碳纤维补强技术在石化装置的应用分析

米 涛

（中国石化青岛石油化工有限责任公司，山东青岛 266043）

0 引言

石油化工等能源行业的发展对国家经济发展有着重大影响，尤其是在当前全球能源需求日益紧张的背景下，石化行业的战略地位越来越重要。目前石化装置的发展趋于大型化、一体化，其输送介质的特点也日趋复杂，在生产实践中存在大量泄漏、爆炸以及中毒等风险，给企业经济效益增长构成严重的威胁。为此，石化企业就必须遵循稳定性、可靠性、安全性原则，提高石化装置的运行水平。碳纤维补强技术在石化装置管道中具有很高的应用价值，可以有效解决一些管道腐蚀与破坏问题，因此有必要围绕其在石化装置的应用进行探讨与研究。

1 石化装置概况

石化装置的运行具有很强的周期性与系统性，期间包含设计、采购、安装、开停工、材料管理、维修管理等方面工作。因为受到多方面因素的影响，控制石化装置运行的稳定性与可靠性往往具有一定难度。本质上，石化装置正常运行必须建立在设备管理合理、状态良好的基础之上。目前，石油化工企业必须致力于现代新型技术的研究与开发，遵循科学性、有效性原则，使石化装置的运行状态趋于稳定、可靠，从而规避相关风险。

在当前国际市场竞争日益激烈的情况下，石化企业对石化装置运行周期的要求越来越高。一直以来，石化企业都十分关注石化装置运行管理问题，并致力于提高其运行周期，石化装置的检修周期从最早的一年一修到现在的4 年一修，可以说取得的成果非常突出。当然，与一些发达国家相比，我国石化装置的运行管理依然存在着一些问题。实际上，装置的运行周期长短在很大程度上取决于设备运行周期的长短，如果设备能够保持良好的运行状态，那么石化装置的运行自然也会趋于稳定、可靠。因此，如何做好设备管理工作，促使完整性与周期性得到强化具有重大的现实意义。在设备完整性管理工作中，修复补强是非常关键的一个环节，而碳纤维补强修复技术的运用，则大大缓解了石油化工行业中的管道修复压力，因此，有必要围绕该项技术在实践中的应用与发展展开深入的探索与研究。

2 碳纤维补强修复技术

2.1 技术类型

（1）预成型法。所谓的预成型法，就是提前在工厂利用不饱和聚酯和碳纤维来处理缺陷管道，根据管道管径进行复合套筒的预制工作，然后在现场管道表面利用强力胶将其与复合层粘结到一起，从而使管道恢复强度。预成型法最早源自美国，修复材料以玻璃纤维为主，主要用于压力管道外腐蚀缺陷修复，至今已有20 多年的历史。

（2）湿缠绕法。湿缠绕法就是先在管道上缠绕碳纤维布，然后在纤维布上涂刷树脂，按照特定的温度与时间使树脂固化、与纤维布形成一层复合层，并与原有管壁紧密地贴合在一起，在管道承受圆周应力时分摊管道腐蚀部位的集中应力，最后使管道缺陷部位维持在一个安全的状态。该项技术也源自于美国，在很多管道缺陷修复中具有很高的应用价值。湿缠绕法对温度有一定要求，一般以-25～160 ℃为宜。

2.2 适用范围

碳纤维复合材料修复技术有一定的适用范围，在管道外部腐蚀、机械损伤、内腐蚀以及磨损、生产过程中出现泄漏与缺陷等情况下，使用效果比较理想。以内腐蚀为例，在设备与管道修复中维修人员需要分析实际情况，确定维修寿命，从而充分发挥碳纤维修复补强技术的作用。

2.3 技术特点

目前，在很多石化装置管道修复技术中，碳纤维补强修复技术有着非常突出的优势。在我国长输油气管道与城镇燃气管道的使用与运行过程中，碳纤维补强修复技术的应用也趋成熟。该项技术主要有以下6 个应用特点：

（1）该修复技术应该建立在“三不”的基础上，即不卸料、不泄压、不动火。该项技术不需要采取焊接的方式，减少管道运行风险同时可以确保管道运行不会中断，促使石化装置运行周期趋于稳定。

（2）与其他材料相比，碳纤维在弹性模量、抗拉强度以及延伸率方面都具有突出优势，如其与碳钢具有几乎相同的弹性模量。美国天然气研究协会的调查与研究发现，在压力管道修复工作中复合材料的抗拉强度与弹性模量往往决定了其修复效果，这样碳纤维的特性决定了其具有较高的应用价值。

