碳纤维补强技术在石化装置上的应用

邢 丽

(上海石化设备检验检测有限公司，200540)

碳纤维补强技术在石化装置上的应用

邢 丽

(上海石化设备检验检测有限公司，200540)

简述了石化装置长周期运行的重要意义及国内外现状，介绍了新型的碳纤维补强修复技术的修复方法、适用范围、方案设计以及施工控制要点，分析了某石化装置管道损伤情况及采用碳纤维补强技术在线修复腐蚀管道的适用性。结果表明碳纤维补强修复技术在石化长周期运行中可以发挥积极的作用。

长周期运行 补强技术 碳纤维 修复

石油化工等能源行业是关系国计民生的支柱产业，在国民经济发展和社会稳定中具有极其重要的战略地位。在经济高速发展的今天，石化装置越来越趋向于一体化、大型化和复杂化，其输送介质具有高温、高压、易燃、易爆和易腐蚀等特点，一旦发生泄漏、爆炸或中毒，可能会带来巨大的经济损失、灾难性的后果和无法估量的舆论压力。石油化工企业在追求利益最大化的同时，需要保证装置的安全、平稳和长周期运行。据统计，1993—2000年，仅中国石油化工集团公司(以下简称中石化)所属石油化工企业，实现长周期运行共创效益96.92亿元[1]。石化装置的长周期运行是一项系统工程，涉及设计、采购、安装、开停工、原料管理、运行管理和维护维修等各个方面，其影响因素有很多，但归根结底，强化设备的管理，使设备保持完好，充分发挥其效能，是装置长周期运行的根本和基础[2]。如何应用现代新型技术，科学有效地延长装置的运行周期，降低风险，是石油化工企业急需解决的问题。文章采用碳纤维补强技术对压力管道检验中发现的缺陷进行维修，减少其带病运行的安全隐患，延长设备的实际使用寿命，为装置长周期运行提供有力保障。

1 石化装置长周期运行现状

随着国际竞争的加剧，石化企业对装置长周期的要求也越来越迫切。多年来石化企业积极致力于装置长周期运行的实践和探索，长周期运行水平不断提高，从最初的一年一修、三年两修、两年一修到三年一修，到目前力争实现的四年一修，但与国外发达国家相比差距还很明显。以某石化企业为例，比较近年来其运行周期与中石化平均水平及世界先进水平的对比(具体见表1)。装置长周期运行的实质是设备的长周期运行，设备的持续良好运行是装置长周期运行的最直接体现，因此，保证设备完整性和延长使用寿命至关重要。修复补强是保证设备完整性的有效一环，碳纤维复合材料补强修复技术是近十余年发展较快的新型修复技术，在石油化工压力管道修复中有着重要的现实意义。

表1 石油化工主要装置运行周期对比 a

2 碳纤维补强修复技术

2.1 修复方法及其原理

2.1.1 预成型法

预成型法采用不饱和聚酯和碳纤维先在工厂根据含缺陷管道的管径制备复合套筒，然后在现场通过强力胶将复合层套筒粘结于管道表面，从而起到恢复管道强度的目的。预成型法由美国Clock Spring公司最早开发并工程化，主要采用玻璃纤维，在压力管道外腐蚀缺陷修复中已成功应用超过20年[3]。

2.1.2 湿缠绕法

湿缠绕法将碳纤维布缠绕在管道上，同时将树脂涂刷在纤维布上，在一定温度和时间下树脂充分固化并与纤维布形成复合层，这个修复层与原有管壁紧密结合、协同变形，共同承担管道的圆周应力，从而离散腐蚀等损伤部位的应力集中，使缺陷部位管道承担的应力始终处于安全极限之下，确保管道安全运行。以美国Furmanite公司为代表，该方法已成功应用在管道多种类型缺陷的修复中，使用温度为-25～160 ℃。

2.2 适用范围

根据美国机械工程师协会(ASME)PCC-2-2011《压力设备及管道的修复》规定，碳纤维复合材料修复技术适用于外部腐蚀和机械损伤、内腐蚀和磨损、制造或者加工缺陷和局部泄漏等情况。针对有内腐蚀的情况，应结合压力设备或管道的实际情况进行分析评估，从而确定合适的维修寿命。

2.3 技术特点

碳纤维补强修复技术是目前综合性能最优和最具前景的修复技术，已在我国长输油气管道和城镇燃气管道的腐蚀修复中得到大量应用[4-5]。该技术主要优势如下：

(1)在不卸料、不泄压、不动火的“三不”情况下实施碳纤维复合材料修复技术，可以避免由于焊接施工所带来的风险，保障管道运行的连续性，给装置长周期运行提供技术保障。

(2)碳纤维抗拉强度、弹性模量和延伸率高，其弹性模量与碳钢比较接近。美国天然气研究协会(Gas Research Institute)的研究表明，纤维复合材料对压力管道的修复效果取决于复合材料的抗拉强度和弹性模量[6]。

