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1、(10)申请公布号 CN 102464861 A (43)申请公布日 2012.05.23 CN 102464861 A *CN102464861A* (21)申请号 201010550596.4 (22)申请日 2010.11.18 C08L 63/00(2006.01) C08L 13/00(2006.01) C08L 9/02(2006.01) C08K 13/02(2006.01) C08K 3/08(2006.01) C08K 3/36(2006.01) C08K 5/54(2006.01) C09K 3/12(2006.01) C09J 163/00(2006.01) C09J 1。
2、15/00(2006.01) C09J 121/00(2006.01) C09J 11/00(2006.01) B32B 27/04(2006.01) B32B 5/28(2006.01) F16L 55/168(2006.01) (71)申请人 中国石油天然气集团公司 地址 100007 北京市东城区东直门北大街 9 号中国石油大厦 申请人 中国石油天然气集团公司管材研究 所 (72)发明人 马卫锋 罗金恒 赵新伟 蔡克 陈志昕 张华 (74)专利代理机构 北京市中实友知识产权代理 有限责任公司 11013 代理人 谢小延 (54) 发明名称 一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用 (57) 。
3、摘要 发明涉及一种修复管道碳纤维复合材料体 系及应用 ； 由缺陷填充材料、 抗阴极剥离绝缘底 胶和碳纤维复合材料组成 ； 用缺陷填充材料对管 道缺陷进行修补 ； 在管道缺陷补强区域用抗阴极 剥离绝缘底胶涂刷 ； 用层间胶粘剂对碳纤维布涂 刷、 浸透并对补强修复区域进行铺设 ； 用不锈钢 薄带对复合材料修复层进行紧固固化 ； 对不锈钢 紧固的修复层进行室温固化或外部加热带加热固 化 ； 拆除加热装置和不锈钢薄带后对修复层进行 外部防腐处理 ； 可以避免在修复后修复补强层在 服役过程中出现的修复材料与管体脱粘、 分层、 空 鼓、 开裂和鼓泡等现象， 有效提高了在寒冷潮湿的 恶劣环境下施工的有效性，。
4、 确保了复合材料修复 施工质量和补强修复效果， 提高修复管道缺陷施 工的可靠性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 7 页 1/2 页 2 1. 一种修复管道碳纤维复合材料体系， 其特征在于 ： 由缺陷填充材料、 抗阴极剥离绝 缘底胶和碳纤维复合材料组成 ； (1) 缺陷填充材料， 由甲、 乙两组分组成， 甲乙两组分的重量比为 (6 7) 1 ； 按重量 份 ： 甲组分 ： E-51 环氧树脂 30 70 份 钢粉 50 100 份 银粉 10 40 份 无规羧基丁腈橡胶 10 2。
5、5 份 乙组分 ： 改性胺固化剂 5 20 份 气相二氧化硅 1 10 份 2， 4， 6- 三 ( 二甲胺基甲基 )- 苯酚 2 10 份 KH550 硅烷偶联剂 0 15 份 (2) 抗阴极剥离绝缘底胶， 为甲、 乙两组分组成， 甲乙两组分的重量比为 (80 100) 28 ； 按重量份 ： 甲组分 ： CYD128 环氧树脂 100 份 端环氧基丁腈增韧剂 10 30 份 乙组分 ： JA112 型固化剂 20 45 份 KH550 硅烷偶联剂 1 5 份 (3) 碳纤维复合材料， 其基体树脂为层间胶粘剂， 层间胶粘剂由甲、 乙两组分组成， 甲乙 两组分的重量比为 (2 4) 1 ； 按。
