区别于传统管道修复中采用的“补焊”、“补板”等“打补丁”方法，采用真空辅助固化技术、无需动火的复合材料修复技术，将碳纤维布直接粘贴于待修复区域，起止漏、补强的作用。碳纤维热膨胀系数与钢极为接近，服役寿命长。应用于钢制容器和储罐修复，能够对结构起到强度增强、疲劳修复、屈曲修复等作用，可用于表面局部修复，如储罐、容器等表面缺陷修复。

与传统的机械修补方法(铆接、焊接、螺接)相比，碳纤维复合材料真空修补技术具有明显的优点：(1)复合材料比强度、比模量高，胶接修补后的结构增重小。(2)复合材料可设计性强,可根据使用要求和受力状况进行材料的铺层设计。(3)复合材料可以对表面形状复杂的部位采用胶接固化工艺进行原位修补。对复杂曲面,复合材料补丁修补比传统的机械修补更容易实施,而且修补后补丁与母体粘合紧密,基本保持原有结构外形。(4)复合材料补丁胶接修补能提高损伤区的刚度、静强度,减小裂纹尖端应力强度因子,贴补胶接修补不需要对原结构开孔,不会形成新的应力集中源,有利于提高结构的损伤容限和抗疲劳性能。(5)修补时间短、成本低。(6)修补所需设备简单,主要有修补工具包、真空泵等设备。(7)无需动火，安全可靠。

碳纤维复合材料补丁修补技术

复合材料补丁胶接修补，对胶粘剂的选择、材料与被修复构件的相匹配，被修结构的表面处理和修补固化工艺及施工工艺保障等是关键技术。

胶粘剂是实现补丁止裂作用的中间媒介，对胶粘剂的选择至关重要。应根据修补结构的实际承力水平和使用环境选择既具有良好的抗疲劳性能，又具有较高的剪切、剥离强度,良好的耐介质和耐湿热老化性能的胶粘剂。复合材料胶接修补所用的胶粘剂主要有两大类:一类是双组分胶粘剂,主要用于复合材料结构的室温固化修补(少数双组分胶粘剂可用于热胶接固化修补);另一类是膜状胶粘剂(胶膜),用于热胶接固化修补。

复合材料补丁与被修金属构件的匹配性：复合材料补丁应在尽量低的温度下固化,并能与胶粘剂的固化温度一致;补丁热膨胀系数应与母体材料的相匹配。国外大多采用硼/环氧复合材料补丁对损伤金属结构进行胶接修补。因为硼/环氧复合材料成本较高,加工较困难,故在常规工业修复上，采用碳/环氧补丁,价格相对便宜。碳/环氧复合材料适合于复杂结构的修补。

被修补结构的表面处理：指胶接之前,通过机械方法去除结构表面影响结合力的氧化层、污染物增加机械结合面;或通过化学方法在结构表面有控制地沉积一层均匀的特种氧化物或在胶接面形成化学键,使经过处理的结构表面具有高的表面能,从而获得较高的胶接强度和耐久性。目前常用的简单表面处理方法是表面机械打磨后涂硅烷偶联剂。表面机械打磨要求至少达到St3级。

真空辅助固化工艺：复合材料补丁修复储罐技术采用的固化工艺是“真空辅助固化工艺”。

修补固化的主要控制因素是压力、温度和时间。由于被修补部位与周围机体结构组成了一个复杂的热导体,而且结构形式多样,因此,需通过专用真空泵、配套材料以及特配工具对修补区提供连续的温度和压力保障。

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管道补强专用的碳纤维复合材料修复系统系列产品由高强度专用修补剂、高强度树脂基碳纤维复合材料和外保护层三个主体部分组成,将碳纤维复合材料缠绕在管道上,现场施工,常温固化，碳纤维复合材料修复补强与其他修复技术相比，具有许多优点：(一)免焊不动火；(二)快速抢修；(三)在线修复，不需停产；(四)使用寿命长，50年设计寿命；(五)碳纤维复合材料性能高---高模量、高强度、高延伸率；(六)耐腐蚀性能优异；(七)适用于各种管道形状；(八)适用于各种缺陷类型；(九)适用于各种管道系统。可以实现快速抢修、不停车修复,将修复时间缩短为1~2个小时,比焊接等方式都更加的简单快捷。相比其他修复方法,不停车修复和较低的修复工况要求给使用者带来的经济效益是明显的,避免了停产造成的巨额损失。产品可以适用于各种类型的管道系统,适应性好,适用范围广。