(3)碳纤维复合材料和修补剂均具有较高的层间剪切强度，耐腐蚀性能、耐温性能和抗老化性能优异。

(4)复合材料补强层薄、质量低，不会对管体造成二次损伤，且补强层与管道具有非常好的变形协同性。

(5)碳纤维布柔韧性好，可修复高焊缝余高、严重错边和严重变形等缺陷，也可用于修复弯管、三通和大小头等不规则管件。

(6)修复方法灵活，修复过程简单，修复速度快。

3 碳纤维补强修复技术在含缺陷压力管道上的应用

3.1 石化装置压力管道损伤分析

以某石化企业为例，每年平均检验压力管道200 km，近4年平均检出缺陷率近10%，按缺陷类型分类，主要有腐蚀、应力腐蚀开裂和原始缺陷(焊接缺陷、材质不符)等。图1为近4年来定期检验发现问题统计情况。

图1 定期检验缺陷分类比较

从图1中可以看出：缺陷形式多表现为腐蚀及原始超标缺陷，为确保含缺陷管道不发生因强度不足而导致破裂泄漏，可以采用补强的方式对其进行修复，从而满足管道安全运行压力，有效减少非计划停车，延长管道的使用寿命。

3.2 设计修复方案

通过对管道检验和检测中发现的缺陷情况，包括缺陷长度、缺陷深度和缺陷分布范围，结合实际运行工况和使用单位承担风险的能力，考虑安全可靠性、维修寿命、修复的综合成本和风险评估[7]的风险高低等因素，进行综合评价，设计出最科学、最合适的修复方案。

以腐蚀减薄或穿孔的管道为例，传统的做法是采用局部更换管段或者焊接修复的办法。但这两种办法都需要停车并且动火，不仅会对上下游生产造成一定影响，而且施工作业也会带来一定的安全隐患，影响装置的长周期运行。由于不能停车等诸多生产状况的限制，使碳纤维复合材料修复补强技术成为一种理想的选择。

采用碳纤维补强方法时，应根据使用单位提出的目标要求和服役情况数据，参照ASME PCC-2-2011中明确给出的设计指导准则，计算出合理的最小修复层厚度、补强层数、轴向修复总长度等以满足恢复并提高管道最大许可操作压力，使得管道承压能力不低于无缺陷管道，确保管道安全运行。

3.3 施工控制要点

通过对含缺陷管道进行碳纤维补强，主要可以起到3种作用：降低缺陷处的应力，降低缺陷处的应变以及恢复管道的承压能力。碳纤维复合材料修复系统主要分为3个主体部分：专用修补剂、环氧底漆和高强度树脂基碳纤维复合材料，具体如图2所示。专用修补剂的主要作用是填补缺陷，传递压力；环氧底漆主要用来杜绝电偶腐蚀的产生；碳纤维复合材料主要是用来分担管壁承担的内压。以管道外腐蚀为例，碳纤维湿缠绕法修复工艺路线简单归结为：预处理、填缝、涂环氧底漆、包覆碳纤维、固化和后期处理。

图2 碳纤维复合材料补强示意

(1)预处理

施工前需根据修复方案确定修复范围，用笔或胶带标识定位。首先，将管道缺陷轴向两边150 mm范围内的管道表面原有防腐层及氧化物全部清除，可采用机械除锈或喷砂除锈。管道表面除锈应达到GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前钢材表面处理表面清洁度的目视评定》规定的St级。如果管道腐蚀情况严重，在进行表面清理时，应考虑降压操作。

(2)填缝

将现场调配好的专用修补剂填充到每一个腐蚀缺陷中，填补处边缘应平滑过渡到管体表面，且充分固化，以保证碳纤维复合材料和修补剂充分接触而不会产生空鼓。

(3)涂环氧底漆

在管道补强范围内涂抹环氧底漆，要求底漆厚度至少0.2 mm以上。目的是将碳纤维复合材料与管壁之间隔离开来，防止电偶腐蚀的发生。

(4)包覆碳纤维

将碳纤维片材和环氧树脂交互地铺粘在一起，形成纤维复合材料补强层。碳纤维布需要始终紧绷，施加一定的预紧力，每层均要用脱泡罗拉反复滚压，确保复合材料层与层之间、材料与管道外表面之间没有空鼓和气泡等存在。如果施工具有环向接头，则碳纤维片的环向接头必须搭接100 mm以上。环向缠绕时，如果具有轴向接头，则接头在轴向方向搭接10 mm以上。补强层边界及端口封口处理要平滑过渡。

(5)固化

补强区域的修复施工完成后，使该区域的树脂进一步固化，并应保证固化期间不受干扰，宜用塑料薄膜等遮挡以防风沙或雨水侵袭。如果固化期间气温降低到5 ℃以下时，可采用冬用低温固化树脂，或采取有效的加温措施。

(6)后期处理

如修复管道为保温管道，则需按原要求进行防腐涂漆处理，恢复保温层。

3.4 工程应用

以某公司2001年投用的一根Φ159 mm×5 mm丙烯管道为例，该管道材质为20#钢，工作压力2.4 MPa，常温运行，在定期检验宏观检查时发现多处管体外腐蚀缺陷，最大腐蚀坑深达2 mm，根据《在用工业管道定期检验规程》(2003年试行)规定，安全状况等级拟定为3级。如果停车消缺势必会给装置运行带来巨大经济损失，如不进行停车修复，需要在3年检验周期内监控使用。由于该管道在整个上下游的生产中处于关键部位，不允许发生中断，鉴于安全性和经济性考虑，经与检验机构协商，决定采取不停止输送物料、不动火的碳纤维补强方式进行修复，进一步阻止外腐蚀的发生，结合监控措施进行双保险，有效降低管道带病运行的风险。