6、重量份 ： 甲组分 ： E-51 环氧树脂 30 60 份 CYD128 环氧树脂 40 70 份 纳米固体橡胶胶粉 1 15 份 稀释剂 678 0 20 份 消泡剂 550 0 2 份 乙组分 ： 改性胺固化剂 30 60 份 气相二氧化硅 3 8 份 KH550 硅烷偶联剂 1 5 份。 2. 根据权利要求 1 所述的修复管道碳纤维复合材料体系， 其特征在于 ： 缺陷填充材料 组成中含有钢粉250325目和银粉200325目 ； 抗阴极剥离绝缘底胶厚度为0.11mm ； 碳纤维布抗压强度为 2500 5000MPa， 弹性模量为 100 350GPa， 每平方米重量为 200 400g，。
7、 延伸率为 1.0 2.5， 幅宽为 50 1500cm。 3. 一种权利要求 1 所述的修复管道碳纤维复合材料体系的应用， 其特征在于 ： 用于含 缺陷管道修复补强， 包括以下步骤 ： (1)、 对缺陷表面及缺陷处管道表面进行处理 ； (2)、 采用所述缺陷填充材料对管道缺陷进行修补 ； (3)、 在管道缺陷补强区域采用所述抗阴极剥离绝缘底胶涂刷 ； (4)、 采用所述层间胶粘剂对碳纤维布涂刷、 浸透并对补强修复区域进行铺设 ； (5)、 采用不锈钢薄带对复合材料修复层进行紧固固化 ； 权 利 要 求 书 CN 102464861 A 2 2/2 页 3 (6)、 对不锈钢紧固的修复层进行室。
8、温固化或外部加热带加热固化 ； (7)、 拆除加热装置和不锈钢薄带后对修复层进行外部防腐处理。 4. 根据权利要求书 3 所述的碳纤维复合材料体系的应用， 其特征在于 ： 复合材料紧固 固化用不锈钢薄厚度为0.10.3mm， 加热固化用加热带选自控温伴热电缆， 工作温度40 120， 防腐处理可选用冷缠带、 热收缩带或其他防腐材料。 权 利 要 求 书 CN 102464861 A 3 1/7 页 4 一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用 技术领域 0001 本发明涉及一种利用碳纤维增强树脂基复合材料对油气输送管道外壁缺陷进行 补强修复的方法及其复合材料体系。 背景技术 0002 油气管道运输。
9、是五大运输产业之一， 我国目前油气输送管道已突破 7 万公里。油 气管道因腐蚀、 机械损伤等原因往往形成各种管体缺陷， 造成在役管道爆裂、 泄漏等事故发 生， 严重影响了管道的安全运行和输送作业能力， 如何对检测到的管体缺陷进行有效地修 复补强是确保管线安全运行和提高输送效益的关键技术措施。现有的管道修复技术包括 焊接补疤、 套袖、 夹具、 换管以及复合材料修复等。复合材料修复技术由于其施工安全方 便、 不停输、 不需要焊接作业、 具有可设计性和耐腐蚀性等优点， 已被广泛用于钢质管道结 构的补强修复。近年来， 国内外已形成多种复合修复产品， 美国的主要有 Clock APPW(ArmorPip。
10、e Wrap) 等产品， 国内主要有中石油管材研究所、 中石油北京天然气 管道有限公司及北京力强基业工程技术有限公司等单位各自的补强修复专利产品。目前， 各类复合材料修复产品体系主要有三部分组成 ： (1) 高强度的玻璃纤维或碳纤维增强材 料 ； (2) 固化速度快、 性能高的基体胶粘剂材料 ； (3) 传递载荷的高压缩强度管体缺陷填充 材料。复合材料补强修复施工工艺有预成型法和湿缠绕法两种。 0003 中石油管研院根据多年现场施工经验及对多种修复产品开挖验证其修复效果的 检测研究发现， 修复点在补强修复并回填一段时间后， 出现修复材料与管体脱粘、 分层、 空 鼓、 压边搭边和边界端头无封口或。
11、封口不完整等修复问题， 造成这些问题的施工原因主要 包括修复点管体表面处理不彻底、 胶粘剂涂刷不均匀或局部漏涂、 纤维布缠绕折皱或预紧 力不足、 修复层端头无封口措施等。 但同时也存在材料自身的问题， 包括缺陷填充材料易脆 裂、 底层胶粘剂与管体粘结力差、 碳纤维因导电而发生电偶腐蚀和修复材料修复套袖底层 抗阴极剥离性能差等问题。 0004 因此， 针对现场施工和开挖验证发现的问题， 结合最新的化工产品对整个补强修 复复合材料体系进行了产品改进和技术提高， 以提高修复补强技术的有效性及修复工程质 量， 确保修复补强效果和防腐效果的可靠性。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种针对含体积型。
