚乙烯胶黏带或刷涂防腐保护层。54应 用 技 术石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷2碳纤维修复补强技术典型应用2 1管道保温层下腐蚀2 1 1腐蚀原因管道在气候潮湿、多雨的环境下服役，当管道保温不佳或工作温度较低时，保温层中大量水分滞留，水分进一步溶解保温材料中的盐分并在管道外壁聚集，若涂层防护又不到位时，管道很容易发生保温层下腐蚀。2 1 2腐蚀形貌保温层下腐蚀主要分为两种类型:一种是发生在碳钢和低合金钢材料上的均匀腐蚀和坑蚀，具体情况见图 2;另一种是发生在不锈钢材料上的坑蚀和应力腐蚀开裂。均匀腐蚀和坑蚀可以采用碳纤维复合材料进行修复，而应力腐蚀开裂则不建议使用碳纤维复合材料来进行修复。图 2保温层下腐蚀2 1 3碳纤维修复补强对于由外腐蚀引起的材料减薄缺陷，适合采用碳纤维进行修复补强，根据使用温度、压力和腐蚀缺陷设计修复方案，在现场按补强程序对其进行碳纤维包覆处理，现场修复效果见图 3。图 3外腐蚀缺陷现场修复效果2 1 4修复补强后的检查检测跟踪建立碳纤维修复补强台账，包括补强时间和补强原因等，定期进行检查检测，外观检查包括碳纤维补强是否存在损坏、老化和粉化等情况，确保所有碳纤维补强都在有效监控范围内。对于因管道减薄而进行补强的情况，要利用停工检修机会对管道进行更换处理;对于采取预防性补强防腐手段的补强点，要检查其外观是否完好，是否存在破损、老化和粉化现象，并将其列为巡检重点，现场挂警示牌警示。对于存在破损、老化和粉化现象的补强点，应打卡子或切出更换处理。2 2管道内腐蚀2 2 1腐蚀原因加氢装置高压空冷器出口管道在使用过程中发现局部管段腐蚀减薄，管道内腐蚀相关信息见表 2，其现场布置见图 4。表 2管道内腐蚀相关信息项目信息操作温度/60介质油、氢气管道材质20 号钢原始壁厚/mm18腐蚀部位封头侧下部操作压力/MPa15检测部位封头出口部位管道规格/mmDN100 6减薄率，%6830腐蚀形貌坑状空冷器出口管道腐蚀的主要原因为管道内部存在油气水多相流介质，气相中含有 H2S 和NH3，当气相温度降低时易生成 NH4HS 等腐蚀性介质，溶于液相水中会形成强腐蚀性溶液，造成管道的腐蚀失效。64第 2 期万泽贵 碳纤维修复补强技术在炼化工业管道中的应用应 用 技 术图 4管道现场布置2 2 2腐蚀形貌管段脉冲涡流检测图谱见图 5。从图 5 来看，该管段存在明显的坑蚀，解剖后也发现明显的腐蚀减薄现象，其腐蚀形貌见图 6。图 5管段脉冲涡流检测图谱图 6管段解剖后宏观腐蚀形貌2 2 3碳纤维修复补强装置运行半年后停工检修，发现管道减薄严重，已无法满足生产要求，为维持正常生产对该部位进行修补，按补强程序在该部位包覆碳纤维，修复效果见图 7，这样便可维持半年，之后进行装置停工消缺检修，再对其进行整体更换。图 7管道减薄部位现场修复效果2 2 4修复补强后的检查检测跟踪在高压空冷器出口管道减薄严重部位包覆碳纤维，并重新对其进行了脉冲涡流检测，发现碳纤维补强材料对涡流检测结果的影响不大，可以采用涡流检测技术监控修复补强后管道的减薄情况，采取定部位、定周期的监控模式对补强部位进行腐蚀监测跟踪。补强部位的脉冲涡流检测图谱见图 8。图 8补强部位的脉冲涡流检测图谱3结论(1)碳纤维修复补强技术具有不动火和不停运的优点，可以避免由于焊接施工与非计划停车所带来的各种风险，特别是对一些含有可燃性和爆炸性介质的管道尤为适用。(2)碳纤维修复补强技术是一种补强手段，74应 用 技 术石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷不是堵漏手段，使用前需先完成堵漏;碳纤维对外腐蚀环境下的管道补强效果优于内腐蚀环境下的管道补强效果，如果对外腐蚀环境下的管道进行表面处理的效果能达到 St3 级标准，则可以长期使用碳纤维修复补强技术。管道表面处理效果、碳纤维和管道的贴合程度直接影响碳纤维修复补强层的使用寿命。(3)针对内腐蚀环境下的管道采用碳纤维进行修复补强，其使用寿命受到介质对母材的腐蚀影响，在施工时要慎重，必须刷涂专用修补剂(高聚陶瓷修补剂，厚度在 1 mm 以上)，可以提高母材的耐磨耐腐蚀性能，避免腐蚀介质沿着碳纤维界面两端渗出，保证碳纤维使用效果，一般只建议临时使用，使用期间应进行腐蚀检测跟踪，遇装置检修时应适时对管道进行更换处理。(4)碳纤维修复补强技术在工业应用时，建议工作压力不超过 6 0 MPa。高温型碳纤维材料在工业管道中成功使用的最高温度为 198，选择补强材料型号时，除考虑管道内部介质温度之外，还应考虑管道停工吹扫时的介质温度，避免管道停工吹扫时出现泄漏问题。(5)针对高温、高压管道的内腐蚀和裂纹等缺陷类型制定碳纤维修复方案时一定要慎重，若无法满足施工要求，应果断放弃此修复方案。