电厂的循环水管道系统受到各种腐蚀、冲击等侵害，面临失效 ,在管道缺陷部位使用碳纤维环氧树脂修复补强，增加管道强度，且修复时间很短；碳纤维修复系统为大口径管道提供一种快速的工程解决方案，提高和改善管道的承受压力和使用期限，能够使其恢复原始管道承受载荷的能力。
    聚能伟业公司提供管道补强单向碳纤维布、双向碳纤维布、双向芳纶纤维布、环氧树脂等产品，聚能伟业管道事业部以压力管道修复作为主营业务之一,为石油化工、城市燃气、压力容器、压力管线生产等领域，提供管道复合材料加固补强修复服务。

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稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。处理不好，将会造成不应有的损失, 钢结构复合材料修复包括：强度增强、疲劳修复和屈曲修复三大类，碳纤维复合材料钢结构修复系统，能够对结构起到强度增强、疲劳修复等作用，系列管道结构补强材料的不同在于，该系统既可用于管道上，也可用于钢结构的修复上，可以是环向粘贴，也可以是局部平面粘贴。为了区分，将管道补强所用的复合材料独立出来，而在本修复系统内，主要应用于平面修复，如储罐、容器等表面缺陷修复。使用材料包括：碳纤维、玻璃纤维等复合材料。可以有效地修复电力塔架，钢构件疲劳损坏是钢结构破坏的主要形式之一,通过对拉-拉应力状态下碳纤维布加固钢结构K形焊缝疲劳性能的试验研究与分析,认为在钢构件焊缝部位粘贴碳纤维能够有效降低焊缝处的应力集中,明显改善钢构件的疲劳性能,从而延长钢结构疲劳构件的使用寿命,具有很高的应用价值.钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡。为了防止屈曲失稳的发生，对钢结构进行修复是一种很有效率的修复手段。

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输油管道安全运行的主要风险因素是第三方损害及防腐层破损引起的腐蚀缺陷，对机械损伤或腐蚀缺陷的管道，主要的修复技术包括焊接、换管、夹具、纤维复合材料修复等。

焊接法对输油管道修复具有很大的危险性。由焊接引起的管道安全事故屡见不鲜。

换管的经济成本和社会成本都非常高，在交通流量较大或人口稠密地区受到严重制约。

夹具修复方法的原理是使用金属夹具包覆在缺陷管道外，恢复管道承压能力。特点是能够在不破坏原有管道的情况下进行增强。但夹具方法操作复杂，在一定条件下用于处理泄漏的管道具有明显的优势，而对于没有泄漏的管道，其造价高、操作复杂、难以施工的弱点十分明显。

纤维复合材料修复补强技术作为一种高效快捷的新型修复技术，已经在油气管道维护和大修中得到应用。其优点是免焊不动火，极大地降低了操作的风险性，并且在尚未有泄漏的补强中，可以带压修复，保障管道不间断运行。碳纤维材料具有优异的拉伸强度和弹性模量，是应用与管道补强的理想纤维材料。

一、碳纤维复合材料修复技术

纤维复合材料修复技术使用填平树脂对管道缺陷进行填平处理，然后配合专用粘结剂在需要补强的管道外缠绕纤维材料，形成纤维复合材料补强层。补强层固化后，与管道形成一体，代替管道材料承载管内压力，从而达到恢复甚至超过管道设计运行压力的目的。

碳纤维材料是一种在高压管道和压力容器、建筑结构工程补强（桥梁、电站、水利工程及古建筑）等领域得到广泛应用的高新技术材料，它具有非常高的抗拉强度和弹性模量。

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。碳纤维材料具有优异的力学性能，其抗拉强度超过3500MPa，远远大于钢材和玻璃纤维的抗拉强度。碳纤维复合材料的弹性模量与钢材的弹性模量（207×103MPa）几乎完全相同，补强层与钢管具有非常好的变形协同性。补强层能够替代管道缺陷处承担管道的内压。