12、缺陷油气输送管道修复补强碳纤维复合 材料， 包括脱粘、 分层、 空鼓等施工问题及缺陷填充材料的脆性断裂、 底层胶粘剂阴极剥离 和电偶腐蚀等， 复合材料及改进的施工方法， 确保复合材料修复体系与钢质管体之间具有 良好的匹配性， 分担管道承受的载荷， 限制管道缺陷处由内压引起的径向膨胀和环向拉伸 应力， 从而达到对缺陷补强的目的， 使管道承压能力达到或超过无缺陷时状态。 0006 本发明所述的钢质管道修复补强复合材料由缺陷填充材料、 抗阴极剥离绝缘底 胶、 碳纤维增强树脂复合材料 ( 包括碳纤维布和层间胶粘剂 ) 几部分组成。 说 明 书 CN 102464861 A 4 2/7 页 5 0007。
13、 缺陷填充材料 0008 缺陷填充材料由甲、 乙两组分组成， 其各组分的重量比见表 1， 甲乙两组分的重量 比为 (6 7) 1 ； 该填充材料室温条件下 ( 大于 15 )， 指触干燥时间为 1 2.5h， 工作 温度范围 -60 150， 压缩强度 85 100MPa， 线膨胀系数 1510-6/K( 接近钢材 )。 0009 表 1 缺陷填充材料组分重量份 0010 0011 抗阴极剥离绝缘底胶 0012 抗阴极剥离绝缘底胶为甲、 乙两组分组成， 甲乙两组分的重量比为 (80 100) 28。其各组分的重量比见表 2， 底胶厚度为 0.1 1mm。该底胶 25固化 168h 后， 钢 -。
14、 钢拉伸剪切强度 20.2 21.3MPa(GB/T 7124-86)， 根据 GB/T 23257-2009 其剥离强度 达 170N/mm， 阴极剥离测试无明显变化。 0013 碳纤维布为本发明所使用的增强体， 为复合材料的主要承载原材料， 其抗拉强度 为25005000MPa， 拉伸弹性模量为100350GPa， 每平方米重量为200400g， 延伸率为 1.0 2.5， 幅宽为 50-1500cm， 长度为每卷 100 米。 0014 表 2 抗阴极剥离绝缘底胶组分重量份 说 明 书 CN 102464861 A 5 3/7 页 6 0015 0016 层间胶粘剂 0017 层间胶粘剂。
15、为本发明所使用的复合材料基体， 是将管体载荷传递给增强体碳纤维 布的材料。 层间胶粘剂材料由甲、 乙两组分组成， 其各组分的重量比见表3， 甲乙两组分的重 量比为(24)1。 采用碳纤维(T300)增强后的复合材料拉伸强度高达12281414MPa， 弹性模量达 95GPa 左右。 0018 表 3 层间胶粘剂材料组分重量比 0019 0020 本发明的另一目的是提供一种使用上述用于含缺陷管道修复补强的复合材料体 系对油气压力管道修复补强的施工方法。该方法针对补强修复工程中所发现的实际问题， 能够有效避免脱粘、 分层、 空鼓等施工缺陷及缺陷填充材料的脆性断裂、 底层胶粘剂阴极剥 离和碳纤维电偶。
16、腐蚀等问题， 具有便施工、 易操作、 缺陷少和工程质量高的优点。包括以下 步骤 ： 0021 1)、 对缺陷表面及缺陷处管道表面进行处理 ； 0022 2)、 采用所述缺陷填充材料对管道缺陷进行修补 ； 0023 3)、 在管道缺陷补强区域采用所述抗阴极剥离绝缘底胶涂刷 ； 说 明 书 CN 102464861 A 6 4/7 页 7 0024 4)、 采用所述层间胶粘剂对碳纤维布涂刷、 浸透并对补强修复区域进行铺设 ； 0025 5)、 采用不锈钢薄带对复合材料修复层进行紧固固化 ； 0026 6)、 对不锈钢紧固的修复层进行室温固化 ( 大于 15 ) 或外部加热带加热固化 ； 0027 。
