輸油管道加固用復(fù)合材料

1、輸油管道用加固材料我國眾多在役油氣輸送管道在服役過程中由于腐蝕、機械損傷和外部荷載等原因產(chǎn)生很多缺陷,這些缺陷降低了管道的強度。在管壁減薄部位(如腐蝕處)會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,當(dāng)此處的應(yīng)力大于材料的抗拉強度極限時,該部位將發(fā)生破裂失效和泄漏。用復(fù)合材料修復(fù)管道極大的降低了管道更換費用,并且節(jié)約了時間,是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)比較認可的一種修復(fù)方法。選用何種復(fù)合材料進行修補會更加經(jīng)濟，能更好地達到修復(fù)效果是本文研究的主要問題。目前，復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)主要有三種修復(fù)方法，一種是預(yù)成型法，一種是濕纏繞法，還有一種正在研究中的預(yù)浸料法。1. 采用預(yù)浸料工藝時對材料的選用從制備和使用角度，預(yù)浸料最大的特點是樹脂

2、/纖維的復(fù)合與修補的進行是各自獨立進行的。在一定溫度或溶劑的作用下，先將含有固化劑的樹脂浸漬纖維形成預(yù)浸料布，而后儲存?zhèn)溆?，待進行管道修補時將預(yù)浸料布纏繞在缺陷處，通過工裝設(shè)備進行固化。預(yù)浸料的首要的技術(shù)研究重點是樹脂體系的開發(fā)，根據(jù)預(yù)浸料制備和使用特點，要求預(yù)浸料用樹脂體系必需具備以下性能和工藝特點，而這些因素在手糊用樹脂體系中無需考慮。 1）為了保證預(yù)浸料能夠長期保存、隨時使用，樹脂的固化反應(yīng)活性需適中，在室溫下固化反應(yīng)活性低，在一定的時間內(nèi)不發(fā)生明顯的變化，而在一定的溫度下能夠較快固化，降低對加熱設(shè)備的要求，并保證修補施工的效率，這一點主要由固化劑的性質(zhì)決定。 2）特殊的工藝性要求：為了

3、預(yù)浸料布儲存收卷和使用的方便，要求樹脂的粘性適中，若粘性太高則收卷時預(yù)浸料布會緊密的粘結(jié)在一起，而難以展開，若粘性太低則預(yù)浸料鋪貼時不易與管道表面貼合，影響復(fù)合材料的增強效果，這一點主要由樹脂本身的性質(zhì)決定。 3）制備的要求。為了實現(xiàn)樹脂對纖維的良好浸漬，可以采用將樹脂加熱和添加溶劑的方法降低樹脂粘度，對于加熱的方法要求樹脂的粘度足夠低且在加熱溫度下長時間不與固化劑發(fā)生反應(yīng)，對于添加溶劑的方法要求溶劑對樹脂和固化劑有很高的溶解性，鑒于溶劑的使用量較大，必需選擇低毒或無毒且通用的溶劑，提高預(yù)浸料制備的安全性并降低制備成本。 通過上述分析可知，樹脂、固化劑以及溶劑的選擇是配方設(shè)計的重點，為此應(yīng)首先

4、提出對三者的選配方案。 1.1 樹脂 對于承力用復(fù)合材料而言，常用的樹脂包括環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯以及乙烯基樹脂等，其中環(huán)氧樹脂是指含有兩個或兩個以上環(huán)氧基，以脂肪族、脂環(huán)族或芳香族等有機化合物為骨架并能通過環(huán)氧基團反應(yīng)形成有用的熱固性產(chǎn)物的高分子低聚物，它與高性能增強纖維，尤其是碳纖維復(fù)合后容易實現(xiàn)復(fù)合材料的高性能化，而且環(huán)氧樹脂與金屬，如鋼材、鋁合金等，有很好的粘結(jié)性，且固化收縮率很低（小于 2%），故可以高效地將鋼材上承擔(dān)的載荷傳遞到增強纖維上，同時也有利于將管道與環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)隔離。在價格上環(huán)氧樹脂略高于不飽和聚酯和乙烯基脂，但是因為在整個復(fù)合材料成本構(gòu)成當(dāng)中樹脂僅占很小一部分，因此

5、確定使用環(huán)氧樹脂。 環(huán)氧樹脂有很多類型，不同的樹脂具備不同的工藝特性和性能特點。環(huán)氧E42 樹脂屬于雙酚 A 型環(huán)氧樹脂，綜合性能優(yōu)異，是手糊工藝中的主要樹脂類型，但常溫下樹脂為液態(tài)，若單獨使用制備預(yù)浸料，則粘性過高，影響預(yù)浸料布的收卷，此外固化后其脆性較大。第二代修補用樹脂體系的一個顯著特點是在兼顧模量和強度的同時，還要求固化物具備一定的韌性，這不但有利于提高復(fù)合材料的承載能力，而且對提高使用過程中的防損傷能力和低溫性能有很大促進作用。前期選用了液態(tài)環(huán)氧 E42 樹脂與固態(tài)環(huán)氧 F46 樹脂為主的雙組分樹脂體系，以賦予預(yù)浸料更好的粘性和性能。由于環(huán)氧 F46 成本較高，且與環(huán)氧 F46 混合

