碳纤维修复管道的水压试验以及模拟验证

李宝荣张建昌许忠伟王立涛王 勃曾维国(.中国石油长庆油田分公司第三输油处，宁夏 银川 750000 .中国特种设备检测研究院，北京 00000）



碳纤维修复管道的水压试验以及模拟验证

李宝荣1张建昌1许忠伟1王立涛1王 勃1曾维国2
(1.中国石油长庆油田分公司第三输油处，宁夏 银川 750000 2.中国特种设备检测研究院，北京 100000）

摘 要：针对碳纤维复合材料对含缺陷管道的修复能力，专门设计了水压爆破试验；在水压试验中管道加压破裂的位置并未出现在修复区内，且修复区内管道变形量较小。接着，对加压过程进行了有限元模拟，经过模拟验证发现，两者承受的极限压力基本一致，并且在极限状态下，修复区碳纤维复合材料的应力值未超过其拉伸破坏强度。最终通过对比得出：碳纤维复合材料能有效地修复管道缺陷，恢复缺陷处的承压能力。

关键词：管道 碳纤维复合材料 修复 水压试验 模拟验证

李宝荣（1965-），陕西人，本科，高级工程师，长期从事科技管理、基层建设与管理工作。

0 前言

近些年，我国油气管道里程不断增加，初步形成了“横贯东西，纵贯南北”的管道运输网。然而，随着油气管道在役时间的增加，再加上敷设地区周围环境复杂多变[1]，许多管道由于机械损伤或金属腐蚀等原因，形成了各种各样的管体缺陷，这些缺陷的存在会严重影响油气管道的运行安全[2]，导致泄漏、爆裂事件的发生。因此采取合适有效地的措施对管体缺陷进行修复，以预防事故发生尤为重要。针对管体缺陷主要的修复措施包括：焊瘤补疤、套管、夹具、玻璃钢补强、碳纤维补强等[3]，其中碳纤维复合材料补强技术因其具有不停输、不动火、不需焊接、耐腐蚀、施工方便等一系列特点[4]，逐渐成为国内外广泛使用的一种新型补强技术。下面，将利用水压试验和有限元模拟验证相结合的方法[5]，测试含缺陷管道采用碳纤维复合材料补强后的承压能力[6]，分析其补强效果，为碳纤维复合材料修复技术在实际工程中的应用提供参考依据。

1 水压试验

由于目前所有补强技术修复的缺陷只能为非扩展型缺陷，对于疲劳损伤等引起的扩展型缺陷，不建议修复，而是直接换管，所以选用容易加工的机械缺陷来进行水压试验。

试验选取管材为Q235的钢管，其基本力学性能数据：屈服强度为235MPa，抗拉强度为428MPa，弹性模量取203GPa，泊松比为0.3。管道长度6m，规格为426×8mm。在该试验管段加工一环向机械切割缺陷，缺陷的环向长度为58.2mm，宽度为1mm，深度为4.6mm，距离管道一端0.7m，缺陷形状尺寸如图1所示。

图1 水压试验管道的机械缺陷

对于加工好的机械缺陷，首先需要进行打磨，在打磨完成以后，再次核准缺陷的深度和长度，并清洁缺陷表面，保证光洁；接着采用腻子对缺陷处填平，涂抹粘胶剂；最后，使用碳纤维复合材料对水压试验管道的缺陷进行缠绕修复，修复方案选取基于管道的许用应力设计复合材料修复厚度的方法[7]。试验中选用PerpeWrap®ST85双向碳纤维复合材料修复系统，其轴向设计应力为382MPa，环向设计应力为740MPa。

通过计算得到的缺陷管段环向修复层数为5层，轴向修复层数为1层，修复长度300mm。在进行试验前，对试验管道两端采用焊接封堵。在距离修复位置较远端的封头设计注水管进行加压，如图2所示。并在管道加压泵出口处安装压力表，用于监控加压过程中管道内压变化情况。

实验开始后，随着压力的不断上升，当大约14MPa时，试验管段中间位置开始出现鼓胀；继续加压，鼓胀程度加大，当加压达到峰值，约15.2MPa时，鼓胀最为严重；随后压力值出现下降趋势，在压力为14.9MPa时，管道在鼓胀最严重区开始起裂，裂纹沿轴向扩展；当扩展穿过鼓胀区，在鼓胀与未鼓胀的边界位置处，裂纹扩展方向发生变化，偏转角度约45°，继续扩展直至止裂。水压试验管道的鼓胀和破裂位置如图3所示。

