预紧力修复、预紧力和夹具组合修复方法及修复的管道技术

本发明专利技术涉及一种预紧力修复、预紧力和夹具组合修复方法及修复的管道。该方法包括以下步骤：(a)将纤维材料的一部分固定到管道；(b)对纤维材料施加预紧力，并在预紧力作用下在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘浸胶，以形成多层纤维复合材料；(c)在预紧力施加的状态下，完成多层纤维复合材料的固化；(d)在该带预紧力的纤维复合材料修复部位之外安装夹具，并在夹具和管道之间形成的空隙内灌注可固化聚合物。其中，所述预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。

Repair method of preload, combination of preload and fixture and repaired pipeline

The invention relates to a pre tightening force repair, a pre tightening force and a clamp combination repair method and a repaired pipeline. The method comprises the following steps: (a) fixing a part of the fiber material to the pipe; (b) applying a pre tightening force to the fiber material, and winding the multi-layer fiber material on the pipe under the pre tightening force to cover the parts to be repaired of the pipe, brushing or impregnating the fiber material when winding each layer of the fiber material to form the multi-layer fiber composite; (c) applying the pre tightening force (d) install the clamp outside the repair part of the fiber composite with preload, and pour the curable polymer into the gap between the clamp and the pipe. Wherein, the preload is designed to overcome the debonding between the fiber composite layer and the pipe caused by the radial contraction of the pipe caused by the internal pressure drop or / and the axial tension of the pipe after the repair of the pressurized pipe.