6、需要專用的加熱攪拌設(shè)備，因此成本偏高。為此考慮了液態(tài)環(huán)氧 E42 樹脂與高粘度液體環(huán)氧 E44 樹脂復(fù)配的方案，一方面兩種樹脂混合固化后，由于分子結(jié)構(gòu)的不同，可以形成不同于單獨樹脂固化所形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)能賦予復(fù)合材料好的韌性；另一方面，環(huán)氧 E44 粘度明顯高于 E42 樹脂，兩者混合可以調(diào)節(jié)樹脂的粘度，使預(yù)浸料在不同的使用工況下均有很好的粘性，便于鋪貼預(yù)浸料；此外環(huán)氧 E44 的分子鏈較大，相同情況下與固化劑反應(yīng)速率低，這樣可以調(diào)節(jié)樹脂體系在室溫的固化速度，起到延長預(yù)浸料儲存期的目的，由此為了兼顧成本、工藝性和性能的要求采用 E42 與 E44 復(fù)配的方案。 環(huán)氧樹脂 E44 含量大

7、時，預(yù)浸料的粘性高，考慮到成本和性能，環(huán)氧 E42 與 E44 的比例確定在 3:2。1.2 固化劑 考慮到儲存性和施工的要求，必需選擇潛伏型固化劑，此種固化劑在室溫下與樹脂不反應(yīng)或反應(yīng)很慢，但在加熱的條件下可迅速使樹脂固化。通過對目前環(huán)氧樹脂常用的潛伏型固化劑進行細致調(diào)研，將雙氰胺和硼化物兩種潛伏型固化劑列入選擇范圍。 雙氰胺具有良好的室溫儲存性，在 100130范圍內(nèi)可與環(huán)氧樹脂迅速反應(yīng)，但溶解性稍差，硼化物具有更為穩(wěn)定的室溫儲存性，溶解性好，在 150180范圍內(nèi)可與環(huán)氧樹脂迅速反應(yīng)，其固化溫度偏高，對施工加熱設(shè)備有更高的要求。 為了調(diào)節(jié)潛伏型固化劑的固化特性，可以添加少量的促進劑，本文

8、主要選擇咪唑為雙氰胺的促進劑。 隨著雙氰胺和咪唑用量的增大，可以提高固化反應(yīng)活性，但會降低潛伏性。1.3 溶劑 由于熱熔法預(yù)浸料對設(shè)備和樹脂固化特性的要求較高，因此預(yù)浸料的制備主要選擇溶劑法。溶劑選擇的依據(jù)主要是溶解性、毒性以及揮發(fā)性。根據(jù)前面選擇的樹脂和固化劑類型，以常用的丙酮和乙醇為主。這兩種溶劑均屬于無毒的類型，其中丙酮的溶解性較好并且有很高的揮發(fā)性，對提高預(yù)浸料的生產(chǎn)效率和復(fù)合材料固化質(zhì)量的控制十分有利，乙醇極性高于丙酮，因此溶解性更為優(yōu)異，具備較好的揮發(fā)性，但成本與丙酮相比略高。根據(jù)對樹脂和固化劑溶解的效果，可以將兩種溶劑配合使用。 1.4 纖維布：采用日本東麗原產(chǎn) T700 單向布

9、，纖維面密度為 200g/m2和 300g/m2兩種。 2. 濕纏繞法對材料的選用2.1 采用UT70-30碳纖維布，粘結(jié)膠采用CZ-510碳纖維膠時的補強效果在試驗中的碳纖維布與環(huán)氧樹脂粘貼膠必須有供應(yīng)商配套提供，采用UT70-30碳纖維布，粘結(jié)膠采用CZ-510碳纖維膠，碳纖維布與粘結(jié)膠的主要技術(shù)參數(shù)見表1，表2。得到以下結(jié)論：(1)在同一內(nèi)壓的情況下，采用 CFRP 補強技術(shù)后，管道缺陷處的環(huán)向應(yīng)力有了明顯的降低，可見，CFRP 加固效果明顯。 (2)加固兩層 CFRP 比加固一層 CFRP 效果明顯。表1. 碳纖維布的主要技術(shù)參數(shù) 性能項目 檢驗結(jié)果性能指標(biāo) 抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa） 4077 3400拉彈性模量（MPa）2.451052.4105伸長率（%） 1.71 1.70彎曲強度（