CN101204770B - 压力结构夹具与纤维复合材料组合增强技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力管道、管件和压力容器修复补强和增强技术，具体来说，本发明涉及对上述各种结构进行的纤维增强复合材料与夹具注可固化聚合物相结合的修复补强和增强技术及其使用方法和应用。本发明的修复补强增强技术是在需要修复、补强或增强的部位首先铺设一层或多层纤维增强复合材料，接着在该纤维增强复合材料外面安装夹具，并在夹具与管道、管件或压力容器之间填充可固化聚合物，完成此部位的修复补强增强。本发明的修复补强增强技术适合于各种管道、管件和压力容器进行临时抢修或长期修复补强增强，延长使用寿命，提高安全运行压力等。

Description

压力结构夹具与纤维复合材料组合增强技术

发明领域

本发明涉及压力结构的修复补强和/或增强的技术，具体来说，本发明涉及应用纤维增强复合材料与夹具注可固化聚合物相结合的技术对各种压力管道、管件、压力容器、储罐等进行修复补强和/或增强的方法和其应用。所述的修复补强和/或增强的技术适合于各种管道，特别是油气管道在不停输的情况下进行临时抢修，或长期修复补强增强，延长使用寿命，提高运行压力等。

背景技术

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***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道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。

近年来有一些关于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。另外对于某些特殊管件，例如管道的固定墩，由于结构几何特性限制，单用碳纤维补强则难以达到增强效果。

本发明人经过长期的研究，提出了一种将纤维复合材料补强技术与夹具注可固化聚合物技术相结合的新的补强方法，不仅可以满足结构对于轴向力学补强的需求，而且可以满足管道对于弯曲抗力补强的需求，还可以用于一些特殊结合结构的异型管件的补强。该方法是一种对管道及辅助设施进行修复补强增强和提高运行压力及安全系数的新方法。本发明的技术适合于各种压力管道、管件、压力容器、储罐等在不停输的情况下进行临时抢修，或长期修复补强，延长使用寿命，提高运行压力等。

本发明的技术可在管线不停输的情况下进行修复补强增强作业，施工过程中不需要大型的机械吊装设备，不需要切割管道、管件等，有补强效果好、抗腐蚀、耐老化、适用范围广等优点。

发明内容

本发明的目的是提供了应用纤维增强复合材料与夹具注可固化聚合物相结合的技术对各种压力结构进行修复补强和/或增强的方法；该方法包括以下步骤：

(1)在需要修复、补强或增强的部位铺设一层或多层纤维增强复合材料；

(2)接着在该纤维增强复合材料外面安装夹具，并在夹具与压力结构之间填充可固化聚合物。

本发明所用的术语“压力结构”包括在压力下储存和/或输送物料的设备，例如压力管道、压力管件、压力容器、储罐等。本文中所述的“管道”通常是指“压力管道”，所述的管道包括直管道和异型管道，后者包括带有固定管托或加强筋等附件的管道结构；其中所述的管件包括管道安装结构件和附件，特别是异型的构件，所述的管件包括变径接头、法兰接头、管帽和各种阀门等，以及管道的附属部件例如管托、加强筋等。在本发明的描述中使用术语“管道结构”、“管道”等综合表述管道以及与其相关的管道附件，在涉及本发明修复、补强和/或增强的技术方案时，所描述的技术内容可延伸至所有的压力结构。

具体的，本发明所述需要修复、补强和/或增强的压力结构包括有缺陷的和无缺陷需要增强的管道、管件或压力容器，特别是管道结构。

上述缺陷包括体积型缺陷、平面型缺陷、弥散损伤型缺陷或几何缺陷等。所述的体积型缺陷主要包括腐蚀造成的点、槽、片状等缺陷以及因机械损伤引起的凹坑、鼓胀、沟槽、整体变形等；所述的平面型缺陷主要包括应力腐蚀裂纹、氢致宏观裂纹、焊缝裂纹缺陷或疲劳裂纹等；所述的弥散损伤型缺陷主要包括疲劳萌生微裂纹、氢鼓泡氢致微裂纹或蠕变损伤微裂纹等；所述的几何型缺陷主要包括噘嘴、错边等。本发明的方法尤其适用于各种裂纹缺陷，包括环焊缝裂纹缺陷和螺旋焊缝裂纹缺陷等的修复补强和/或增强。

本发明所使用的术语“纤维增强复合材料”由胶粘剂和纤维材料构成。

本文中所使用的术语“复合材料”由增强相和基体相构成，其中所述的复合材料是用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分(或称组元)，经过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的，具有特殊性能的材料。

在所述的复合材料中，以胶粘剂为基体相，以纤维为增强相构成的复合材料被称为纤维增强复合材料。

作为基体相的胶粘剂，通常使用常规的热固树脂和热塑性树脂，如环氧树脂。

上述纤维增强复合材料包括连续纤维增强复合材料和非连续纤维(例如晶须和短切纤维)增强复合材料，优选连续纤维增强复合材料。

构成上述连续纤维增强复合材料的纤维材料包括单向纤维，无纬布叠层(正交、斜交)、二维织物层合、多向编织复合材料和混杂纤维复合材料。

上述连续纤维包括有机纤维(如芳纶纤维、聚乙烯纤维)、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、硼纤维，优选碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维，更优选碳纤维。

