玻璃纖維復合材料補強修復技術研究評價

孫芳萍 黃 志 孫銀娟 高 耘

（長慶工程設計有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

復合材料管體缺陷補強修復技術，是上個世紀九十年代開始，在北美應用的一種管體缺陷免焊接補強維修技術，主要用于深度≤80%管道體積型缺陷補強修復[1]。由于其具有比強度、比模量高，可不停輸、避免焊接不動火施工，既可適用于各種管徑的直管段，也可用于彎頭、三通等異型件缺陷的修復等優點，在油氣田管道修復中得到應用[2,3]。其根據使用的纖維材料和工藝方法不同，主要分為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維三大類。但無論是哪一種復合材料補強修復技術，其基本修復結構通常由纖維布+補強粘膠+高強填料三層結構組成。在施工現場，使用粘膠充分浸潤補強纖維布，然后將浸潤了粘膠的纖維布，纏繞在管道修復部位，在一定溫度和時間下，粘膠固化后即形成補強復合材料[4,5]。

目前市場上可用于管道修復的纖維復合材料繁多，性能也多有差別，但國內尚沒有一個修復工藝的統一標準和參照。各家修復公司針對自己的產品特點，采用各自的修復手冊進行現場修復施工。導致復合材料的修復效果也層次不齊。國內目前尚無統一的復合材料修復效果評價標準體系。因此本文通過靜水壓測試試驗，對玻璃纖維修復后的承壓能力進行了評價。

1 靜水壓測試有效性驗證[6-10]

1.1 測試方案

選取一根X60鋼管件，長度3.5m，管徑為φ508，壁厚9mm，在管件上制造缺陷，缺陷深度為70%壁厚，缺陷尺寸為110×70mm。先在缺陷處布置應力測試片，并初步升壓至1.5MPa，獲取缺陷原始數據。在缺陷處安裝高強玻璃纖維復合材料（8層），然后在復合材料表面布置應力測試片，升壓至1.5MPa，穩壓10min，然后升壓3MPa，穩壓10min，然后每次升壓2MPa，穩壓10min，直至升至20MPa，穩壓1h。

1.2 測點通道布置

根據有限元模擬結果，在復材補強管體上布置相應測點，測點位置如圖1所示。測點1（通道1、2、3）為花片，位于玻纖補強區域壁厚減薄70%缺陷內中部，測點2（通道4、5、6）為花片，位于玻纖補強區域缺陷外部棱角位置，測點3（通道7、8）為“L”形片，位于玻纖纏繞層邊緣，被覆蓋在纏繞層內，貼在管件上，測點4（通道9、10）為“L”形片，位于遠離補強區域，為參考點，測點5（通道11、12）為“L”形片，位于玻璃纖維補強層上，測試在打壓過程中玻璃纖維補強層的應力；測點6（通道13、14、15）為花片，位于玻璃纖維補強層邊緣，在補強層外，貼在管件上，與測點3形成對比。

圖1 測點通道布置圖

1.3 補強前靜水壓測試結果分析

由補強前靜水壓力測試結果得出，在靜水壓力為1.5MPa時，各測點周向應力遠大于軸向應力。比較各測點的周向應力和綜合應力，位于待補缺陷內測點1的周向應力和綜合應力，遠大于其余測點的周向應力和綜合應力，說明壁厚減薄導致測試應力增大，剩余強度降低。位于缺陷外部棱角位置測點2的周向應力為42.1MPa，大于參考位置測點4的周向應力，說明缺陷外部棱角位置在缺陷的影響范圍內。位于補強纏繞層邊緣處的管體應力測點3的周向應力為37.2MPa，與遠離缺陷位置的參考測點4的周向應力35MPa基本接近，說明預補強區域范圍選擇滿足補強范圍要求。

表1 補強前靜水壓測試結果表

通過對管件補強前的靜水壓測試結果進行分析，得出以下結論：在靜水壓力下，管件主要受周向力作用，壁厚減薄導致缺陷部位應力增大，剩余強度降低。缺陷內部測點的軸向應力比其余測點的軸向應力大，但仍以周向應力為主。缺陷外部棱角部位受力受到缺陷影響，比遠離缺陷位置的參考點應力偏大。

1.4 復合材料補強后靜水壓測試結果分析

根據測試結果，本文從以下三個方面進行玻璃纖維補強效果的分析。

（1）位于補強層邊緣，分別在補強層內、外且貼在管件上的測點3和6

由于兩個測點很接近，如果沒有補強層的影響，這兩個測點的應力應該比較接近。因此，通過比較兩個測點的應力曲線，可以有效的說明補強的效果。由這兩個測點的Von Mises應力隨靜水壓力變化曲線（圖2）可知，位于補強層外側的測點6，其應力大于位于補強層內測點3的應力，且隨著靜水壓力的增加，兩個測點的應力差增大。當靜水壓力為10MPa、15MPa和20MPa時，兩個測點的應力差分別為20.7MPa、50.9MPa、256.9MPa。這是由于補強層分擔了測點3的部分載荷，起到補強效果而導致的。