图2 碳纤维缠绕修复后的含缺陷试验管道

从图3中可以看出：管道开裂位置并未发生在管道缺陷修复区内，且在整个加压过程中，缺陷修复区域的管道变形量都很小。

图3 试验管道的鼓胀与破裂

2 模拟验证

为了进一步研究管道缺陷修复处在加压过程中的应力响应情况，采用有限元方法模拟试验管道的加压过程，由于试验管道、缺陷和修复区都具有对称性[8]，取所建管道、缺陷和修复区有限元模型的二分之一进行分析，如图4所示，单元选用C3D8R，管道和碳纤维材料的几何尺寸、力学性能与水压试验完全相同。

对有限元模型进行加载，观察管道缺陷修复区域管体与修复材料的应力变化情况以及极限状态下的承压能力。随着内压的不断增大，管道缺陷修复区的应力明显低于其它区域，在修复区与未修复区交接处，存在半个管径的应力过渡区。

当加压到16MPa的极限状态，试验管道的Mises应力状况如图5所示。从图5中可以看出：管道修复区由于受到碳纤维复合材料的约束，变形量明显小于未修复区。同时，在极限状态下，未修复区管道的Mises应力值达到400MPa，远超过管材的屈服强度235MPa，接近管材的抗拉强度428MPa；而修

复区管道的Mises应力才刚刚超过屈服强度，在240-290MPa之间，并且修复区内碳纤维复合材料的应力值也未超过其设计应力。

图4 水压试验的有限元模型图

图5 试验管道极限状态下的Mises应力云图

图6为试验管道在极限状态下的环向应力云图，在极限内压下，修复区管道受到碳纤维材料的保护，其环向应力明显低于未修复区管道的环向应力，平均值为300MPa左右，最大值约为380MPa，主要原因是缺陷处应力集中所致；同时碳纤维复合材料的环向应力在200MPa左右，远低于其设计压力740MPa。而此时，未修复区管道的环向应力已达到426MPa，几乎等于管材的抗拉强度。

3 结论

通过水压试验与有限元模拟验证，可以得出：碳纤维复合材料能够有效地修复管道缺陷，修复后的管道可以基本恢复承压能力。不过，在实际工程中，管道的缺陷类型、缺陷尺寸、缺陷位置以及现场修复情况等，都可能影响的到碳纤维复合材料的最终修复效果。

参考文献

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[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):68-70.

[3]白真权,王献昉,孔杰.含缺陷管道修复补强技术发展及应用现状分析[J].石油矿场机械,2004,33(1):41-43.

[4]马卫锋,唐凡,梁兵等.管道修复补强用复合材料现场检测及评价指标体系[J].石油工程建设,2013,39(6):56-59.

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[6]Toutanji H, Dempsey S.Stress modeling of pipelines strengthened with advanced composites materials[J].Thin-Walled Structures, 2001, 39(2):153-165.

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[8]王勇军,王鹏,王峰会等.含缺陷高压管道复合材料补强有限元模拟[J].压力容器,2007,24(10):13-16.

图6 试验管道极限状态下的环向应力云图

中图分类号：TE973

文献标识码：B

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.019.02

Hydrostatic Test and Simulation Verification of Pipeline with Carbon Fiber Repair

LI Bao-rong, ZHANG Jian-chang, XU Zhong-wei, WANG Li-tao,WANG Bo,ZENG Wei-guo
(1.National Petroleum Corporation，Yinchuan 750000, China 2.The third oil-transport department of Changqing oil feild,Beijing 100000,China )

Abstract：Aimed at the repairing ability of the carbon fiber composite materials for the pipeline containing defects, the hydrostatic test is specially designed.In the process of the hydrostatic test, the rupture position does not appear in the repair area, and in the repair area the pipeline deformation is small.Next, the finite element simulation of the pressuring process has been carried on, which shows that the extreme pressure of the pipeline is basically identical in both cases, and under the limit state, the stress value of carbon fiber composite materials in the repair area is not more than the tensile failure strength.Eventually, by comparison the conclusion is obtained: The carbon fiber composite materials can effectively repair pipeline detects and restore the bearing capacity of the pipeline containing detects.

Keywords:pipeline; carbon fiber composite materials; repair; hydrostatic test; simulation verification