具体来说，本发明方法中铺设纤维增强复合材料的方法是湿法粘贴，该方法包括：

(1)在需要修复、补强和/或增强的部位涂刷胶粘剂；

(2)在涂刷了胶粘剂的部位铺设纤维；

任选地重复(1)和(2)多次，然后进行固化，其中每层使用的纤维可以相同或不同。

或者：

(1)将胶粘剂涂刷到纤维上；

(2)在需要修复、补强和/或增强的部位铺设上述涂刷了胶粘剂的纤维；

任选地重复(1)和(2)多次，然后进行固化，其中每层使用的纤维可以相同或不同。

上述涂刷了预浸胶粘剂的纤维包括涂刷了胶粘剂并且固化完全已经形成纤维复合材料的纤维，以及涂刷了胶粘剂，需要在实际操作中加热固化以形成纤维复合材料的纤维。

在本发明的方法中，所述增强纤维的铺设可沿管道轴向铺设、环向铺设、或以一定角度铺设，也可以是几种铺设方式的任意组合，例如其中二种或三种铺设方式的组合。

其中所述增强纤维的铺设部位可以沿管道的整体组合铺设，也可以在管道局部组合铺设。

具体来说，上述铺设纤维增强复合材料的方法是湿法粘贴纤维增强复合材料的方法，即按一定的尺寸及层数粘贴上述纤维增强复合材料，所述纤维增强复合材料涂刷了所述的粘浸胶，或用所述的粘浸胶浸渍，且根据需要使各层材料沿管道的径向或环向放置，相邻的两层材料之间可以是平行的、垂直的或以一定角度交错铺设的，或是纵横交错的。

本发明方法中所使用的可固化聚合物可选自液体橡胶，液体硅橡胶，纤维素衍生物，乙烯聚合物和共聚物，饱和或不饱和聚酯，聚丙烯酸酯，聚醚，聚砜，氨基塑料，环氧化物，酚醛树脂，聚芳烃，呋喃类以及其改性物；优选的可固化聚合物是环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、氨基树脂或不饱和聚酯树脂，更优选环氧类或改性环氧类树脂，最优选环氧树脂。

上述可固化聚合物的主要作用为承压和传力，优选使用本领域常用的可固化聚合物例如环氧类或改性环氧类树脂，更优选环氧树脂。其弹性模量和抗压强度越大越好，弹性模量至少大于0.1GPa，优选大于1.0GPa，更优选大于2.0GPa；抗压强度至少大于10MPa，优选大于20MPa，进一步优选大于50MPa。

根据本发明的方法，在需要修复、补强和/或增强的压力结构上铺设一层或多层纤维增强复合材料并使之固化之后，在该纤维增强复合材料外面安装夹具，并在夹具与压力结构之间填充可固化聚合物。其中安装夹具和注入可固化聚合物的步骤可按照下述方法进行：

(1)根据需要修复、补强和/或增强的压力结构的形状和大小制作夹具，所述夹具的形状与需要修复补强的结构相似，但其尺寸应该大于所述的结构的组件，该夹具通常由2-4部分组成，在该夹具上设有一个或多个灌注孔以及一个或多个排气孔；

(2)将所述夹具的各部分套在需要进行修复、补强和/或增强的结构之外，其位置是使所述的夹具与结构部件之间形成大致均匀的空隙；

(3)将所述夹具的各组成部分之间以焊接或螺栓连接的形式连接，使之成为一个夹具整体；

(4)将所述夹具的端部与需要修复补强的管道结构之间以焊接或用密封材料密封的方式，或其任意结合的方式紧密连接；

(5)通过在所述夹具上预留的灌注孔，向夹具与需要修复补强的结构之间形成的空隙中灌注可固化聚合物；和

(6)使所灌注的聚合物固化。

具体的，本发明方法中安装夹具和注入可固化聚合物的步骤按照下述方法进行：

(1)根据需要修复、补强或增强的管道、管件或压力容器的形状和大小制作夹具，所述夹具的形状与需要修复补强的管道、管件或压力容器相似，但其尺寸大于所述的管道、管件或压力容器的组件，该夹具通常由2-4部分组成，在该夹具上设有一个或多个灌注孔以及一个或多个排气孔；

(2)将所述夹具的各部分套在需要进行修复、补强和/或增强的管道、管件或压力容器之外；

(3)将所述夹具的各组成部分之间以焊接或螺栓的形式紧密连接，使之成为一个夹具整体，优选以焊接形式连接，其焊接部位优选开45度坡口；

(4)将所述夹具的外沿与需要修复补强的结构之间以焊接、螺栓和通过密封材料之一的方式，或其任意结合的方式紧密连接，优选通过焊接和/或密封材料使之紧密连接并封堵；使所述夹具与需要修复、补强或增强的管道、管件或压力容器的构件之间的相对位置是所述的夹具与结构部件之间形成大致均匀的空隙；

