碳纤维补强技术在管道腐蚀中的应用

刘 波

(中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃部，上海 200540)

1 管道腐蚀概况

中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃部2#乙烯装置的压力管道由上海工程有限公司设计，上海安检公司安装，1990年4月投入使用，使用至今已经超过25年。如何保障装置内这些压力管道长期安全运行是一项非常艰难的工作，因此掌握压力管道安全状况，做好应急预案，是公司面临的首要任务。

一个不可忽视的问题就是环境中大气腐蚀问题始终影响着压力管道的安全运行。在腐蚀学科中大气腐蚀占有重要的地位;同时其造成的经济损失巨大。由于乙烯装置的管道位于生产装置区内，空气环境中存在硫和氯等有害杂质，在烯烃部近几年的管道日常维护、巡视以及安排的检验检测工作中同样发现存在管道外腐蚀现象。

由于以前管道设计、施工规范不健全等历史原因造成装置内许多管线直接置于横梁之上，而没有采用支撑结构。这些直接置于横梁上的管线普遍面临的一个棘手问题是管线与横梁接触的部位往往会发生严重的局部腐蚀(图1～图3)，而这个部位又不便进行常规的检验检测工作，往往发生穿孔泄漏了才会被发现，严重影响管线的安全运行。尤其是装置中处于A、B、K节点的界区管线，由于这些处于界区的管道受现场返修条件限制和生产上无法停工等原因，无法利用停工大修的机会通过现场焊接支撑的方法来解决支架处的局部腐蚀问题，因此要保障这些管道的安全运行是一个亟待解决的难题。

2 管道外腐蚀机理探讨

根据相关检测数据分析，管道外腐蚀形态大致有三类。

均匀腐蚀:在这类腐蚀中，金属表面层以麻点状面积厚度减少的方式转变为腐蚀产物局部点蚀:主要在个别部位产生的深孔，在局部腐蚀电池中形成电化学腐蚀，使壁厚迅速减薄穿透。

异金属电偶腐蚀:存在少量水分时，两种不同的金属形成小型电池或腐蚀电池(电偶效应)，在暴露的大气中两种金属的接触界面处，电位较负的金属受腐蚀，通常以隙缝状凹坑形式出现。管道支撑部位底部的腐蚀就是这种腐蚀形态。

图1 均匀腐蚀

图2 局部腐蚀

图3 异金属电偶腐蚀

进一步了解得知，发生上述三种腐蚀形态的管道，一般管道本身的温度不高，经常在常温附近和60℃以下的范围，且裸露和保温的管道都会发生。

针对前两种腐蚀形态，目前经常采用的修复技术手段有以下几种。

对于局部点蚀(特别是后期穿孔情况):采用带压堵漏、包扎卡箍。

对于大面积均匀麻点状腐蚀:采用更换管道或安全评估。对企业来说有一种情况经常会发生，那就是对于均匀外腐蚀管道，短时间内由于生产要求不能更换管道，系统无法进行退料，现场又不能动火，而安全评估又无法满足保证一个检验周期内安全使用要求，从安全角度考虑，势必进行非正常停运，给企业带来巨大经济损失。

而针对第三种支撑部位的局部腐蚀目前除了局部更换管道外，没有更好的办法解决。因此寻找一种既能满足管道强度要求，又能消除管道局部腐蚀进一步发生，同时在管道不退料、不动火前提下的再修复技术，成为解决这一难题的关键。而且对于企业来说，做好应急预案、应急管理工作也是保证企业安全生产的一个重要前提。因此当务之急就是找到一种方法在管线发生严重局部腐蚀，甚至穿孔泄漏之前，就把这一问题彻底解决。

通过调研和装置实际情况，认为采用碳纤维增强修复技术解决管道支撑部位的局部腐蚀应该是目前最好的方法之一。采用此技术即可增强管道支撑部位原有的局部腐蚀带来的强度减弱，又可避免今后进一步发生腐蚀的情况。同时可避免现场动火操作，保证运行中管道本身的安全生产。

3 碳纤维增强修复技术在管道支撑部位腐蚀中的应用

传统意义上对管道存在的大面积腐蚀超标缺陷，经常采用的修复措施主要是更换管道等。由于支撑处存在腐蚀缺陷的管道生产上无法停车进行修理或更换，过去常采用玻璃纤维作为修复材料，但由于玻璃纤维的弹性模量约70 GPa，实际管道碳钢弹性模量在200 GPa左右，两者相差较大，影响了两者之间的粘结强度和变形协调能力，而碳纤维的弹性模量与碳钢相当接近，且碳纤维材料强度又比碳钢本身强度高很多，因此本次对管线支架部位的修复材料采用碳纤维复合材料。

3.1 选择决定碳纤维修复增强工艺路线

考虑到企业中的实际管道情况较为复杂，装置中一些管道布置空间较为紧密，大部分管线留用空间不会很大，所以在进行管道包覆时采用环氧树脂浸渍碳纤维的湿法缠绕包覆方法，以此达到修复增强的效果。

