專利名稱：用玄武巖纖維復合材料對管道修復補強或增強的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用樹脂基玄武巖纖維復合材料對管道，特別是金屬管道進行 修復補強和/或增強的技術，更具體地，本發(fā)明涉及對管道，特別是金屬管道 修復補強的補強材料，該材料為樹脂基玄武巖纖維復合材料，用所述材料對 管道缺陷進行修復補強的方法，以及所述材料和方法在油氣輸送管道缺陷的 修復補強中的應用。
背景技術：
油氣管道運輸是五大運輸產業(yè)之一，僅目前我國油氣長輸管道就達3萬 余公里。這些管道在長期服役過程中，由于受到地層壓力、土壤腐蝕、電偶 腐蝕、外力損傷等作用，造成管道爆裂、泄漏等事故發(fā)生；或者由于輸送要 求的提高，現有的輸送能力不足或者設計能力不足，不能按要求提壓；或者 由于管道經過的地區(qū)類別發(fā)生變化，安全性有更高要求時，這些均影響管道 的正常輸送作業(yè)。國內外常有油氣管道爆破和泄漏事故發(fā)生，如1989年， 前蘇聯烏拉爾輸氣管道爆破一次傷亡1024人；北美也曾發(fā)生輸氣管道一次 爆破開裂13公里的大事故。大量的現場調査表明，我國在役油氣管線60% 以上已進入事故多發(fā)期。通常，有缺陷的油氣輸送管道在運行作業(yè)時，往往 采取降壓輸送的做法；輸送要求提高或管道地區(qū)類別變化，而現有條件不能 滿足時，大部分是維持現有狀況，不得已時新建管道。這樣不僅影響了正常 的生產作業(yè)，而且大大增加了運行成本。因此開發(fā)一種效果好、安全性高、 便于實施的對管道進行修復補強和增強的方法是本領域追求的目標。在現有 的油氣管道外缺陷修復補強技術中，主要有傳統(tǒng)的焊接補疤和復合材料補強 等方法。由于焊接補疤過程中有可能發(fā)生焊穿和產生氫脆的危險，特別對于 不停輸的輸氣管線， 一般建議不采用此方法。而樹脂基復合材料由于具有輕 質高強、抗腐蝕、耐久性好、施工簡便、不影響結構的外觀等優(yōu)異特性，已 被國外的油公司用于管道補強。如美國Clockspring公司的復合材料補強技 術，它是采用間苯二甲酸型不飽和聚酯與E-玻璃纖維復合成片材，采用干鋪法包裹于金屬管道表面，在層與層之間用環(huán)氧粘結劑粘結。這種技術的缺點 有兩個 一是施工過程中，無法保證復合片材與管體、復合片材層與層之間 的緊密貼合；另一是玻璃纖維的彈性模量及強度均較低，所以補強層的厚度 會較厚，對后續(xù)防腐造成一定困難，'對基體承載能力的提高程度也很有限。 而北京科技大學等開發(fā)的復合材料補強技術因為成本較高，原料不易得以及 因為碳纖維原絲基本完全依賴進口等因素還需要進一步完善。
近年來并沒有關于使用玄武巖纖維進行管道維修補強和增強的報道以 及公開具體的實施方案。
玄武巖纖維是前蘇聯開發(fā)的一種無機纖維，是以天然玄武巖礦石為原料 熔制而成的纖維，具有抗拉強度高、彈性模量大、電絕緣性好、耐腐蝕和化 學穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，而且可在60(TC或者更高的溫度下使用，其性能全 面優(yōu)于普通的玻璃纖維。因為玄武巖熔化過程中沒有硼和其他堿金屬氧化物 排出，使玄武巖纖維的制造過程對環(huán)境無害，無工業(yè)垃圾，不向大氣排放有 害氣體，是新型的環(huán)保型纖維。
玄武巖纖維目前己經國產化，成本遠低于碳纖維，已經應用于纖維增強 水泥制品、路面土工隔柵、汽車用摩擦材料等領域。.