(5)通过在所述夹具上预留的灌注孔，向夹具与需要修复补强的管道结构之间形成的空隙中灌注可固化聚合物；

(6)使所灌注的聚合物固化，所述的夹具与经过纤维增强复合材料修复补强的管道结构通过固化的树脂形成一个整体，从而完成了此结构的修复补强和/或增强。

其中所述的夹具由多部分组成，优选2-4部分组成，更优选由2部分组成。所述夹具与需要修复补强的管道、管件或压力容器之间的间距优选0.2—50毫米之间，更优选1-10毫米。

在上述夹具上设有一个或多个，优选1-3个灌注孔，以及一个或多个，优选1-3个排气孔。预开的孔可以处在夹具的任意位置，优选处于对称或接近于对称的位置。孔上可以分别装灌注嘴和排气嘴。

另外，在夹具的合适位置还有一个或多个孔，用于控制需要修复补强的管道、管件或压力容器与夹具之间的间距，该间距通常为0.2-50mm，优选1-10mm。

另外，在所述夹具的合适位置还可设置一个或多个孔作为指示孔，用于观察可固化聚合物的灌注进度。

本发明的纤维增强复合材料与夹具注可固化聚合物相结合的修复补强和/或增强技术可应用于所有的压力结构，包括压力管道、压力管件、压力容器、储罐等，特别适用于压力管道的修复补强和/或增强。对于没有缺陷或有各种缺陷的管道、管件或压力容器，纤维增强复合材料能够很好地增强管体或压力容器的强度，并且对于各种裂纹具有广泛的止裂作用，使得管道、管件或压力容器的抗内压能力大大提高；而外层填充可固化聚合物的夹具又可以大大提高管道、管件或压力容器的抵抗外压及抵抗弯曲的能力。

更具体地来说，本发明提供了一种用于管道结构的纤维增强复合材料与夹具注可固化聚合物相结合的修复补强和增强技术，该方法包括以下步骤：

(1)在需要修复补强的管道结构之外，铺设一层或多层复合材料补强层；

(2)根据该管道结构的形状和大小制作夹具，所述夹具的形状与需要修复补强的管道结构相似，但其大小尺寸大于所述的管道结构或其组件，该夹具通常由多部分组成，在该夹具的合适位置设有二个或多个孔；

(3)将夹具的各部分套在需要修复补强的管道结构之外；

(4)将所述夹具的各组成部分之间紧密连接，形成一个夹具整体；

(5)将所述的夹具的外沿与该管道结构之间封堵；

(6)通过在所述夹具上预留的灌注孔，向夹具与需要修复补强的管道结构之间形成的环形空隙空间中灌注可固化树脂；和

(7)所灌注的树脂固化，使夹具与需要进行修复补强的管道结构通过固化的树脂形成一个整体。

按照上述的方法，所述的复合材料，可以是碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、玄武岩纤维、芳纶复合材料，优选碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，再优选碳纤维复合材料。

所述的复合材料的增强纤维，可以沿管道轴向铺设，也可以环向铺设，或以一定角度铺设，也可以是几种铺设方式的任意组合，优选沿管道轴向铺设。其中所述的夹具由多部分组成，优选2-4部分组成，更优选2部分组成。其中所述的夹具与需要修复补强的管道结构之间的间距优选0.2—50毫米之间，更优选1-10毫米。

上述组成夹具的各部分之间以焊接或螺栓的形式紧密连接，形成一个夹具的整体。

上述夹具与需要修复补强的管道结构之间，通过焊接、螺栓或用密封材料的方式，或几种方式的任意组合，连接并封堵，形成空隙空间，优选通过焊接的形式和用密封材料的方式。

上述的密封材料，包括具有良好密封性能的橡胶、硅胶、可固化树脂、胶泥和加强钢筋或几种材料的任意组合，优选可固化树脂和加强钢筋。

在夹具上有二个或多个孔，优选2-10个孔，更优选2-6个孔作为灌注孔和排气孔。预开的孔可以处在夹具的任意位置，优选处于相对或接近于相对的位置。孔上可以分别装灌注嘴和排气嘴。

上述的可固化树脂，包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、氨基树脂、不饱和聚酯树脂，优选环氧树脂。

在所述夹具的合适位置还有一个或多个孔，用于控制需要修复补强的异型管道结构与夹具之间的间距，和/或作为指示孔，用于观察树脂的灌注进度。

更具体的，本发明方法中，步骤1铺设一层或多层复合材料的操作如下：

①首先对金属管道进行表面清理；

②对金属管道表面的缺陷进行修补：将钢管表面凹陷部位，例如蜂窝、麻面、小孔、焊缝附近等用填平树脂填平，修复至表面平整；

③湿法粘贴纤维布：按一定的尺寸及层数粘贴纤维布，按一定的尺寸及层数粘贴碳纤维片材，所述纤维布涂刷了所述的粘浸胶，或用所述的粘浸胶浸渍，且根据需要使各碳纤维布层沿管道的径向或环向放置，相邻的两层纤维布可以是平行的、垂直的或以一定角度交错铺设的。或是纵横交错的。