【技术实现步骤摘要】
预紧力修复、预紧力和夹具组合修复方法及修复的管道
本专利技术涉及一种用预紧力修复管道的方法、预紧力和夹具组合修复管道的方法及修复的管道。
技术介绍
管道运输是国民经济五大运输产业之一，仅目前我国油气长输管道就达5万余公里。这些管道在长期服役过程中，由于受到地层压力、土壤腐蚀、电偶腐蚀、外力损伤等作用，造成管道爆裂、泄漏等事故发生频繁，影响管道的正常输送作业。因此，需要在不停止输送的情况下进行修复补强增强的技术。另外，还有可能出现因生产需要提高安全运行压力和因地区类别变化需要提高安全系数等情况。在此类情况下，整个管道系统中对因生产需要提高安全运行压力和因地区类别变化需要提高安全系数的部分管道及辅助设施，必须对其进行增强以适应提高运行压力和安全系数等的需要。国外有关于套管内注环氧修补管道技术的报道，对于管体具有腐蚀缺陷的管道，英国天然气公司曾报导采用内注环氧树脂的修补方法进行修补。内注环氧树脂管壳，是由上下两片壳体环抱损坏区域连接而成，与管道形成环形空间，将环形空间两端密封后注入高强的环氧树脂浆而成。但是上述套管注环氧的补强技术对管道轴向受力的增强效果不好，例如当管道环焊缝存在裂纹和存在环向尺寸较大的腐蚀缺陷时，管道轴向承载能力往往大大减弱，这时需要轴向补强，则该种方法就不能满足。近年来有一些关地使用碳纤维复合材料进行金属管道外损伤缺陷补强的报道。北京安科管道工程科技有限公司的专利CN1853847报道了用碳纤维复合材料对焊缝缺陷修复补强的方法，另外中国专利CN1616546《含缺陷管道修复补强的碳纤维复合材料和方法》公开了一种用于管道修复补强的材料和管道修复补强的方法，该材料包括多层用一定组成的粘浸胶浸渍或涂布的碳纤维复合材料，可以达到良好的修复补强效果。使用该技术既可以进行金属管道的修复补强，同时也可以达到提高运行压力和允许能力的目的。但当腐蚀面积和深度都较大时，这种方法对于提高管道抗弯曲能力的提高具有一定局限性，而套管注环氧的技术对于提高管道抗弯曲能力则有一定优势。另外，对于某些特征管件，例如管道的固定墩，由于结构几何特性限制，单用磁纤维补强则难以达到增强效果。在一般情况也即内压情况下，管道的环向应力是轴向应力的2倍，因此，一般对于管道的修复以限制管道环向变形为主，轴向修复为辅，并且修复仅以抵抗内压失效设计，轴向修复强度仅为环向修复强度的一半。但在复杂地质条件或其他外部应力存在的情况下，管道轴向应力很大，环焊缝缺陷及其他周向缺陷对管道的安全威胁很高，而目前的修复设计仅以抵抗内压失效设计，对轴向修复设计不足，不能很好的分担管道轴向应力，不能对环焊缝缺陷和周向缺陷起到充分的保护作用。另外，现行管道复合材料补强，管道往往处于带压运行，即在运行压力下实施修复，复合材料补强层在管内运行压力状态下缠绕固化后，当运行压力发生较大幅度降低或者波动，亦或者管道发生较大轴向拉伸变形，此时管道将发生较大的径向收缩或波动，易造成补强层与管道的界面剪切强度降低，这将造成补强层对管道轴向修复效果降低，易发生补强层对管道的脱粘，进而使得补强层失去轴向补强效果。因此，本专利主张对环焊缝缺陷及其他周向缺陷的轴向修复按恢复管道轴向承载力至完好管道水平进行设计，并避免修复层与管道界面的剪切强度因为内压大幅降低波动而降低的影响，提出了一种利用对纤维复合材料施加预紧力来修复管道的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用纤维复合材料对管道缺陷进行修复的方法，通过对纤维复合材料施加预紧力，能够有效的分担管道轴向载荷，恢复管道轴向承载力至完好管道水平；即使在管道发生变形时，仍能和管道保持有效的粘接，提供有效的保护；在管道运行压力发生变化时，能够适应管道的压力变化造成的管道的径向收缩或膨胀，保证和管道的粘接力。一方面，本专利技术提供了一种预紧力修复方法，该方法包括以下步骤：(a)将纤维材料的一部分固定到管道；(b)对纤维材料施加预紧力，并在预紧力作用下在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘浸胶，以形成多层纤维复合材料；(c)在预紧力施加的状态下，完成多层纤维复合材料的固化，其中，所述预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。有利地，步骤(a)包括用粘浸胶涂刷或浸渍纤维材料的该部分，将该部分固定到管道。有利地，所述预紧力F预选择为F预1、F预2、F预3之一、F预1、F预2、F预3任意两者之和、或者三者之和，即：F预＝{F预1，F预2，F预3，F预1+F预2，F预2+F预3，F预1+F预3，F预1+F预2+F预3}F预3≥ε抗拉·t单层纤维·b纤维幅宽·E纤维·f安全3其中，P维修为管道维修时的压力；D管道为管道外径；t管道为管道壁厚；f安全1、f安全2、f安全3为安全系数，其大于0且小于等于100；t单层纤维为单层纤维材料的理论厚度；b纤维幅宽为纤维宽度；E纤维为纤维的弹性模量；E管道为管道材料的弹性模量；μ管道为管材的泊松比；σ屈服为管材的屈服强度；ε抗拉为管材轴向载荷为抗拉强度时引起的管道环向塑性应变；F预1为克服带压管道修复后内部压力下降造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预2为克服带压管道修复后管道轴向拉伸弹性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预3为克服带压管道修复后管道轴向拉伸塑性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预为施加在单层纤维材料的预紧力。有利地，在步骤(a)中固定的纤维材料的该部分的长度选择为使得在步骤(b)中纤维材料相对管道不滑动。有利地，所述部分的所述长度首先基于以下公开来计算：当通过以上公式计算得出的结果小于等于π·D管道时，即L初始固定≤π·D管道时，那么将计算得出的结果作为在步骤(a)中粘贴的纤维材料的该部分的长度；当通过以上公式计算得出的结果大于π·D管道时，即L初始固定＞π·D管道时，那么将通过以下公式计算得出的结果作为在步骤(a)中粘贴的纤维材料的该部分的长度：其中，τ界面剪切为管道与纤维材料界面的结合剪切强度；τ层间剪切为相邻两层纤维材料层之间的结合剪切强度；L初始固定为预紧力加载前，纤维材料固定到管道的初始长度。有利地，所述纤维材料是单向纤维材料，在步骤(b)中：(b1)在预紧力作用下缠绕一层或多层环向纤维材料，同时在该环向纤维材料表面涂覆粘浸胶，接着铺设一层或多层轴向纤维材料，同时在该轴向纤维材料表面涂覆粘浸胶，重复多次直到完成修复作业；或者(b2)铺设一层或多层轴向纤维材料，同时在该轴向纤维材料表面涂覆粘浸胶，接着在预紧力作用下缠绕一层或多层环向纤维材料，同时在该环向纤维材料表面涂覆粘浸胶，重复多次直到完成修复作业。有利地，轴向纤维材料选择高弹性模量的纤维材料，以保证轴向修复效果；环向纤维材料选本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预紧力修复方法，该方法包括以下步骤：/n(a)将纤维材料的一部分固定到管道；/n(b)对纤维材料施加预紧力，并在预紧力作用下在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘浸胶，以形成多层纤维复合材料；/n(c)在预紧力施加的状态下，完成多层纤维复合材料的固化，/n其中，所述预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。/n

【技术特征摘要】
1.一种预紧力修复方法，该方法包括以下步骤：
(a)将纤维材料的一部分固定到管道；
(b)对纤维材料施加预紧力，并在预紧力作用下在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘浸胶，以形成多层纤维复合材料；
(c)在预紧力施加的状态下，完成多层纤维复合材料的固化，
其中，所述预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。


2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括用粘浸胶涂刷或浸渍纤维材料的该部分，将该部分固定到管道。


3.如权利要求2所述的方法，其中，所述预紧力F预选择为满足以下公式的F预1、F预2、F预3之一、F预1、F预2、F预3任意两者之和、或者三者之和，即：F预＝{F预1，F预2，F预3，F预1+F预2，F预2+F预3，F预1+F预3，F预1+F预2+F预3}