针对该丙烯管道，在选择北京某公司生产的性能最优的碳纤维复合材料基础上，根据使用单位提出的目标要求和服役基本数据，参照ASME PCC-2-2011中明确给出的设计指导准则，计算出了合理的最小修复层厚度、补强层数、轴向修复总长度等，以满足恢复并提高管道最大许可操作压力，使得管道承压能力不低于无缺陷管道，确保管道安全运行。经过理论计算，缺陷处修复后爆破压力下限均已经超过无缺陷管道的爆破压力。

由于石油化工管道的特殊性，现场施工完成后主要采用非破坏性的方法进行验收，对补强后的区域进行了外观及尺寸、空鼓、脱粘、分层检查和硬度检测，均满足要求。

碳纤维补强技术的成功在线应用，达到了方案设计时的预期效果，该管道至今仍安全运行，这进一步验证了该技术具有优异的抗拉强度、弹性模量及抗老化等性能，有效降低了承压管道含缺陷运行的安全隐患，同时也避免了非计划停车修复带来的经济损失，保障了石化装置的长周期、安全、稳定运行。

4 结语

长周期运行是企业降低生产成本，提高经济效益最有效的措施。影响长周期运行的因素涉及多个方面，但设备或管道的可靠度始终是装置长周期运行的先决条件。由于装置老龄化以及加工原油劣质化问题，内外腐蚀等现象日渐突出，如何最大限度发挥设备或者管道潜能，使开工周期更长，是需要不断探索的课题。设备或者管道处于带病运行状态是制约装置长周期运行的一个“瓶颈”，特别是一些关键设备或者管道，一旦出现问题可能会引起重大的设备事故，其损失不可估量。在石化装置大力提倡长周期运行的背景下，停车消缺的机会也逐渐减少，各使用单位都在积极寻求更安全、经济、快捷的修复技术。如何依靠新型的科技手段，采取行之有效的措施，加大各类缺陷和安全隐患的治理力度，消除“瓶颈”制约，是保障装置长周期运行的必修课。

碳纤维补强修复技术作为目前综合性能最优的新型修复技术，适用范围广，可为含缺陷设备或管道在线修复提供技术支持，在生产装置长周期运行中起到了积极作用。但是在我国碳纤维补强技术的推广使用，还有很多方面需要攻关完善，例如利用实验室数据积累或有限元分析等方法准确预测内应力水平及验证修复效果；研发出性能优异的修复产品以满足较宽温度范围长期稳定使用；建立一套修复补强现场施工过程及质量验收规范及应用评价体系等。碳纤维补强技术在石化腐蚀管道的成功在线应用，为生产装置长周期运行提供了有力的技术保障。

[1] 胡安定．瞄准国外石化先进目标，不断提高装置长周期运行水平[J]．石油化工设备技术,2002,23(1):23-25.

[2] 胡安定．抓好预防性维修，保装置长周期运行[J]．石油化工设备技术,2000,21(1):1-4.

[3] 袁勇，刘海峰，姜世强．管道复合补强修复技术[J]．工程建设,2004,24(11):139-142.

[4] 李枢一，张建兴，赵丽恒，等．油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用[J]．管道技术与设备,2013(2):38-40.

[5] 刘国，郑岩，孙明烨，等．碳纤维复合材料在城镇燃气管道维修补强中的应用[J]．城市燃气,2007(5):11-14.

[6] Stephens D R and Kilinski T J.Field validation of composite repair of gas transmission pipelines,Final Report to the Gas Research Institute[R].Chicago:GRI,1998.

[7] American Petroleum Institute.API RP 581 Risk-Based Inspection Technology[M].2nd ed.Englewood：API Publications，2008.

Application of Reinforcement Technology by using Carbon Fiber in Petrochemical Plants

Xing Li

(ShanghaiPetrochemicalEquipmentInspection&TestingCo.,Ltd.,200540)

The importance and current situation of long-term operation in petrochemical plants at home and abroad were described in this article.The method and applicable scope of reinforcement technique by using carbon fiber composite material as well as the scheme design and highlights in construction were introduced.The damage in petrochemical pipelines and the applicability of applying this technique for repairing piping with corrosion online were analyzed.It was considered that the reinforcement technology by using carbon fiber played an active role in long-term operation of petrochemical plants.

long-term operation,reinforcement technology,carbon-fiber,repair

2015-04-01。

邢丽，女，1981年出生，2007年毕业于大连理工大学材料学(金属)专业，硕士，工程师，压力容器/管道检验师、API 570授权检验师、RBI评估师等，主要从事特种设备检验检测工作及完整性管理研究。

1674-1099 (2015)03-0043-04

TE973

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