本发明方法中，上述步骤2是根据需要修复补强的金属管道结构的形状和大小制作夹具，所述的夹具是形状与需要修复补强的管道结构相似，但其大小尺寸大于所述的管道结构和/或异型管件的组件。其中所述的夹具通常是由金属材料制成，优选与需要修复补强的异型管道结构的材质相同。为了便于组装，该夹具通常由多部分组成，优选由2-4部分组成，再优选2部分组成。

本发明方法中，上述步骤3是将构成夹具的2-4个，优选2个组件套在需要修复补强的管道结构上，并且应尽量使所述的夹具与需要修复补强的异型管道结构之间相对位置匀称，即两者之间的任意位置都有类似的距离，以使固化的树脂层有尽可能均匀的厚度，可在所述夹具的合适位置设置一个或多个孔，用于控制夹具与需要修复补强的异型管道结构之间的间距，所述的间距通常在0.2—50毫米之间，优选1-10毫米。上述孔的数目和位置的设置是本领域技术人员所熟知的。

本发明方法中，上述步骤4是将所述组成夹具的各组成部分之间以焊接或螺栓的形式紧密连接，形成夹具整体。最优选夹具由二部分组成，二部分之间通过焊接连接，使其形成一个整体。

本发明方法中，上述步骤5是通过焊接、螺栓或用密封材料等方式，或以它们任意结合的方式将所述的夹具的外沿与该管道结构和/或异型管件之间封堵；优选采用通过密封材料和/或以焊接方式进行封堵。所述的密封材料要能够确保下一步骤灌注环氧树脂时无泄漏。所述的密封材料选自具有良好密封性能的橡胶、硅胶、环氧树脂、胶泥和加强钢筋及其他钢结构等，可采用其中的任意一种或是其中任意二种或多种的组合。

本发明方法中，上述步骤4和5中，如在所述组成夹具的各部分之间，以及所述夹具与需要修复补强的管道结构之间进行焊接连接，其焊接部位优选开45度坡口。

本发明方法中，上述步骤6和7是通过在所述夹具上预留的灌注孔，向夹具与需要修复补强的管道结构和/或异型管件之间形成的空隙中灌注树脂；使所灌注的树脂固化。其中的树脂，包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、氨基树脂、不饱和聚酯树脂，优选环氧树脂。夹具与需要进行修复补强的管道结构通过固化的树脂形成一个整体，完成了此结构的修复补强。

为了灌注树脂，在本发明的夹具上设置有一个或多个灌注孔，并有一个或多个排气孔，例如一个或二个灌注孔，和一个或二个排气孔。灌注孔的开孔位置应在离焊缝中心大约30毫米处，不宜在管道焊缝及其边缘上开孔。灌注孔和排气孔数目的设置取决于需要灌注的树脂的量以及树脂的固化时间，即灌注的速度必须确保在树脂操作时间内能够完成所需树脂量的灌注。

为便于灌注操作，可在灌注孔和排气孔上安装灌注嘴和排气嘴，所述的灌注嘴和排气嘴通常是通过螺纹旋入安装在灌注孔和排气孔上。所述的灌注嘴和排气嘴可以是简单的、其直径适于与灌注泵连接的直管或带有波纹口的直管，优选使用市场上能够买到的高压止水针头，该针头利用环压紧固的原理，在其头部设有单向截止阀，可防止浆液在高压推挤下倒喷。在完成灌注操作并且确认树脂已经固化后，切除灌注嘴和排气嘴，需要时可用螺钉将各个灌注孔和排气孔密封。

在灌注树脂时，通常应使灌注孔处于底部，使排气孔处于顶部。一旦发现排气孔有树脂溢出，说明空隙内已经注满树脂。待树脂固化后，切除灌注嘴和排气嘴，需要时可用螺钉将各个灌注孔和排气孔密封。

为更好的控制灌注质量，还可在本夹具的合适位置设置一个或多个孔，作为指示孔，用于观察灌注进度。设置位置的选择原则是本领域技术人员所熟知的。

本发明上述方法中所用的树脂可以是市场上可以买到的任何树脂，优选所使用的能够满足下述表3性能指标的树脂。

表3可固化树脂力学性能要求范围

力学性能	范围	优化	更优化
				压缩强度	>10MPa	>20MPa	>50MPa
界面剪切强度	>2MPa	>10MPa	>20MPa
				界面抗拉强度	>2MPa	>5MPa	>10MPa
杨氏模量	>0.1GPa	>1.0GPa	>2.0GPa

上文所述的纤维增强复合材料与夹具注可固化聚合物相结合的修复补强和/或增强技术及其使用方法和应用主要在管道施工现场进行，部分工艺也可以在加工车间里进行。在实施管道修复补强工程项目中，优选根据工程的需要进行不同程度的预制，如将夹具的精细加工在加工车间进行，然后现场安装；也可以在构件各部分分别预制完成并检验合格后，运抵现场，全部在现场进行精细加工，然后再安装、焊接。