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用玄武巖纖維復合材料對管道進行修復補強 和/或增強的方法，其特征在于在管道需要修復補強和/或增強的部位鋪設玄武 巖纖維復合材料，該方法成本較低，安全可靠，便于施工。因為玄武巖纖維
體積電阻率和表面電阻率均大于101DQ m，具有良好的電絕緣性能和介電 性能，因此，玄武巖纖維復合材料可作為管道的絕緣層，完全不會發(fā)生類似 電偶腐蝕或其他電化學腐蝕的風險。
在管道需要修復補強和/或增強的部位鋪設玄武巖纖維復合材料的方法
之一包括以下步驟
(1) 在管道表面涂刷可固化聚合物；
(2) 鋪設高強度玄武巖纖維，并滾壓，使得可固化聚合物均勻浸漬玄 武巖纖維；
任選地重復(1)和(2)多次，然后進行固化。
這種方法為完全濕法粘貼，對于管體有焊疤或缺陷等凹凸不平處或管道 附件(如三通，彎頭，異徑管，法蘭、小管徑接頭等)處時，具有很好的施 工簡便性。在操作時，要盡量使可固化聚合物均勻分布，并且完全浸漬玄武 巖纖維。在鋪設玄武巖纖維時，要最大可能的減少氣泡，降低空隙率，必要 的時候可以采取抽真空等措施。
在管道需要修復補強和/或增強的部位鋪設玄武巖纖維復合材料的方法 還可以采用另外一種方法，包括以下步驟
(1) 在玄武巖纖維表面浸涂可固化聚合物，制成玄武巖纖維預浸料；
(2) 鋪設玄武巖纖維預浸料； 任選地重復(1)和(2)多次，然后進行固化。
這種方法為干法鋪設，較適用與現場管道條件較好，無較大的凹凸不平 處，并且非異形管道附件(如三通，彎頭，異徑管，法蘭、小管徑接頭等) 處，此時現場操作更為省時，有利于在現場搶修時爭取時間。
其中玄武巖纖維預浸料是指將可固化聚合物浸涂到玄武巖纖維上，通過 一定的處理過程形成一種儲存?zhèn)溆玫陌氤善?。預浸料的制備方法按可固化聚 合物浸漬纖維的方法不同大致有溶液浸漬法，熱熔浸漬和膠膜輾壓法，粉 末工藝法。 一般來說，預浸料大多需要低溫儲存，最近也有常溫儲存的產品。 預浸料因為可以預先制備，能嚴格控制其可固化聚合物的含量，從而 使得預浸料的質量更容易控制。固化時為了提高固化質量，可采取真空固 化。
在實際應用時，根據管道的具體情況，本專業(yè)技術人員可按照通常的缺 陷補強參數或管道增強設計方法確定玄武巖纖維復合材料層數、寬度和補強 材料用量。
上述方法中所述各層纖維復合材料對于管道可以沿管道軸向鋪設、環(huán)向 鋪設或以一定角度鋪設，也可以是幾種鋪設方式的任意組合。實際應用時，本 專業(yè)技術人員可根據管道的具體情況進行設計。
上述方法中所述的纖維是連續(xù)纖維，選自單向纖維、正交或斜交的無 緯布疊層、二維織物層合、多向編織纖維材料。實際應用時，可依據管道具 體情況選用。 一般情況下，為便于設計，多采用單向纖維。但是為了施工的
方便和安全性，有時也采用其他多向的纖維。
上述方法中所述的可固化聚合物包括基體材料以及任選的輔助材料； 基體材料為選自熱固性樹脂、熱塑性樹脂及高性能樹脂，優(yōu)選熱固性樹脂； 輔助材料選自固化劑、偶聯劑、引發(fā)劑、稀釋劑、交聯劑、阻燃劑、阻聚劑、 抗靜電劑、光穩(wěn)定劑以及填料。其中熱固性樹脂選自環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不 飽和聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰胺樹脂、有機硅樹脂、 烯丙基樹脂或其改性樹脂。
其中環(huán)氧樹脂與玄武巖纖維的黏結力強，機械性能高，介電性能優(yōu)良，耐 化學腐蝕性好，因此常選用環(huán)氧樹脂。
在對管道進行修復補強和/或增強之前，可以任選的對管道進行表面處理， 如除油，除銹，磷化，鈍化，偶聯等可提高界面結合力的處理，如果管道有不 平處，可以任選的用填平樹脂進行填平處理。
在玄武巖纖維復合材料外可以用外防腐材料進行防腐，包括聚脲或聚氨 酯噴涂、聚乙烯或聚丙稀冷纏膠粘帶纏繞。
其中需要修復補強和/或增強的部位包括有缺陷的管道、管道附件，或 無缺陷需要增強的管道、管道附件。其中所述的缺陷包括體積型缺陷、平面 型(裂紋型)缺陷、彌散損傷型缺陷(氫鼓泡、微裂紋)、幾何型缺陷(噘 嘴、錯邊等)。