碳纤维复合材料补强技术用于管道补强具有如下技术优点：

①免焊不动火，可在带压运行状态下修复；

②施工简便快捷，操作时间短；

③碳纤维弹性模量与钢的弹性模量十分接近，有利于复合材料尽可能多的承载管道压力，降低含缺陷管道的应力水平，限制管道的膨胀变形；

④碳纤维的抗拉强度高，用于管道修复具有极高的安全性；并且碳纤维复合材料的抗蠕变性能优异，其强度随着服役时间增加基本保持不变；

⑤碳纤维复合材料补强层厚度小，方便后续的防腐处理；

⑥碳纤维补强缠绕、铺设方式灵活。可对环焊缝和螺旋焊缝缺陷(包括高焊缝余高和严重错边)补强；还可对弯管、三通、大小头等不规则管件修复；

⑦可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强，也可用于整个管段的提压增强处理，应用范围广。

二、输油管道抢修案例

在西部管道组织的例行检测中发现乌兰输油管道某处出现机械损伤。该处管道的外径为559mm，管道正常壁厚为10mm。在管道表面上侧存在机械损伤凹陷，凹陷深15mm，凹陷外沿直径约200mm；对缺陷处管道壁厚测量发现，管道凹陷处管壁有减薄，减薄大约2mm。

经有关部门研究决定采用碳纤维复合材料补强技术对此管道进行抢修。抢修方案为首先使用填平树脂对凹陷进行填平修复处理，然后缠绕高强度碳纤维复合材料。

补强方案确立后，使用有限元分析软件对该方案进行验证计算。

首先对无缺陷管道承受内压时管壁应力分布进行计算。在管道完好无损情况下，承受3MPa的内压时，管道内环向应力为83.85MPa。建立有限元模型对该方案进行分析。在有限元模型中，对凹陷进行模拟计算。为便于建立模型，仅取管道的八分之一建立模型。

在有限元模型中，钢材的弹性模量取207GPa，泊松比为0.3，屈服强度为450MPa。管道内的运行压力设定为3MPa。碳纤维复合材料补强层数为6层。根据上述条件计算得到未补强管道中的环向应力与补强后管道中的环向应力分布云图。

由计算结果可知未补强管道凹陷的边缘处存在严重的应力集中。环向应力数值达到322MPa，远远超过无缺陷管道承载3MPa压力时的管壁环向应力。并且这个应力数值已经接近钢材的屈服强度。此管道存在内压波动时，在疲劳载荷的作用下，极易在应力集中处发生疲劳破坏。如不进行补强处理，凹陷处壁厚可能继续减少，使管道缺陷处应力集中更严重。

采用碳纤维复合材料补强技术后，管道中环向应力有明显的降低，严重区域的环向应力为164MPa。这个应力数值低于钢材的屈服强度，管道变形尚处于弹性变形范围。管道经过补强处理后，管壁的应力集中将大大缓解，管道将处于安全应力范围内。

补强方案确定后的施工流程为：

①对管道外表面进行预处理，清除防腐层；

②使用电动除锈工具打磨管道表面，达到St3级的除锈要求；

③使用清洗剂清洗管道表面并使之充分干燥；

④在凹陷处涂抹填平树脂，修补至缺陷部位表面平整；

⑤填平树脂初步固化后，缠绕高强度碳纤维复合材料，确保复合材料覆盖了缺陷部位，缠绕层数为6层；

⑥对补强区域进行防腐处理，然后回填。

在对上述含缺陷管道进行修复补强后，恢复了管道的正常运行压力，效果良好。

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碳纤维复合材料对压力管道进行修复补强的技术，是利用碳纤维布在纤维方向上具有高强度的特性，用环氧树脂充分浸透碳纤维丝，外包覆在修复管道部位，使缺陷部位恢复原有强度。该技术的优点是可以在线修复，且不用焊接，避免了焊穿发生危险。复合材料管道修复补强技术是一项新兴的技术，该补强系统由高强度碳纤维、高强度填平树脂以及高性能环氧粘结剂三个部分组成。在缺陷修复时，首先利用填平树脂对缺陷进行填平处理，然后在管道外缠绕碳纤维与环氧粘结剂所组成的碳纤维复合材料。填平树脂固化后具有优异的抗压强度。碳纤维复合材料固化后具有极高的抗拉强度和弹性模量，它将通过填平树脂限制缺陷处的径向膨胀变形，降低缺陷处的拉伸应力与应变，实现对管道缺陷的补强修复。

双向碳纤维复合材料补强技术可以对壁厚损失低于80%的管道缺陷进行补强修复。通过计算设计补强碳纤维布的层数，在对含缺陷管道进行剩余强度评价的基础上，确定恢复管道正常运行压力所需要的补强层数。碳纤维补强技术中复合材料初步固化时间为12～36小时。根据环境温度不同，初步固化时间长短可能有差别；补强层初步固化后，即可回填。在碳纤维布补强施工完成后，不影响修补部位的其他工序，可使用防腐冷缠带、热收缩带或其他防腐材料在补强层外进行防腐处理。