在实施本发明方法时，在铺设纤维增强复合材料之前，可根据需要对管道、管件或压力容器表面进行处理，如对表面进行清理；对表面的缺陷进行修补：将钢管表面凹陷部位，例如对蜂窝、麻面、小孔、焊缝附近等进行打磨和用填平树脂填平，修复至表面平整等。上述表面处理步骤如打磨、金属管道除锈、钝化等可提高界面结合力。另外，还可根据需要在管道、管件或压力容器的表面利用填平材料对表面不平处进行填平处理，其中填平材料，可以是市场上常见的填平树脂，如JH-找平胶，或者其他弹性模量较接近管体的材料，如BELZONA1221，其弹性模量较高，接近普通钢材的弹性模量，优选弹性模量接近管体材料的填平材料。常用的填平树脂是环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、氨基树脂、不饱和聚酯树脂或它们与一定的力学增强颗粒材料的混合物。优选所述的填平树脂是环氧树脂或其与力学增强颗粒材料的混合物。其中所述的力学增强颗粒材料是本领域常规使用的力学增强填充颗粒材料，如沙、石等。

本发明提供了用于对管道、管件或压力容器进行修复补强及提高运行压力的技术，该技术采用了复合材料增强夹具注可固化聚合物的修复补强增强技术。本发明所述的修复补强增强技术适用于各种管道及其辅助设施在不停输的情况下进行临时抢修，或长期修复补强，延长使用寿命，提高安全运行压力等。其中管道的材质包括各种金属管道和非金属管道(对于非金属材料不使用上述有关的焊接技术)，例如大型输油、输气管道及其辅助设施的修复补强及提高运行压力，其中所述的管道及其辅助设施是指各种不同口径的标准和非标准管道；各种管件，包括标准和非标准的弯头、三通、四通、异径接头、管帽和法兰接头等；管线中的异型结构，例如管托、加强筋等比较复杂的结构、阀门、以及上述各种结构可能的组合。

本发明用于管道、管件或压力容器的修复补强和/或增强的方法，将现有技术已知的用复合材料增强和夹具注树脂技术进行改进，并有机地结合起来，克服了单独使用复合材料增强时存在的难以应用于异型结构及抗弯曲能力补强不足的问题，和单独使用夹具注树脂技术时存在的沿管道轴向抗力补强效果不足的问题。

本发明的技术可在管线不停输的情况下进行本发明应用复合材料增强夹具注树脂技术的补强作业，该补强作业不仅有抗腐蚀、耐老化、补强效果好的优点，而且可同时提高运行压力，适用范围广。

附图说明

图1为本发明一种实施方案(实施例1)中管道及其缺陷示意图，其中1为需补强管道；2为机械损伤缺陷。

图2为本发明实施例1中碳纤维复合材料加强及加工夹具示意图。为了提高补强后的抗拉强度，首先增加碳纤维复合材料层。其中1为需补强管道；2为机械损伤缺陷，3是碳纤维复合材料增强层，4和5分别是夹具的两个组成部分；6是灌注孔；7是排气孔。

图3为本发明实施例1中夹具整体示意图。其中8是夹具整体与需补强管道之间的密封材料。

图4为本发明实施例1中灌注环氧树脂的示意图，图中的箭头9是指灌注环氧树脂时，环氧树脂的流动方向。

图5为本发明另一种实施方案(实施例2)中夹具加工示意图，该技术方案针对管道的十字管托周围部分进行补强，其中1为需补强管道；4和5分别是夹具的两个组成部分；6是灌注孔；以及7是排气孔；10和11是夹具上针对十字管托环向钢板加工的豁口部分；12和13是夹具上针对十字管托轴向钢板加工的豁口部分；14是十字管托的沿管道环向的钢板；以及15是十字管托的沿管道轴向的钢板。

图6为本发明实施例2中纤维复合材料加强示意图，该技术方案为了提高补强后的抗拉强度，首先增加纤维复合材料层。其中1为需补强管道；3是纤维复合材料增强层；4和5分别是夹具的两个组成部分；6是灌注孔；以及7是排气孔；10和11是夹具上针对十字管托环向钢板加工的豁口部分；12和13是夹具上针对十字管托轴向钢板加工的豁口部分；14是十字管托的沿管道环向的钢板；以及15是十字管托的沿管道轴向的钢板。

图7为本发明实施例2中灌注环氧树脂的示意图，其中1为需补强管道；6是灌注孔；7是排气孔；8是密封材料；图中的箭头9是指灌注环氧树脂时，环氧树脂的流动方向。

图8为本发明实施例2中十字管托补强后效果图。

图9为本发明实施例3中焊缝补强的示意图，其中1为需补强管道，16是环焊缝，4和5分别是夹具的两个组成部分，6是灌注孔，以及7是排气孔。

图10为本发明实施例3中焊缝补强步骤中纤维复合材料加强示意图。为了提高补强后的抗拉强度，首先增加纤维复合材料层。其中1为需补强管道；3是纤维复合材料增强层。

图11为本发明实施例3中焊缝补强后效果图。

图12为本发明实施例4中三通的示意图。

图13为本发明实施例4中三通补强夹具的示意图。

图14为本发明实施例4中三通补强步骤中纤维复合材料加强的示意图。

图15为本发明实施例4中三通补强后效果图。

具体实施方式

为了进一步阐述本技术所涉材料及施工工艺，给出了下述实施例。但是，这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1管道机械损伤缺陷补强实验