参考文献 1吴艳，袁宗明，刘畅，等 碳纤维复合材料修补缺陷管道的应用进展J 管道技术与设备，2011(5):4WU Y，YUAN Z M，LIU C，et al Carbon fiber composite systemapplied to repair pipelineJ Pipeline Technology and Equip-ment，2011(5):4 2付明福，梁宏，刘国，等 碳纤维复合材料修补缺陷管道的应用实践J 油气储运，2009，28(2):68FU M F，LIANG H，LIU G，et al Applying carbon fiber com-posite system to repair defective pipeJ Oil Gas Storageand Transportation，2009，28(2):68 3刘杨 油田压力管道碳纤维补强技术J 油气田地面工程，2008，27(7):79LIU Y Carbon fiber reinforcement technology of oilfield pres-sure pipelineJ Oil-Gas Field Surface Engineering，2008，27(7):79 4李枢一，张建兴，赵丽恒，等 油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用J 管道技术与设备，2013(2):38LI S Y，ZHANG J X，ZHAO L H，et al Application of carbonfiber composite repair technique to oil and gas pipelineJPipeline Technology and Equipment，2013(2):38 5邢丽 碳纤维补强技术在石化装置上的应用J 石油化工技术与经济，2015，31(3):43XING L Application of reinforcement technology by using car-bon fiber in petrochemical plantsJ Technology Economicsin Petrochemicals，2015，31(3):43(编辑唐应彪)Application of carbon fiber reinforcement technology in refiningand chemical industry pipelineWAN Zegui(Shanghai Huazi New Material Technology Co，Ltd，Shanghai 201612，China)Abstract:The basic principle of carbon fiber reinforcement technology was introduced，as well as main composition，performanceof each part，selection principle and construction essentials of reinforcement layer Through application of the technology in refi-ning and chemical industry pipeline，especially for the specific application of two typical environments(external corrosive envi-ronment under insulation layer and internal corrosive environment)，aspects such as corrosion cause，corrosion morphology，rein-forcement selection method，monitoring and detection were studied，existing problems of the technology were discussed The re-search suggested that the carbon fiber in external corrosive environment has better reinforcing effect than that in internal corrosiveenvironment;reinforcement layer service life is determined by pipeline surface treatment effect and fitting degree of carbon fiberand pipeline in external corrosive environment;high polymer ceramic repair agent should be applied for pipeline reinforcement ininternal corrosive environment，and it is advised to use temporarily with tracking;high temperature and high pressure pipelinewith internal corrosions and cracks is not recommendedKey words:carbon fiber;reinforcement;repair;refining and chemical industry pipeline84