用玄武巖纖維復合材料對管道進行修復補強和/或增強的方法可用于金 屬管道，非金屬管道，優(yōu)選金屬管道，更優(yōu)選在役油氣輸送管道。 為確保施工質量，玄武巖纖維的縱橫向搭接應保持一定長度。 作業(yè)區(qū)的防腐修復，應該在補強作業(yè)區(qū)域內各粘貼面的膠粘劑表千后進行。 為保證施工質量，在需要進行開挖和回填時，應該按照規(guī)定的施工要求 進行。例如對現場檢測已確定的缺陷位置，必須在現場監(jiān)護人員的監(jiān)護下實 施人工開挖。開挖過程中注意測量埋深，防止鐵器損壞防腐層及鋼管。在補 強施工完成，并確認開挖管段無漏點后，采用細沙或素土進行分層夯實回填， 并對現場進行清理和恢復地形原貌，保證管線的埋深達到設計要求。
下面通過對本發(fā)明具體實施方式
的描述，結合附圖對本發(fā)明的材料及方 法予以詳盡的說明。


圖1實驗用管現場圖片
圖2缺陷示意圖，缺陷尺寸49腿X18ramX3. 5mm
圖3缺陷處用300mm寬的玄武巖纖維復合材料補強后管道
圖4爆破后管道
具體實施例方式
為了進一步闡述本發(fā)明所涉方法及施工工藝，給出了下述實施例。但是， 這些實施例不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 實施例h用水壓爆破試驗方法對本發(fā)明的技術方案進行評價
為了檢驗本技術的實施效果，以小273鋼管為例，模擬輸油氣管道可能 存在的缺陷尺寸，采用水壓爆破試驗方法對該技術進行了評價。試驗用管及 缺陷示意見圖1。
試驗過程如下
1) 截取輸油氣管道常用管材管線3m (該管子為Q235螺旋焊管，管徑為 273mm，壁厚為7mm)，兩端用留有排氣孔、進水孔的封頭封堵(見圖l)。
2) 制作缺陷尺寸(49mmX18醒X3. 5mm)的缺陷。
3) 對需要補強的管體部位進行清理，以去除管子外表面的防腐層、銹蝕 及其他污物，并使其表面處理質量達到GB/T8923-1988中規(guī)定的St3級。
4) 然后將缺陷處用填平材料(環(huán)氧砂漿)填平。
5) 待填平材料表干后，在管道表面涂刷酚醛樹脂類可固化聚合物，然后 沿管道環(huán)向鋪設300mm寬的單向玄武巖纖維。重復幾次，共鋪設8層。如 圖3所示。
6)補強層固化后對試驗用管進行注水排氣，在檢查試樣注滿水并不漏水 的情況下，進行逐級加壓，直至試樣破壞，如圖4所示。
該爆破試驗結果顯示破壞是在未經修復補強的管體處產生的，破壞為
典型的撕裂型破壞；試驗管有明顯的膨脹現象，而經修復、補強的缺陷處并 無明顯變化；補強后的管體爆破壓力為16.7Mpa，遠高于試樣的設計工作壓 力(6.4Mpa)，表明該技術已經達到了補強的目的。
實施例2
跟實施例l類似，用玄武巖纖維復合材料對螺旋悍縫缺陷進行補強，然后 用靜水壓爆破實驗進行驗證其補強效果。
實驗過程如下
1) 截取輸油氣管道常用管材管線3.5m (該管子為Q235螺旋焊管，管 徑為325mm，壁厚為7mm)，兩端用留有排氣孔、進水孔的封頭封堵。
2) 在管道螺旋焊縫處制作尺寸(長X寬X深二60mmX10mmX5.16mm)
的缺陷。
3) 對需要補強的管體部位進行除油除銹處理。
4) 將缺陷用anko填平樹脂填平。
5) 待填平材料表干后，在管道表面鋪設500mm寬的玄武巖纖維預浸料。 共鋪設10層。然后加熱使其固化。
其中，玄武巖纖維預浸料制備過程如下將環(huán)氧634膠置于膠槽中， 加熱使其熔融，然后將其完全浸潤玄武巖纖維，而后經過熱壓，使 樹脂基體熔融，纖維嵌入樹脂基體中。最后冷卻，切邊，制得預浸料。
6) 補強層固化后對試驗用管進行注水排氣，在檢查試樣注滿水并不漏 水的情況下，進行逐級加壓，直至試樣破壞。
該爆破試驗結果顯示破壞是在未經修復補強的管體處產生的，破壞為
典型的撕裂型破壞；試驗管有明顯的膨脹現象，而經修復、補強的缺陷處并 無明顯變化；補強后的管體爆破壓力為18.7Mpa，遠高于試樣的設計工作壓 力(6.4Mpa)，表明該技術已經達到了補強的目的。 實施例3
跟實施例1類似，用玄武巖纖維復合材料對需要增壓的管線進行修復增強， 然后用靜水壓爆破實驗進行驗證其補強效果。1) 截取輸油氣管道常用管材管線3.5m (該管子為Q235螺旋焊管，管 徑為325mm，壁厚為7mm，設計壓力7.3MPa，欲提高到7.8MPa)，
兩端用留有排氣孔、進水孔的封頭封堵。
2) 對整個管體進行除油除銹處理。