17、7)、 拆除加热装置和不锈钢薄带后对修复层进行外部防腐处理。 0028 其中， 缺陷表面及补强处管体表面处理参照国家标准 GB/T8923-1988 涂装前钢 材表面锈蚀等级和除锈等级 ， 钢管表面处理是涂敷作业和补强修复的基础和关键， 直接决 定底胶和管体粘结力的好坏。因此， 必须严格控制其处理质量达到打磨除锈 St3 或喷砂除 锈 Sa2.5。抗阴极剥离绝缘底胶厚度为 0.1 1mm， 优选为 0.5mm。复合材料紧固固化用不 锈钢薄带厚度为 0.1 0.3mm， 优选为 0.2mm。加热固化用加热带优选自控温伴热电缆， 工 作温度 40 120。防腐处理可选用冷缠带、 热收缩带或其他防腐。
18、材料。 0029 本发明专用缺陷填充材料含有钢粉和银粉， 添加钢粉能降低原材料成本， 并增加 腻子粘度和固化后强度， 而银粉的加入有效降低了填料的膨胀系数， 使之更接近于钢材， KH550 硅烷偶联剂保证了填料、 填料与管体良好的粘结力， 将有效传递载荷。最新出口的产 品端环氧基液体丁腈橡胶， 明显提高了底胶的抗阴极剥离性能， 同时良好的绝缘性能杜绝 了碳纤维和钢材之间电偶腐蚀的发生。基体树脂采用最新的纳米固体橡胶增韧技术， 活性 稀释剂和消泡剂分别改善基体树脂的浸润渗透性和使复合材料快速消除气泡， 使复合材料 更加紧密， 强度和抗腐蚀性能更好。不锈钢薄带紧固固化能有效避免整个复合体系固化期 。
19、间脱粘、 分层及空鼓的产生， 明显提高修复施工的可靠性和有效性。 加热固化可以保证在潮 湿寒冷的恶劣环境下修复体系能够快速有效固化， 提高复合修复补强技术抗环境影响的能 力， 缩短施工周期。 0030 通过使用本发明研制的纤维复合材料体系 ( 包括填充材料、 底胶和纤维复合材 料 ) 修复补强钢质管道结构， 复合材料补强套袖可以有效分担管道承受的载荷， 限制管道 缺陷处在内压的作用下所产生的膨胀变形行为， 恢复或提高原管道的正常承压能力。并且 发明所提供的补强修复施工方法， 可以避免在修复后修复补强层在服役过程中出现的修复 材料与管体脱粘、 分层、 空鼓、 开裂和鼓泡等现象， 而且有效提高了在。
20、寒冷潮湿的恶劣环境 下施工的有效性， 确保了复合材料修复施工质量和补强修复效果， 提高修复管道缺陷施工 的可靠性。 具体实施方式 0031 为了更明确的阐述本发明所述补强修复复合材料体系及施工方法， 特给出下述实 施例。 0032 第一步 ： 补强修复设计方法及方案 0033 补强修复试验管道相关参数见表 4， 并且根据其屈服强度计算了无缺陷管道的理 论屈服压力和爆破压力。 采用电动手工打磨的方法在试验管道外表面自制了常见的矩形缺 陷和沟槽缺陷， 缺陷的具体尺寸参数见表 5， 矩形缺陷和沟槽缺陷照片。 0034 表 4 补强修复试验管道相关参数 0035 说 明 书 CN 102464861 。
21、A 7 5/7 页 8 0036 表 5 自制缺陷相关参数 0037 项目 参数指标 项目 参数指标 矩形缺陷 1 深度 6.63mm 沟槽缺陷 2 深度 5.5mm 缺陷 1 轴向长度 100mm 缺陷 2 轴向长度 55mm 缺陷 1 环向长度 100mm 缺陷 2 环向长度 2.5mm 壁厚减薄程度 42 壁厚减薄程度 35 0038 根据表 4 和表 5 中试验管道和自制缺陷的相关参数， 参照国外修复补强设计标准 ASME PCC-2-2006( 压力设备和管道的维修标准 ) 和自主开发的修复补强计算模拟软件， 确 定了补强修复层数和宽度， 见表 6。纤维复合材料体系平均厚度为 0.3。
22、5mm/ 层。 0039 表 6 修复补强层数及宽度参数 0040 项目 矩形缺陷 1 沟槽缺陷 2 修复补强层数 6 层 4 层 修复补强宽度 300mm 300mm 0041 第二步 ： 缺陷及管道表面处理 0042 对自制缺陷及周围的管道表面进行电动钢丝刷手工除锈打磨， 保证达到 GB/T 8923-1988要求的St3标准。 打磨应从上到下依次打磨， 并且管道底部部位应反复打磨确保 达到标准， 打磨过程。手工打磨完成后， 应用毛刷去除浮砂， 再用蘸有丙酮的脱脂棉彻底清 洗缺陷和管道表面， 直至棉纱无擦洗黑斑为止。 0043 第三步 ： 缺陷填充材料填充缺陷 0044 在丙酮清洗缺陷及管。