（3）碳纤维复合材料与修补剂的各方面特性均比较突出，如层间剪切强度、耐腐蚀能力、耐温性能以及抗老化性等比较高。

（4）因为复合材料补强层厚度薄且质量低，其与管道的协同性相对理想，复合材料不会对管体造成二次损伤。

（5）碳纤维布具有良好的柔韧性，在焊缝余高偏高、错边与变形比较严重的缺陷修复中能够取得理想的效果。与此同时，碳纤维还能够在弯管、三通以及大小头等不规则关键修复中发挥较好的作用

（6）碳纤维补强修复技术具有较强的灵活性，而且修复难度不大，能够在短时间内完成修复作业。

3 碳纤维补强修复技术在含缺陷压力管道中的应用

3.1 石化装置压力管道损伤分析

以某石化企业为例，对其石化装置压力管道损伤进行研究。该企业每年压力管道检验长度为200 km，近几年缺陷率为10%左右。通过分析可知，管道缺陷主要分为3 种，即腐蚀、应力腐蚀开裂以及原始缺陷。调查还发现，腐蚀与原始超标缺陷为主要的缺陷形式，考虑到强度因素对含缺陷因素造成的影响使其产生破裂与泄漏，技术人员选择补强修复方式来实现管道运行状态的调整，从而有效控制非计划停车，延长管道使用寿命。

3.2 修复方案

在对管道缺陷情况进行检测的过程中，技术人员对缺陷的具体参数进行了确认，并根据管道运行工况与承受能力，遵循安全性、可靠性、经济性以及科学性原则，对管道缺陷修复方案进行了设计。

选取腐蚀减薄或穿孔管道修复为例。之前企业对这类含缺陷管道的修复都是采用局部更换管段或者焊接修复的方式，然而这种修复方式违背了“三不”原则（即不接受不良品、不制造不良品、不流出不良品），限制到上下游的正常生产且安全风险较大，对装置运行周期造成一定影响。为了保障生产活动正常进行，技术人员选择了碳纤维符合材料修复补强技术。在技术应用过程中，需要充分考虑使用单位的修复目标以及设备服役情况，并按照一定规范标准，确定修复层厚度的最小值、补强层数、轴向修复长度等参数，确保管道最大许可操作压力符合修复要求，从而在管道正常运行的情况下完成修复补强作业。

3.3 施工控制要点

（1）预处理。在施工准备阶段，技术人员需要对修复方案进行仔细阅读，从而确定修复范围并做好标记。在预处理过程中，首先要按照一定规范标准，采用机械或喷砂除锈的方式，清除管道缺陷轴向两边一定距离的表面防腐层与氧化物。如果管道腐蚀情况严重，那么在清理表面时还应该采取降压操作，

（2）填缝。对于腐蚀缺陷，应该用修补剂填充，并且修补剂应在现场进行调制。在填补过程中，填补位置边缘与管体表面应趋于平滑，确保其固化水平达到一定要求，如此才能使碳纤维符合材料与修补剂接触到位，不会发生空鼓现象。

（3）环氧底漆涂抹。按照超过0.2 mm 的厚度标准，将环氧底漆涂涂抹在管道补强位置，从而有效隔离碳纤维符合材料与管壁，有效控制电偶腐蚀问题。

（4）碳纤维包覆。使用环氧树脂与碳纤维片材铺粘到一起，使纤维复合层材料补强层得以形成。碳纤维布应该保持紧绷状态，可以施加相应的预紧力并进行反复辊压，从而消除复合材料层、材料以及管道外表面间的气泡与空鼓。

（5）固化与后期处理。在完成补强修复之后，应该做好补强区域树脂固化工作，具体操作可以选择塑料薄膜进行覆盖，确保规避风沙、雨水等干扰。在作业温度不超过5 ℃的情况下，还要调整材料或者采取加温措施来保障固化效果。在后期处理工作中，还要在保温管道表面涂刷防腐涂漆，恢复保温层。

4 结束语

石化企业为了保障自身综合效益，就必须遵循稳定性、可靠性、安全性原则，提高石化装置的运行水平。碳纤维补强技术可以有效解决一些管道腐蚀与破坏问题，在石化装置管道中具有很高的应用价值，因此有必要围绕其在石化装置的应用进行探讨与研究。