采用焊接方法對輸油管道修復(fù)具有很大的危險性。由焊接引起的管道安全事故屢見不鮮。換管的經(jīng)濟成本和社會成本都非常高，在交通流量較大或人口稠密地區(qū)受到嚴重制約。
夾具修復(fù)方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外，恢復(fù)管道承壓能力。特點是能夠在不破壞原有管道的情況下進行增強。但夾具方法操作復(fù)雜，在一定條件下用于處理泄漏的管道具有明顯的優(yōu)勢，而對于沒有泄漏的管道，其造價高、操作復(fù)雜、難以施工的弱點十分明顯。
纖維復(fù)合材料修復(fù)補強技術(shù)作為一種高效快捷的新型修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)在油氣管道維護和大修中得到應(yīng)用。其優(yōu)點是免焊不動火，極大地降低了操作的風(fēng)險性，并且在尚未有泄漏的補強中，可以帶壓修復(fù)，保障管道不間斷運行。碳纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強度和彈性模量，是應(yīng)用與管道補強的理想纖維材料。
一、碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)
纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)使用填平樹脂對管道缺陷進行填平處理，然后配合專用粘結(jié)劑在需要補強的管道外纏繞纖維材料，形成纖維復(fù)合材料補強層。補強層固化后，與管道形成一體，代替管道材料承載管內(nèi)壓力，從而達到恢復(fù)甚至超過管道設(shè)計運行壓力的目的。
碳纖維材料是一種在航空航天、軍工、高壓管道和壓力容器、建筑結(jié)構(gòu)工程補強（橋梁、電站、水利工程及古建筑）等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)材料，它具有非常高的抗拉強度和彈性模量。
美國天然氣研究協(xié)會（Gas Research Institute）的研究表明，纖維復(fù)合材料對壓力管道的修復(fù)效果取決于復(fù)合材料的抗拉強度和彈性模量。碳纖維材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強度超過3500MPa，遠遠大于鋼材和玻璃纖維的抗拉強度。碳纖維復(fù)合材料的彈性模量與鋼材的彈性模量（207×103MPa）幾乎完全相同，補強層與鋼管具有非常好的變形協(xié)同性。補強層能夠替代管道缺陷處承擔(dān)管道的內(nèi)壓。
碳纖維復(fù)合材料補強技術(shù)用于管道補強具有如下技術(shù)優(yōu)點：
①免焊不動火，可在帶壓運行狀態(tài)下修復(fù)；
②施工簡便快捷，操作時間短；
③碳纖維彈性模量與鋼的彈性模量十分接近，有利于復(fù)合材料盡可能多的承載管道壓力，降低含缺陷管道的應(yīng)力水平，限制管道的膨脹變形；
④碳纖維的抗拉強度高，用于管道修復(fù)具有極高的安全性；并且碳纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異，其強度隨著服役時間增加基本保持不變；
⑤碳纖維復(fù)合材料補強層厚度小，方便后續(xù)的防腐處理；
⑥碳纖維補強纏繞、鋪設(shè)方式靈活。可對環(huán)焊縫和螺旋焊縫缺陷(包括高焊縫余高和嚴重錯邊)補強；還可對彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件修復(fù)；
⑦可以用于腐蝕、機械損傷和裂紋等缺陷修復(fù)補強，也可用于整個管段的提壓增強處理，應(yīng)用范圍廣。
二、輸油管道搶修案例
在西部管道組織的例行檢測中發(fā)現(xiàn)烏蘭輸油管道某處出現(xiàn)機械損傷。該處管道的外徑為559mm，管道正常壁厚為10mm。在管道表面最上側(cè)存在機械損傷凹陷，凹陷深15mm，凹陷外沿直徑約200mm；對缺陷處管道壁厚測量發(fā)現(xiàn)，管道凹陷處管壁有減薄，減薄大約2mm。
經(jīng)有關(guān)部門研究決定采用碳纖維復(fù)合材料補強技術(shù)對此管道進行搶修。搶修方案為首先使用填平樹脂對凹陷進行填平修復(fù)處理，然后纏繞高強度碳纖維復(fù)合材料。
補強方案確立后，使用有限元分析軟件對該方案進行驗證計算。
首先對無缺陷管道承受內(nèi)壓時管壁應(yīng)力分布進行計算。在管道完好無損情況下，承受3MPa的內(nèi)壓時，管道內(nèi)環(huán)向應(yīng)力為83.85MPa。建立有限元模型對該方案進行分析。在有限元模型中，對凹陷進行模擬計算。為便于建立模型，僅取管道的八分之一建立模型。
在有限元模型中，鋼材的彈性模量取207GPa，泊松比為0.3，屈服強度為450MPa。管道內(nèi)的運行壓力設(shè)定為3MPa。碳纖維復(fù)合材料補強層數(shù)為6層。根據(jù)上述條件計算得到未補強管道中的環(huán)向應(yīng)力與補強后管道中的環(huán)向應(yīng)力分布云圖。
由計算結(jié)果可知未補強管道凹陷的邊緣處存在嚴重的應(yīng)力集中。最大的環(huán)向應(yīng)力數(shù)值達到322MPa，遠遠超過無缺陷管道承載3MPa壓力時的管壁環(huán)向應(yīng)力。并且這個應(yīng)力數(shù)值已經(jīng)接近鋼材的屈服強度。此管道存在內(nèi)壓波動時，在疲勞載荷的作用下，極易在應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞破壞。如不進行補強處理，凹陷處壁厚可能繼續(xù)減少，使管道缺陷處應(yīng)力集中更嚴重。
采用碳纖維復(fù)合材料補強技術(shù)后，管道中環(huán)向應(yīng)力有明顯的降低，最嚴重區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力為164MPa。這個應(yīng)力數(shù)值低于鋼材的屈服強度，管道變形尚處于彈性變形范圍。管道經(jīng)過補強處理后，管壁的應(yīng)力集中將大大緩解，管道將處于安全應(yīng)力范圍內(nèi)。
補強方案確定后的施工流程為：
①對管道外表面進行預(yù)處理，清除防腐層；
②使用電動除銹工具打磨管道表面，達到St3級的除銹要求；
③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥；
④在凹陷處涂抹填平樹脂，修補至缺陷部位表面平整；
⑤填平樹脂初步固化后，纏繞高強度碳纖維復(fù)合材料，確保復(fù)合材料覆蓋了缺陷部位，纏繞層數(shù)為6層；
⑥對補強區(qū)域進行防腐處理，然后回填。
在對上述含缺陷管道進行修復(fù)補強后，恢復(fù)了管道的正常運行壓力，效果良好。
三、小結(jié)
碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補強技術(shù)相對于其他類型的修復(fù)技術(shù)，具有更高的安全性、可靠性及適應(yīng)性。對于管道凹坑類型的機械損傷有較好的修復(fù)能力。為今后類似問題的解決提供了參考。
有限元數(shù)值模擬方法可以作為復(fù)合材料補強設(shè)計的輔助工具。
建議對碳纖維復(fù)合材料維修補強的應(yīng)用范圍和應(yīng)用條件進一步研究，以更好的指導(dǎo)復(fù)合材料維修補強作業(yè)。
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