23、道表面后， 采用本发明研发的缺陷填充材料对矩形缺陷和沟 槽缺陷进行修复填平。 说 明 书 CN 102464861 A 8 6/7 页 9 0045 缺陷填充材料由甲、 乙两组分组成。 0046 甲组分 E-51 环氧树脂 ( 无锡树脂厂 ) 55 份 0047 钢粉 (250 325 目， 市售 ) 50 份 0048 银粉 (200 325 目， 市售 ) 20 份 0049 无规羧基丁腈橡胶 ( 西安长城树脂胶粘剂有限公司 ) 15 份 0050 乙组分 改性胺固化剂 ( 金岛奇士公司 ) 20 份 0051 气相二氧化硅 (200 目， 市售 ) 6 份 0052 DMP-30( 市售。
24、 ) 6 份 0053 KH550( 市售 ) 10 份 0054 甲组分乙组分 6 1 0055 第四步 ： 抗阴极剥离绝缘底胶涂刷 0056 待缺陷填充材料表面初步硬化后 ( 手指触碰 )， 开始涂敷本发明所研制的抗阴极 剥离绝缘底胶， 该底胶既能有效防止修复层与管体阴极剥离的发生， 又能杜绝碳纤维电偶 腐蚀的隐患。底胶由甲、 乙两组分组成， 底胶厚度为 0.55mm。 0057 甲组分 CYD128 环氧树脂 ( 嘉化集团树脂厂 ) 100 份 0058 端环氧基丁腈橡胶 ( 北京思道普森环保科技有限公 20 份 0059 乙组分 KH550 型硅烷偶联剂 ( 市售 ) 1 份 0060。
25、 JA112 固化剂 ( 四川蒲江精细化工厂 ) 35 份 0061 甲组分乙组分 100 28。 0062 第五步 ： 碳纤维布和层间胶粘剂修复补强管道 0063 单向碳纤维布采用进口 T-300 型 ( 河北建研材料技术有限公司 )， 抗拉强 度 3200 3800MPa， 比重 2.0 3.0g/cm3， 单层厚度 0.15 0.2mm， 拉伸弹性模量为 2.4105MPa。层间胶粘剂由甲、 乙两组分组成， 缠绕碳纤维布时涂刷层间胶粘剂。 0064 甲组份 E-51 环氧树脂 ( 无锡树脂厂 ) 40 份 0065 CYD128 环氧树脂 ( 嘉化集团树脂厂 ) 60 份 0066 纳米。
26、固体橡胶胶粉 ( 北京化工研究院 ) 10 份 0067 稀释剂 678( 安徽新远化工有限公司 ) 10 份 0068 消泡剂 BYK 550(BYK Chemie 公司 ) 1 份 0069 乙组份 改性胺固化剂 ( 金岛奇士公司 ) 40 份 0070 气相二氧化硅 (200 目， 市售 ) 5 份 0071 KH550 硅烷偶联剂 ( 市售 ) 3 份 0072 甲组分乙组分 2 1。 0073 第六步 ： 不锈钢薄带紧固处理 0074 碳纤维布缠绕完成后， 采用不锈钢薄带紧固复合材料套袖固化， 将不锈钢薄带与 纤维缠绕相同方向贴紧包覆， 增加修复补强工程质量的可靠性。紧固固化用不锈钢。
27、薄带厚 度为 0.2mm， 包覆完后采用橡胶带紧固并室温固化。 0075 第七步 ： 外部加热带加热固化 0076 根据现场施工环境情况， 如需加热固化， 采用自控温伴热电缆加热固化， 工作温度 控制在 60左右， 固化 2 4 小时， 固化完成后的修复层表面。 说 明 书 CN 102464861 A 9 7/7 页 10 0077 第八步 ： 拆除外部加热带及不锈钢薄带 0078 带紧固加热固化完成后， 依次拆除加热带和紧固不锈钢薄带。 现场修复施工时， 防 腐处理可选用冷缠带、 热收缩带或其他防腐材料。 0079 第九步 ： 静水压爆破试验 0080 对上述修复补强试验管段依据 SY/T 5992-94 输送钢管静水压爆破试验方法 进 行爆破试验。采用阶梯式加载方式加压至 41.2MPa 时， 未补强母材出现撕裂型破坏， 而缺陷 处无明显变化。 说 明 书 CN 102464861 A 10 。