绷带修复系统在电力行业中恢复管道完整性的应用

1.引言

管道是工业基础设施的重要组成部分，可以实现天然气、石油和水等各种能源的长距离输送。为了提供不间断的能源供应，必须维护这些管道的完整运行。在整个使用生命周期，这些管道会遇到多种障碍，包括腐蚀、机械故障和外部冲击等，这些障碍可能导致其结构退化和泄漏。管道系统的完整性是一个严重的问题，包括磨损、腐蚀、管壁变薄以及与工作介质发生化学反应等问题，可能导致计划外停机，从而降低系统的整体盈利能力和效率。焊接或更换管道等传统维护策略成本高昂、耗时长，会导致长时间停机，从而中断能源供应。这些传统流程不仅耗时，还会因生产过程的停止而产生额外成本。此外，这些技术涉及热加工工艺，对电厂和员工都构成危险。钢套管是另一种无需停工修复管道泄漏的方法。这种方法需要挖掘和清理受损管道，然后用螺栓将其固定到位。然而，这种方法存在会将有害气体排放到大气中的安全风险。因此，能源行业正在寻求先进的修复解决方案，以确保能源不间断流动，并将环境风险降至最低。绷带修复系统（也称为复合修复包或管道包）的使用就是这样一种解决方案，它能够减轻电力行业管道老化造成的不利影响。它们可以在特定条件下对管道系统进行临时或永久性修复，且无需电厂停工。

绷带修复系统由浸渍有环氧树脂和高强度纤维（包括碳纤维或玻璃纤维）的复合材料组成。这些物质旨在用增强涂层覆盖管道受损区域，恢复其结构完整性并阻止进一步恶化。石油和天然气、水务和化学加工等各行各业都广泛使用绷带修复系统，证明其在解决一系列管道完整性挑战方面具有潜在功效。该方法旨在加速修复过程、降低成本和减轻安全风险。最近的进展包括数值分析和使用基于玻璃和碳纤维织物与树脂结合的复合材料的替代修复方案。与传统焊接技术相比，这是一种颇具前途的修复金属管道的解决方案，因为它消除了爆炸风险、提供了快速修复并恢复了管道的承压能力。它是一种经济高效的技术，适用于修复凹痕、凹坑、裂纹和腐蚀等缺陷。复合材料修复材料能够有效恢复管道的强度和耐久性，因此可用于延长腐蚀管道的使用寿命。在腐蚀管道中，该系统通过高抗压强度填料将缺陷区域的环向应力转移到复合材料套管。该技术减缓了外部腐蚀的增长速度，形成了一层防护层，抵御环境侵蚀。

最近，有多项研究采用分析和实验技术来了解通过复合材料修复管道的现象，并对其进行优化以获得更好的性能。Saeed等人提出了一种基于可靠性的纤维增强复合材料包裹陆上和海上管道的设计框架。该设计有望在优化成本的同时改善当前的做法和安全性。Singh等人使用乐泰胶粘剂复合材料包裹碳合金钢（EN 10028-P235GH），并对环向应力和爆破压力进行了数值分析。结果表明，爆破压力增加了20%，缺陷区域的应变降低了。乐泰胶粘剂在拉伸试验中对复合管表现出更好的效果。Budhe等人评估了壁厚损失缺陷管道的机械性能，并用纤维增强聚合物复合材料修复系统进行了验证。结果表明，即使复合材料厚度减少40%，也能维持修复的失效压力。Bezzerrouki 等人研究了用玻璃/环氧材料修复的带有周向（全壁）裂纹的金属管道。同样，Benziane 等人通过 FE 分析研究了用碳环氧复合材料套管修复的带有纵向全壁裂纹的金属管道。Bruere 等人使用 EM 分析预测了在内压和轴向压缩力共同作用下的管道故障。然而，大多数研究报告了研究不同几何和参数条件下复合材料修复性能的理论和一些实用方法，只有有限的研究报告了乐泰复合材料体系对修复管道的影响。

