碳纤维修复补强技术在炼化工业管道中的应用_万泽贵.pdf
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1、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、(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
3、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
4、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
5、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
6、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,
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
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