3) 在管道表面涂刷環(huán)氧類可固化聚合物，然后沿管道環(huán)向鋪設雙向十 字編織的玄武巖纖維。滾壓后，再重復幾次，共鋪設8層。
4) 補強層固化后對試驗用管進行注水排氣，在檢查試樣注滿水并不漏 水的情況下，進行逐級加壓，直至10,.8MPa(7.8MPa/0.72(設計系數))。
泄壓后，管體無任何屈服跡象，管體周長及形變等變化約為零，表明該 技術已經達到了提高設計壓力的目的。
以上已詳細描述了本發(fā)明的實施方案，對本領域技術人員來說很顯然可 以做很多改進和變化而不會背離本發(fā)明的基本精神。所有這些變化和改進都 在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種用玄武巖纖維復合材料對管道進行修復補強和/或增強的方法，其特征在于在管道表面需要修復補強和/或增強的部位鋪設玄武巖纖維復合材料。
2. 權利要求1所述的方法，在管道表面需要修復補強和/或增強的部位，鋪設玄武巖纖維復合材料包括以下步驟(1) 在管道表面涂刷可固化聚合物；(2) 鋪設玄武巖纖維，并滾壓，使得可固化聚合物均勻浸漬玄武巖纖維；任選地重復(1)和(2)多次，然后進行固化。
3. 權利要求1所述的方法，在管道表面需要修復補強和/或增強的部位，鋪設玄武巖纖維復合材料包括以下步驟(1) 在玄武巖纖維表面浸涂可固化聚合物，制成玄武巖纖維預浸料；(2) 鋪設玄武巖纖維預浸料； 任選地重復(1)和(2)多次，然后進行固化。
4. 權利要求2-3任一項所述的方法，其中所述各層纖維對于管道可以沿管道軸向鋪設、環(huán)向鋪設或以一定角度鋪設，也可以是幾種鋪設方式的任意組合。
5. 權利要求1-4任一項所述的方法，其中所述的纖維是連續(xù)纖維， 選自單向纖維、正交或斜交的無緯布疊層、二維織物層合、多向編織纖維材料。
6. 權利要求2-5任一項所述的方法，其中可固化聚合物包括基體材 料以及任選的輔助材料；基體材料選自熱固性樹脂、熱塑性樹脂及高性 能樹脂，優(yōu)選熱固性樹脂；輔助材料選自固化劑、偶聯劑、引發(fā)劑、稀釋 劑、交聯劑、阻燃劑、阻聚劑、抗靜電劑、光穩(wěn)定劑以及填料。
7. 權利要求6所述的方法，其中熱固性樹脂選自環(huán)氧樹脂、酚醛樹 脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰胺樹脂、有機硅樹脂、烯丙基樹脂或其改性樹脂，優(yōu)選環(huán)氧樹脂。
8. 按照權利要求1-7任一項所述的方法，在對管道進行修復補強或增強之前，可以任選的對管道進行表面處理，如除油、除銹、磷化、鈍化、 偶聯可提高界面結合力的處理。
9. 權利要求l-8任一項所述的方法，在管道有不平處，任選的用填平 樹脂進行填平處理。
10. 權利要求l-9任一項所述的方法，還包括在玄武巖纖維復合材 料外用外防腐材料進行防腐，包括聚脲或聚氨酯噴涂、聚乙烯或聚丙稀 冷纏膠粘帶纏繞。
11. 權利要求l-3任一項所述的方法，其中需要修復補強和/或增強 的部位包括有缺陷的管道、管道附件，或無缺陷需要增強的管道、管道 附件。
12. 權利要求11所述的方法，其中所述的缺陷包括體積型缺陷、 平面型缺陷、彌散損傷型缺陷、幾何型缺陷。
13. 權利要求1一12任一項所述的方法，其中管道選自金屬管道或 非金屬管道，優(yōu)選金屬管道，更優(yōu)選在役油氣輸送管道。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于管道，特別是金屬管道的修復補強或增強的方法。主要原材料是玄武巖纖維增強材料和樹脂類基體材料。本發(fā)明中，修復補強或增強材料的強度、模量與金屬管體材料較為接近，可與管道形成一體，共同承載管內壓力，并使最終構成的復合修復層的承壓能力達到并超過原始管道的承壓能力；而且玄武巖纖維為絕緣材料，使得管道與陰極保護的兼容性和抗電化學腐蝕能力大大提高。本發(fā)明的方法施工簡便，有利于補強材料和管體之間、補強層之間緊密貼合，并且可對在役管線進行修復補強增強作業(yè)。
文檔編號F16L55/175GK101206000SQ20071000111
公開日2008年6月25日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權日2007年1月18日
發(fā)明者國 劉, 王修云, 王金友, 阮景紅 申請人:北京安科管道工程科技有限公司