实验选择管道直径为Φ720mm，壁厚9mm，材质为Q235b。管道上有一个长40mm、宽10mm、深4.5mm的机械损伤。如图1。利用本发明的复合材料增强夹具注可固化聚合物技术对该管道进行修复补强。

实验按如下步骤进行：

1、碳纤维复合材料加强

首先对金属管道(1)进行表面清理；

对金属管道表面的缺陷进行修补：将钢管表面机械损伤缺陷(2)用填平树脂填平，修复至表面平整；

湿法粘贴碳纤维布：按长200mm宽为2170mm，沿管道轴向粘贴碳纤维1层，其中所述的碳纤维布涂刷或浸渍了本发明的粘浸胶。

24小时后，碳纤维复合材料(3)固化达到强度，进行下一步操作。

2、制作夹具

根据管道主管及机械损伤缺陷的结构和形状，加工特制的夹具。它由两个部分组成(见附图2的4和5)。即将直径为Φ760mm，壁厚9mm，与管道为相同材质Q235b的、长为400mm的管子切割而成均分的两个半圆，经过切割、角磨等方法精细机加工而成。然后将4和5除圆形截面外所有需焊接部分加工45度坡口，对坡口及其内外表面的油、漆、锈、毛刺等污物进行清理；

分别在在4和5上开灌注孔6和气孔7。在各孔上套丝，以便安装灌注嘴及排气嘴。

3、夹具的组接和安装

将夹具的两部分4和5分别套在主管1的两侧，见附图2。

将4和5之间以焊接的形式紧密连接，形成一个环形空间，注意使主管与夹具之间的距离尽可能的匀称。

4、环形空间的封堵

利用湖南神力实业有限公司的SK-110快干透明环氧胶8(密封材料，5-10分钟硬化；剪切强度≥8MPa)，封堵夹具与主管之间形成的环形空隙的边缘，形成封闭的环行空间。

5、灌注环氧树脂

在所述夹具的灌注孔和排气孔上分别安装灌注嘴及排气嘴。使灌注孔处于下方，使排气孔处于上方，采用手动泵通过灌注孔6向环形空间中灌注环氧树脂(见附图4)，所述环氧树脂为中国水利水电基础工程局提供的JX-1环氧树脂(抗压强度：54.3MPa；粘合强度：3.5N/mm2；抗压弹性模量：2.6Gpa；粘度：9.8mPa.s；操作时间：90分钟)。直至位于上方的排气孔7中溢出环氧树脂，停止灌注。

24小时后，环氧树脂完全固化。切除灌浆嘴及排气嘴，用螺钉密封所述的各孔。整套的补强措施开始与管体同步承力。(见附图3。)

根据SY-T5992-94《输送钢管静水压***试验方法》做***试验，达到18MPa后在管道没有缺陷未修复补强处***，而缺陷处由于补强措施，完好无损。表明本补强技术的实施，达到了修复补强效果。

实施例2十字管托补强实验

实验选择管道(1)直径为Φ720mm，壁厚9mm，材质为Q235b。管道正下方有一个600mm长的十字固定管托(焊接型轴向止推管托)。该管道在工程上设计压力为4.3MPa，利用本发明的复合材料增强夹具注可固化聚合物技术对该管道进行补强，提高压力。

实验按如下步骤进行：

1、碳纤维复合材料加强

首先对金属管道进行表面清理；

对金属管道表面的缺陷进行修补：将钢管表面凹陷部位，例如蜂窝、麻面、小孔、焊缝附近等用修补胶填平，修复至表面平整；

湿法粘贴碳纤维布：按长1000mm宽为2170mm，沿管道轴向粘贴1层碳纤维(3)，其中所述的碳纤维布涂刷或浸渍了粘浸胶。

24小时后，碳纤维复合材料固化达到强度，进行下一步操作。

2、制作夹具

根据管道及管托的结构和形状，加工特制的夹具。它由两个部分组成(见附图5的4和5)。将直径为Φ760mm，壁厚9mm，与管道为相同材质Q235b的、长为1m的管子切割而成均分的两个半圆，并在其上分别切割出形状和大小与管托十字架管托钢板(14)相应的豁口(见附图5的10，11)及与十字管托钢板(15)相应的豁口(见附图5的12，13)，经过气切割、角磨等方法精细机加工而成。然后将夹具(4)和(5)除圆形截面外所有需焊接部分开45度坡口，对坡口及其内外表面的油、漆、锈、毛刺等污物进行清理；