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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，碳纤维材料是一种在高压管道和压力容器、建筑结构工程补强（桥梁、电站、水利工程及古建筑）等领域得到广泛应用的高新技术材料，它具有非常高的抗拉强度和弹性模量。碳纤维材料具有优异的力学性能，其抗拉强度超过3500MPa，远远大于钢材和玻璃纤维的抗拉强度。碳纤维复合材料的弹性模量与钢材的弹性模量（207×103MPa）几乎完全相同，补强层与钢管具有非常好的变形协同性。补强层能够替代管道缺陷处承担管道的内压。

碳纤维复合材料修复技术使用填平树脂对管道缺陷进行填平处理，然后配合专用粘结剂在需要补强的管道外缠绕纤维材料，形成纤维复合材料补强层。补强层固化后，与管道形成一体，代替管道材料承载管内压力，从而达到恢复甚至超过管道设计运行压力的目的。

碳纤维复合材料补强技术用于管道补强具有如下技术优点：

①免焊不动火，可在带压运行状态下修复；

②施工简便快捷，操作时间短；

③碳纤维弹性模量与钢的弹性模量十分接近，有利于复合材料尽可能多的承载管道压力，降低含缺陷管道的应力水平，限制管道的膨胀变形；

④碳纤维的抗拉强度高，用于管道修复具有极高的安全性；并且碳纤维复合材料的抗蠕变性能优异，其强度随着服役时间增加基本保持不变；

⑤碳纤维复合材料补强层厚度小，方便后续的防腐处理；

⑥碳纤维补强缠绕、铺设方式灵活。可对环焊缝和螺旋焊缝缺陷(包括高焊缝余高和严重错边)补强；还可对弯管、三通、大小头等不规则管件修复；

   ⑦可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强，也可用于整个管段的提压增强处理，应用范围广。

碳纤维材料是一种在高压管道和压力容器、建筑结构工程补强(桥梁、电站、水利工程及古建筑)等领域得到广泛应用的高新技术材料，它具有非常高的抗拉强度和弹性模量。

对于中、低压燃气管线，可以在管道降压或停输之后采用焊接修复或换管，采用焊接方法对中高压燃气管道修复具有很大的危险性。换管的经济成本和社会成本都非常高，在交通流量较大或人口稠密地区受到严重制约。夹具修复方法的原理是使用金属夹具包覆在缺陷管道外，恢复管道承压能力。特点是能够在不破坏原有管道的情况下进行增强。但夹具方法操作复杂，在一定条件下用于处理泄漏的管道具有明显的优势，而对于没有泄漏的管道，其造价高、操作复杂、难以施工的弱点十分明显。

纤维复合材料修复补强技术是一种高效快捷的新型修复技术，在油气管道维护和大修中得到应用。其优点是免焊、不动火，极大地降低了操作的风险性，并且在尚未有泄漏的补强中，可以带压修复，保障管道运行的不间断。碳纤维材料具有优异的拉伸强度和弹性模量，代表着纤维复合材料补强技术的发展趋势。

纤维复合材料修复技术使用填平树脂对管道缺陷进行填平处理，然后配合专用粘结剂在需要补强的管道外缠绕纤维材料，形成纤维复合材料补强层。补强层固化后，与管道形成一体，代替管道材料承载管内压力，从而达到恢复管道设计运行压力的目的。

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。碳纤维材料具有优异的力学性能，其抗拉强度超过3500MPa，远远大于钢材和玻璃纤维的抗拉强度，碳纤维复合材料的弹性模量与钢材的弹性模量(207×103MPa)几乎完全相同，补强层与钢管具有非常好的变形协同性。补强层能够替代管道缺陷处承担管道的内压。