F预3≥ε抗拉·t单层纤维·b纤维幅宽·E纤维·f安全3
其中，F预1为克服带压管道修复后内部压力下降造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预2为克服带压管道修复后管道轴向拉伸弹性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预3为克服带压管道修复后管道轴向拉伸塑性应变造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道脱粘的预紧力；F预为施加在单层纤维材料的预紧力，P维修为管道维修时的压力；D管道为管道外径；t管道为管道壁厚；f安全1、f安全2、f安全3为安全系数，其大于0且小于等于100；t单曾纤维为单层纤维材料的理论厚度；b纤维幅宽为纤维宽度；E纤维为纤维的弹性模量；E管道为管道材料的弹性模量；μ管道为管材的泊松比；σ屈服为管材的屈服强度；ε抗拉为管材轴向载荷为抗拉强度时引起的管道环向塑性应变。


4.如权利要求3所述的方法，其中，f安全1、f安全2、f安全3为0.5。


5.如权利要求3所述的方法，其中，f安全1、f安全2、f安全3为1。


6.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中固定的纤维材料的该部分的长度选择为使得在步骤(b)中纤维材料相对管道不滑动。


7.如权利要求6所述的方法，其中，所述部分的所述长度首先基于以下公开来计算：



当通过以上公式计算得出的结果小于等于π·D管道时，即L初始固定≤π·D管道时，那么将计算得出的结果作为在步骤(a)中粘贴的纤维材料的该部分的长度；
当通过以上公式计算得出的结果大于π·D管道时，即L初始固定＞π·D管道时，那么将通过以下公式计算得出的结果作为在步骤(a)中粘贴的纤维材料的该部分的长度：



其中，τ界面剪切为管道与纤维材料界面的结合剪切强度；τ层间剪切为相邻两层纤维材料层之间的结合剪切强度；L初始固定为预紧力加载前，纤维材料固定到管道的初始长度。


8.如权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料是单向纤维材料，在步骤(b)中：
(b1)在预紧力作用下缠绕一层或多层环向纤维材料，同时在该环向纤维材料表面涂覆粘浸胶，接着铺设一层或多层轴向纤维材料，同时在该轴向纤维材料表面涂覆粘浸胶，重复多次直到完成修复作业；或者
(b2)铺设一层或多层轴向纤维材料，同时在该轴向纤维材料表面涂覆粘浸胶，接着在预紧力作用下缠绕一层或多层环向纤维材料，同时在该环向纤维材料表面涂覆粘浸胶，重复多次直到完成修复作业。


9.如权利要求8所述的方法，其中，轴向纤维材料选择高弹性模量的纤维材料，以保证轴向修复效果；环向纤维材料选择低弹性模量和/或单层厚度低的纤维材料，以降低为达修复效果所需的环向预紧力。


10.如权利要求9所述的方法，其中，环向纤维材料是玻璃纤维。


11.如权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料是双向纤维材料，在步骤(b)中，在预紧力下连续地缠绕多层双向纤维材料，在缠绕每一层双向纤维材料时在双向纤维材料表面涂覆粘浸胶，从而形成多层双向纤维复合材料。


12.如权利要求11所述的方法，其中，双向纤维材料设计为由两种弹性模量不同的环向纤维和轴向纤维编织而成，轴向纤维选择高弹性模量的纤维，以保证轴向修复效果，环向纤维选择低弹性模量和/或单层厚度低的纤维，以减小为达预紧修复效果所需的环向施工拉力值。


13.如权利要求12所述的方法，其中，环向纤维是玻璃纤维。


14.如权利要求2所述的方法，其中，在步骤(a)中使用的粘浸胶的固化速度比在步骤(b)中使用的粘浸胶的固化速度快。


15.如权利要求1所述的方法，其中，管道的需要修复的部位包括管道的缺陷，该缺陷位于管道本体、直焊缝、螺旋焊缝或环焊缝部位，管道的缺陷包括体积型缺陷、平面型缺陷、弥散损伤型缺陷或几何型缺陷。


16.如权利要求1所述的方法，其中，纤维材料选自芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和陶瓷纤维及其它可以用于管道修复的纤维。


17.一种预紧力和夹具组合修复方法，该方法包括以下步骤：
(a)将纤维材料的一部分固定到管道；
(b)对纤维材料施加预紧力，并预紧力作用下在在管道上缠绕多层纤维材料以覆盖管道的需要修复的部位，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘浸胶，以形成多层纤维复合材料；(c)在该带预紧力的纤维复合材料修复部位之外安装夹具，并在夹具和管道之间形成的空隙内灌注可固化聚合物，
其中，所述预紧力的大小设计成克服带压管道修复后内部压力下降或/和管道轴向拉伸造成管道径向收缩而引起纤维复合材料层与管道的脱粘。


18.如权利要求17所述的方法，其中，步骤(a)包括用粘浸胶涂刷或浸渍纤维材料的该部分，将该部分固定到管道。


19.如权利要求17所述的方法，其中，所述预紧力F预选择为满足...

【专利技术属性】
技术研发人员：路民旭，杨阳，侯世颖，田骁，高荣钊，
申请(专利权)人：北京安科管道工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11