分别在在(4)和(5)上开灌注孔(6)和排气孔(7)。在各孔上套丝，以便安装灌注嘴及排气嘴。

3、夹具的组接和安装

将夹具的两部分(4)和(5)分别套在主管的两侧。使十字管托的钢板(14)正好嵌入豁口(10)和(11)里，而钢板(15)则正好卡入豁口(12)和(13)里。

将(4)和(5)之间以及与夹具和管托钢板(14)和(15)之间以焊接的形式紧密连接，形成一个环形空间，注意使主管与夹具之间的距离尽可能的匀称，组装后的外观参见附图7。

4、环形空间的封堵。

利用密封材料(8)(湖南神力实业有限公司的SK-110快干透明环氧胶，5-10分钟硬化；剪切强度≥8MPa)，封堵夹具与主管之间形成的环形空隙的边缘，形成封闭的环行空间。

5、灌注环氧

在所述夹具的灌注孔和排气孔上分别安装灌注嘴及排气嘴。使灌注孔处于下方，使排气孔处于上方，采用手动泵通过灌注孔(6)向环形空间中灌注环氧树脂，所述环氧树脂为中国水利水电基础工程局提供的JX-1环氧树脂(抗压强度：54.3MPa；粘合强度：3.5N/mm2；抗压弹性模量：2.6Gpa；粘度：9.8mPa.s；操作时间：90分钟)。直至位于上方的排气孔(7)中溢出环氧树脂，停止灌注。

24小时后，环氧树脂完全固化。切除灌浆嘴及排气嘴，用螺钉密封所述的各孔。整套的补强措施开始与管体同步承力。(见附图8。)

根据SY-T5992-94《输送钢管静水压***试验方法》，做***试验，达到19.2MPa后在管道未补强处***，而十字管托处由于补强措施，完好无损。表明本补强技术的实施，达到了修复补强效果。

实施例3环焊缝补强实验

实验选择管道直径为Φ325mm，壁厚7mm，材质为Q235b。管道中间为环焊缝，夹具长400mm(见附图9)。

实验按如下步骤进行：

1、碳纤维复合材料加强

首先对金属管道进行表面清理；

在焊缝附近用修补胶填平，修复至表面平整；

湿法粘贴碳纤维布(见附图10)。

碳纤维复合材料固化达到强度，进行下一步操作。

2、制作夹具

与实施例1类似，根据管道结构和形状，加工夹具(见附图9)。

3、夹具的组接和安装(参见实施例1)

4、环形空间的封堵。

利用密封材料(8)(湖南神力实业有限公司的SK-110快干透明环氧胶，5-10分钟硬化；剪切强度≥8MPa)，封堵夹具与主管之间形成的环形空隙的边缘，形成封闭的环行空间。

5、灌注可固化聚合物

在上述的环形空间内灌注可固化的液体硅橡胶，硅橡胶固化后，整套的补强措施开始与管体同步承力。(见附图11)。

实施例4非金属管道补强实验

实验选择管道直径为Φ60mm，壁厚4mm，材质为PVC。管道中间有损伤。利用本发明的复合材料增强夹具注可固化聚合物技术对该管道进行修复补强。具体方法类似于实施例1。

实施例5三通补强实验

实验选择管道为Φ325mm，壁厚7mm，材质为Q235b，实验用三通为等径三通(见附图12)。利用本发明的复合材料增强夹具注可固化聚合物技术对该三通结构进行修复补强。具体操作步骤与实施例1类似，附图12-15具体说明了三通的补强。具体操作步骤简述如下；

1、根据该三通的结构和形状，设计加工夹具(见附图13)。它由完全对等的两部分组成，在适当的位置开一个灌注孔和一个排气孔；

2、首先缠绕玻璃纤维复合层(见附图14)。

3、象穿外衣一样，将夹具的两个部分包裹在需补强的三通外面，并将夹具的两部分现场焊接在一起；

4、将夹具的边缘与三通之间的空隙用密封材料封堵，在密封材料封堵的过程中，注意使夹具与三通各个部位之间的距离尽可能均匀。

5、在各孔上套丝，以便安装灌注嘴及排气嘴。然后使灌注孔处于下方，使排气孔处于上方，采用手动泵通过灌注孔向夹具与三通之间形成的空间中灌注酚醛树脂。直至位于上方的排气孔中溢出酚醛树脂，停止灌注。酚醛树脂完全固化后，切除灌浆嘴及排气嘴，用螺钉密封所述的各孔，从而完成了对所述三通的补强和提压(见附图15)。

本发明提供的复合材料增强夹具注可固化聚合物修复补强技术及其使用方法和应用是一项实用的生产技术，可用于各种管道，例如输气输油管，特别是所述管道和其辅助设施的修复补强和提高运行压力，是大型管道修复补强中不可缺少的实用技术。

以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种对压力管道进行修复补强和/或增强的方法，该方法包括以下步骤：

(1)用填平树脂对需要修复补强和/或增强的表面凹陷部位进行修补，将所述表面修复至平整；

(2)在压力管道需要修复补强和/或增强的部位铺设一层或多层纤维增强复合材料；和

(3)在该纤维增强复合材料外安装夹具，并在夹具与该压力管道之间形成的空隙内灌注可固化聚合物；

其中所述纤维增强复合材料的铺设方式为沿管道轴向铺设和环向铺设的组合；夹具与需要修复补强和/或增强的管道之间的间距为1-10毫米，所述管道综合表述管道以及与其相关的管道附件。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述的压力管道包括直管道和异型管道。