碳纤维具有较高的强度、模量，具有一定的优势，通常来讲，在复合材料补强产品中属于综合性能好的一种。

 ①免焊不动火，可在带压运行状态下修复：

    ②施工简便快捷，操作时间短：

    ③碳纤维弹性模量与钢的弹性模量十分接近，有利于复合材料尽可能多的承载管道压力，降低含缺陷管道的应力水平，限制管道的膨胀变形；

    ④碳纤维的抗拉强度高，用于管道修复具有极高的安全性：并且碳纤维复合材料的抗蠕变性能优异，其强度随着服役时间增加基本保持不变；

    ⑤碳纤维复合材料补强层厚度小，方便后续的防腐处理：

    ⑥碳纤维补强缠绕、铺设方式灵活。可对环焊缝和螺旋焊缝缺陷(包括高焊缝余高和严重错边)补强：还可对弯管、三通、大小头等不规则管件修复；

   ⑦可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强，也可用于整个管段的提压增强处理，应用范围广。

碳纤维复合材料对输油管道抢修

碳纤维复合材料修补方案，经相关部门设计、计算。确定采用碳纤维复合材料补强技术方案，对管道进行抢修。抢修方案为首先使用填平树脂对凹陷进行填平修复处理，然后缠绕高强度碳纤维复合材料。补强方案确立后，使用有限元分析软件对该方案进行验证计算。在有限元模型中，钢材的弹性模量取207GPa，泊松比为0.3，屈服强度为450MPa。管道内的运行压力设定为3MPa。碳纤维复合材料补强层数为6层。根据上述条件计算得到未补强管道中的环向应力与补强后管道中的环向应力分布云图。

由计算结果可知未补强管道凹陷的边缘处存在严重的应力集中。大的环向应力数值达到322MPa，远远超过无缺陷管道承载3MPa压力时的管壁环向应力。并且这个应力数值已经接近钢材的屈服强度。此管道存在内压波动时，在疲劳载荷的作用下，极易在应力集中处发生疲劳破坏。如不进行补强处理，凹陷处壁厚可能继续减少，使管道缺陷处应力集中更严重。

采用碳纤维复合材料补强技术后，管道中环向应力有明显的降低，严重区域的环向应力为164MPa。这个应力数值低于钢材的屈服强度，管道变形尚处于弹性变形范围。管道经过补强处理后，管壁的应力集中将大大缓解，管道将处于安全应力范围内。

补强方案确定后的施工流程为：

①对管道外表面进行预处理，清除防腐层；

②使用电动除锈工具打磨管道表面，达到St3级的除锈要求；

③使用清洗剂清洗管道表面并使之充分干燥；

④在凹陷处涂抹填平树脂，修补至缺陷部位表面平整；

⑤填平树脂初步固化后，缠绕高强度碳纤维复合材料，确保复合材料覆盖了缺陷部位，缠绕层数为6层；

⑥对补强区域进行防腐处理，然后回填。

碳纤维复合材料修复补强技术相对于其他类型的修复技术，具有更高的安全性、可靠性及适应性。对于管道凹坑类型的机械损伤有较好的修复能力。为今后类似问题的解决提供了参考。

碳纤维管道修复补强

压力管道在服役过程中因为腐蚀、机械损伤等原因产生许多缺陷，这些缺陷降低了管道的强度，使其承载能力无法达到原有设计压力。管道因内压会产生径向膨胀而在管壁中产生环向拉伸应力。在管壁减薄区域（如腐蚀坑）会产生应力集中，当此处的应力大于材料抗拉强度极限时，该处将发生破裂失效和泄漏.

“碳纤维管道补强” 技术涵盖了各种类型的压力管道和压力容器，可为：油气储运、炼油、化工、发电、钢铁冶炼等企业提供服务。碳纤维复合材料修复技术具有不动火、不停产、施工便利、工期短等优点，近几年，在管道缺陷修复中得到得到广泛应用。通过对管道进行复合材料修复补强，可以起到如下三种主要作用：(一)降低缺陷处的应力 (二)降低缺陷处的应变   (三)恢复管道的承压能力管道补强技术。

复合材料修复系统由四个部分组成：(1)碳纤维布（2）粘浸胶（3）底漆（4）专用修补剂。

碳纤维具有较高的强度、模量，具有一定的优势，通常来讲，补强6层碳纤维布，能够承受约10MPa的内压。单层厚度约为0.5mm-1.0mm之间。通常缠绕2-6层，厚度在几毫米范围内， 碳纤维复合材料补强产品使用的双向碳纤维布可以很容易的处理各种曲面，如三通、弯头的曲面等，受力均匀，无须复杂裁减。 单向布使用简单，操作方便，施工质量容易控制。单向布与双向布复合材料力学性能有较大的改变。

究表明：涂敷厚度为0.1mm的环氧涂层在海水中使电偶腐蚀速率降低了70%，涂敷一层厚度为0.25mm的环氧涂层则使腐蚀速率降低了21倍。 材料采用涂层厚度大于0.5mm，可以完全消除电偶腐蚀问题。 

管道补强产品在常温下只需要2个小时就能完成基本固化，可加温固化，30分钟即可固化完成，恢复生产运行。不计算管道开挖和打磨时间在内，修复一个缺陷点，表面缺陷填平约为20分钟，涂刷底漆和粘贴纤维约为30分钟，固化约为2个小时，总共需要约3个小时彻底完成一个缺陷点的修复。