圖2 Von Mises應力曲線

由兩個測點應力差隨靜水壓力變化曲線圖（圖3）可知，當靜水壓力大于18MPa時，應力差急劇增加。因此可知，管體整體屈服時的靜水壓力為18MPa，也說明當補強區域發生塑性變形時，玻璃纖維補強層的補強效用會得到很大的提升；

圖3 應力差與靜水壓力變化曲線

（2）靜水壓力為1.5MPa時，補強前后缺陷部位測點應力變化比較

由于補強前后兩次靜水壓力加載，條件有所差異，為保證前后兩次載荷測得的數據，在同一載荷等級下比較，可通過測點4，在補強前測得的應力與補強后測得的應力之比，確定修正系數，進行測試應力修正，補強后測試應力乘以修正系數，得到補強后的修正應力值。

由表2可知，減薄70%缺陷內部測點1，補強后的應力是補強前的39%左右，頂角位置測點2，補強后的應力是補強前的55%左右，可以得出，在1.5MPa壓力下，玻璃纖維的補強效果較好；

表2 缺陷相關測點補強前后應力測試結果比較

（3）位于缺陷頂角位置的測點2與參考測點4的比較分析

由于測點2位于缺陷的邊緣，受缺陷的影響，在靜水壓力為1.5MPa時，其測試應力在補強前比參考測點4的應力大。補強后，在靜水壓力為1.5MPa時，測點2的Von Mises應力為31MPa，小于參考測點4的應力值33.1MPa，由此得出玻璃纖維復合材料具有較好的補強效果。為了進一步評價玻纖復材的補強效果，進行了壓力大于1.5MPa時，不同靜水壓力下，測點2和測點4的應力分析比較。

由Von Mises應力隨靜水壓力的變化曲線圖可知，當靜水壓力小于12MPa時，測點2在補強層的作用下，其應力曲線基本和參考測點4重合。說明當靜水壓力小于12MPa時，在補強層的修復作用，使受缺陷影響的測點2的應力，與缺陷未影響的測點4的應力基本相同，可見補強效果很好。

圖4 Von Mises應力隨靜水壓力的變化曲線

2 修復作用機理

管道在運行中就會有圓周應力作用于管壁的各個方向，使得管壁處于膨脹狀態。如果管壁的某個部位存在缺陷，缺陷部位將承受更大的壓力，當壓力超出安全范圍，管線就會發生泄漏。玻璃纖維復合材料修復原理是，將玻璃纖維復材纏在管道缺陷外表面，復材與強力膠和填料一起構成復合修復層，缺陷管道修復后，缺陷部位承擔的部分應力會傳遞到復合修復層，從而使管道缺陷部位承擔的應力處于安全極限內，保證管道安全運行[11]。

復材修復靜水壓測試應變與內壓的關系如圖5所示，其中修復層為8層玻璃纖維，缺陷深度72%壁厚，管道直徑508mm，壁厚9mm。由壓力測試表明，玻璃纖維復材修復的缺陷在內壓6MPa時屈服，根據載荷分擔比例ECtmin/EStS[12,13]（E為彈性模量，t為材料厚度），屈服之前載荷分擔比例為，復材：缺陷管材≈1∶4.2。修復的缺陷屈服后，管件繼續升壓過程，載荷分擔比例為，復材：缺陷管材≈47∶1，復材開始起主要承載作用，此時缺陷強化后彈性模量急劇變化，復材起到足夠補強作用。繼續升壓，至18MPa時完好管體屈服，管體修復區域外發生明顯鼓脹變形。

圖5 應變與內壓的關系曲線

對施加彎矩數據進行整合，如圖6所示，由圖可知，復材可以延遲管件缺陷部位的屈服，并使屈服后的管壁幾乎不承彎。即復材作用依然是環向強度的分擔，抑制鼓脹，完好管壁達到屈服后方能起到足夠的分擔作用。

圖6 彎矩與內壓關系曲線

因此，復合材料修復缺陷是依靠自身抗拉強度抑制缺陷鼓脹，控制缺陷鼓脹變形在安全范圍以內。復合材料補強技術適合修復強度損失型缺陷，可以通過自身性能抑制缺陷發生鼓脹破壞，復合材料補強技術可以延遲缺陷屈服，并在屈服后分擔主要載荷起到補強修復作用，復合材料不適用于擴展型缺陷的修復。

3 結語

通過以上測試分析，可以得出以下結論：

（1）在靜水壓力下，管件主要受周向力作用，并且壁厚減薄，導致缺陷處應力增大，剩余強度降低；

（2）通過補強邊緣內外測點、缺陷相關測點在補強前后測點應力的變化、以及缺陷頂角測點與參考測點的測試應力比較，說明玻璃纖維復材具有較好的補強效果；

（3）根據管道尺寸、壁厚、缺陷面積和缺陷深度，合理計算玻璃纖維最小厚度、補強層數和軸向修復長度是缺陷復材修復效果的關鍵控制因素；

（4）玻璃纖維復合材料修復管道時，復材和缺陷管材承擔壓力比例，和兩種材質的彈性模量成正比，因此為達到修復效果，復材應有足夠的機械強度；

（5）應力應變是鋼材力學性能的根本表現，在進行缺陷補強修復時，首先應考慮缺陷的剩余強度。

圖7 復材受力示意圖