3.按照权利要求2所述的方法，其中所述的压力管道为异型管道。

4.按照权利要求3所述的方法，其中所述的异型管道包括有固定管托或加强筋的管道结构。

5.按照权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述压力管道需要修复补强和/或增强部位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。

6.按照权利要求1所述的方法，其中所述的填平树脂是环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、氨基树脂、不饱和聚酯树脂或上述树脂之一与一定的力学增强颗粒材料的混合物。

7.按照权利要求6所述的方法，其中所述的填平树脂是环氧树脂或其与力学增强颗粒材料的混合物。

8.按照权利要求1所述的方法，其中所述的纤维增强复合材料是连续纤维增强复合材料。

9.按照权利要求8所述的方法，其中所述的连续纤维选自单向纤维、正交或斜交的无纬布叠层、二维织物层合、多向编织材料和混杂纤维材料。

10.按照权利要求8所述的方法，其中所述的纤维选自芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和陶瓷纤维。

11.按照权利要求8所述的方法，其中所述的连续纤维是碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。

12.按照权利要求8所述的方法，其中所述的连续纤维是碳纤维。

13.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(2)所述铺设纤维增强复合材料的方法包括：

(1)在需要修复补强和/或增强的部位涂刷胶粘剂；

(2)在涂刷了胶粘剂的部位铺设纤维；

任选地重复(1)和(2)多次，然后进行固化，其中每层使用的纤维可以相同或不同；或者

(1)将胶粘剂涂刷到纤维上；

(2)在需要修复补强和/或增强的部位铺设上述涂刷了胶粘剂的纤维；

任选地重复(1)和(2)多次，然后进行固化，其中每层使用的纤维可以相同或不同。

14.按照权利要求1所述的方法，其中所述步骤(3)安装夹具，并在夹具与该压力管道之间形成的空隙内灌注可固化聚合物按照下述方法进行：

(1)根据需要修复补强和/或增强的压力管道的形状和大小制作夹具，所述夹具的形状与需要修复补强和/或增强的压力管道相似，但其尺寸大于所述的管道，该夹具通常由2-4部分组成，在该夹具上设有一个或多个灌注孔以及一个或多个排气孔；

(2)将所述夹具的各部分套在需要进行修复补强和/或增强的管道之外；

(3)将所述夹具的各组成部分之间以焊接或螺栓连接的形式连接，使之成为一个夹具整体；

(4)将所述夹具的端部与需要修复补强的管道之间以焊接或用密封材料密封的方式，或二者任意结合的方式紧密连接；

(5)通过在所述夹具上预留的灌注孔，向夹具与需要修复补强的管道之间形成的空隙中灌注可固化聚合物；和

(6)使所灌注的聚合物固化。

15.按照权利要求14所述的方法，其中所述的密封材料包括具有良好密封性能的橡胶、硅胶、可固化树脂、胶泥、加强钢筋或石棉绳，或其中至少二种材料的任意组合。

16.按照权利要求15所述的方法，其中所述的密封材料是环氧树脂。

17.按照权利要求14所述的方法，其中所述的灌注孔和排气孔处于相对或接近于相对的位置。

18.按照权利要求14所述的方法，其中在所述夹具上有一个灌注孔和一个排气孔。

19.按照权利要求14所述的方法，其中在所述灌注孔和排气孔上分别装有灌注嘴和排气嘴。

20.按照权利要求14所述的方法，其中在所述夹具的合适位置还有一个或多个孔，借助于所述的孔用螺栓控制夹具与需要修复补强和/或增强的管道之间的间距。

21.按照权利要求14所述的方法，其中在所述夹具的合适位置还有一个或多个孔作为指示孔，用于观察树脂的灌注进度。

22.按照权利要求14所述的方法，其中所述的可固化聚合物选自液体橡胶、纤维素衍生物、乙烯聚合物或其共聚物、饱和或不饱和聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚砜、氨基塑料、环氧树脂、酚醛树脂、聚芳烃、呋喃类以及上述物质的改性物。

23.按照权利要求22所述的方法，其中所述的液体橡胶是液体硅橡胶。

24.按照权利要求14所述的方法，其中所述的可固化聚合物是环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚树脂、聚酰亚胺树脂、氨基树脂、不饱和聚酯树脂或上述任一物质的改性物。

25.按照权利要求24所述的方法，其中所述的可固化聚合物是环氧树脂或改性环氧树脂。

26.按照权利要求14所述的方法，其中所述可固化聚合物的弹性模量大于0.1Gpa；抗压强度大于10MPa。

27.按照权利要求26所述的方法，其中所述可固化聚合物的弹性模量大于1GPa；抗压强度大于20MPa。

28.按照权利要求27所述的方法，其中所述可固化聚合物的弹性模量大于2Gpa；抗压强度大于50MPa。

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