3.2 包覆修复主要依据

根据A节点界区管道的服役工况及现场条件，采用碳纤维复合材料修复技术主要依据有如下几点。

a)服役工况中温度因素:需要进行包覆修复的界区管道其服役温度都是常温，都在碳纤维复合材料玻璃态转变温度以下(根据试验结果Tg=97℃)。

b)管道表面外腐蚀因素:管道支架处为外表面腐蚀，采用碳纤维复合材料修复可以使管道本体与外部环境及横梁隔绝，因而管道本体金属不会再发生继续腐蚀情况。

c)管道表面缺陷结构强度因素:由于管道表面几何尺寸不连续(腐蚀凹坑)以及应力集中，会发生局部结构强度下降，采用高强度的碳纤维复合材料能增强管道结构的整体强度。

d)通过抬高支架处局部管道到一定高度后，在现场采用环氧树脂浸渍碳纤维的湿法缠绕包覆方法进行施工是可行的。

基于以上4点分析，结合实际情况，本次采用碳纤维复合材料增强修复工艺对支架处管道进行包覆是适当的、可行的。

3.3 碳纤维增强修复主要遵循的标准

碳纤维增强修复主要遵循的标准有:API579 E/ASME FFS－1(2007) 《Filness－For－Service》、ASME B31G《Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded pipeline》、ASME PPC － 2(2011)《Mormetallic and Bondel Repairs》、API R P581 Risk－Based Inspection Technology、《中华人民共和国特种设备安全法》2014。

3.4 碳纤维增强修复适用缺陷情况及范围

碳纤维增强修复技术适合下列缺陷类型:管道外部腐蚀和外部损伤;管道内部腐蚀和磨蚀;管道局部泄漏;管道制造缺陷;本项修复技术适用的管道服役温度范围:100℃以下。

3.5 碳纤维增强修复包覆层数或厚度计算

根据ASME PPC－2，计算碳纤维包覆厚度。根据经验，碳纤维包覆层数约为3层，根据现场实际横梁宽度，支架处包覆宽度定为500 mm。

3.6 现场碳纤维修复实施工艺

碳纤维修复管道工艺路线简单归结为:预处理、填缝、包覆碳纤维、固化、后期处理。

施工前准备。包括确定缺陷尺寸、修复补强材料及工具准备等。根据ASME PPC－2《Mormetallic and Bondel Repairs》标准计算所需要的补强层数;采用相应的吊装机具将所要包覆的支架处管道抬高至一定高度以便进行包覆工作;对管道表面进行清理。由于环氧胶和补强剂在光滑和油污表面的粘结强度效果会大大降低，所以需要用丙酮或酒精溶液对缺陷表面进行擦拭，确保做到无水、无油、无污垢。同时还应去掉缺陷表面的金属氧化物，对表面进行喷砂处理。研究表明，这样可以增加环氧树脂和金属间的传递力，强化补强性能;对缺陷位置进行补强剂的填充，填充时应注意尽量压实补强剂，尽量保证没有气泡，外形与管道外壁一致;涂刷特制抗阴极剥离绝缘底胶(在保证与管体不发生阴极剥离的情况下，杜绝碳纤维电偶腐蚀的发生);在填充物表面涂上底胶。底胶用于粘结碳纤维层和管壁的粘结，起到传递应力的作用;缠绕包覆碳纤维布。在底胶表面凝胶后(用手指接触已硬化即可)确认没有水分和尘土的附着，将碳纤维布贴到已经标好的管道缺陷位置，碳纤维布需要始终绷紧，施加一定的预紧力。一边包扎一边用滚轮涂上碳纤维浸渍胶;补强层边界及端口封口处理。在碳纤维布包扎结束后，需要用刮片将碳纤维布压实，使层与层之间贴合的更紧密。挤压出的多余的粘结剂和剩余的粘结剂，用橡胶抹刀在纤维层的边缘抹成斜坡，以防日后外界有灰尘或者腐蚀介质进入碳纤维层;固化。修复层在紧固条件下固化，可以有效排除固化时的气泡，并有效防止脱粘、分层、空鼓、开裂和鼓泡等现象发生;防腐处理。在碳纤维补强施工完成后，需要使用防腐冷缠带、热缩带或其他防腐材料在补强层外进行防腐处理。

采用碳纤维增强技术对A节点界区管道共617处支架部位进行了包覆修复(图4)，取得了预期的效果，有效降低了支架处局部腐蚀管道运行的安全隐患，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。

图4 管道支架处碳纤维包覆修复后宏观照片

4 结语

长周期运行是石化企业降低生产成本，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的劣质化问题，内外腐蚀等现象日益突出，如何最大限度发挥设备或管道的潜能，使开工周期更长，是需要不断探索的课题。设备或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管道，一旦出现问题可能会引起重大设备事故，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，停车消缺的机会也会逐渐减少，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，可为缺陷设备或管道在线修复提供技术支持，在保障生产装置长周期运行中起到了积极作用。采用此技术既可增强管道支撑部位原有的局部腐蚀带来的强度消弱，又可避免该部位局部腐蚀的进一步发生，同时在管道不退料、不动火前提下进行管道的再修复，为生产装置解决了这些支撑处发生局部腐蚀却无法进行停工检修的界区管道的一大难题。