能源行业属于关键基础设施，维持其运行需要大量财力资源。长期的运行负荷会导致磨损和缺陷。有些关键缺陷需要立即关闭设备。然而，有些缺陷并不威胁设备的运行，此时不需要停止设备运行，只需采取措施纠正缺陷，然后在计划停机期间进行实际修复。此类缺陷包括泄漏、渗漏等。图 1 (a) 显示了焊接接头处的液体泄漏。图 1 (b) 显示了泄漏的可能原因 - 壁面因腐蚀而变弱，可能形成裂纹。这种现象主要在工业其他领域的异质焊接接头和焊缝中观察到。图 1 (c) 显示了可能导致缺陷的裂纹的示例。相反，在工业中，存在着异质焊缝（例如，插入碳化钨颗粒的焊缝），其中出现裂纹但不需要修复，也不会导致设备停机。

图 1.（a）介质泄漏（b）焊接接头处的腐蚀侵蚀（c）焊接接头边界处的不均匀性以及裂纹。

这项研究使用汉高乐泰（Henkel Loctite）技术，绷带以复合层的形式应用于受损管道表面。因此，这项研究的目的是评估乐泰技术的性能，并评估这些技术是否适合修复发电厂冷却系统中用于输送特定流体（例如水）的压力管道。这为了解复合修复技术的潜力提供了实用的见解。

2.材料与方法

一段焊接管道用于输送加压冷却水，旨在测试包扎技术。表 1 显示了管道样品的化学成分，表 2提供了样品大小的信息。

使用乐泰复合管道修复技术将绷带应用到焊接接头处，如图2所示。为确保尽可能高的质量，该套件附带了制造商推荐在修复过程中使用的一系列附加产品。汉高乐泰技术套件包括：乐泰 SF 7515缓蚀剂、乐泰 EA 3478（双组分环氧密封胶）、乐泰 PC 7255（陶瓷保护涂层）、乐泰 PC 7210（环氧树脂）和乐泰 PC 5085（玻璃碳绷带）。该技术用于轻松、快速地修复常压和加压管道中的轻微缺陷、裂纹和泄漏。其优点在于，由于乐泰绷带可以直接应用于受损区域，因此无需关闭或更换受损的管道部分即可进行修复。为了模拟泄漏，创建了一个直径为15 毫米的孔。

图 2.使用乐泰（带陶瓷涂层）包扎和完成修复的示意图。

对样品进行了分析和评估，包括使用 Olympus SZX7 显微镜对绷带的宏观结构和微观结构进行评估，包括使用 Olympus SZX7 显微镜对焊接接头进行评估。对于宏观图像，绷带和焊接接头本身均通过金相评估进行评估。

下一步，对管道样品进行静压试验，其中管道中充满压力为 0.9 MPa 的水。之后，对已加压的管道样品进行机械试验，试验形式为静态和动态拉伸试验相结合。该试验模拟了所谓的设计地震 (DE) 和最大设计地震 (MDE) 期间管道中的应力。根据 IAEA 标准系列 No. NS-G-3.3 和 NS-G-1.6（在美国术语中，它被称为运行基准地震和安全关闭地震），DE 相当于 SL1 地震，MDE 相当于 SL2 地震。试验参数见表4 ，符合 NTD ASI 为捷克共和国核电站设定的条件标准。在本次试验中检查了流体泄漏。

最后，由认证实验室在封闭的火焰室内进行防火测试，使用丙烷作为燃料，在小火焰（≤20毫米，根据EN ISO 11925 进行测试）下持续 30 秒，之后在 30 千瓦火焰下持续 1440 秒（根据 EN 13823 进行测试）。在这些测试期间，检查了火焰或燃烧的迹象。

3.结果

3.1 绷带层的评估

3.宏观结构（a）绷带左边缘（1 层）（b）绷带中心（2 层）（c）绷带 – 6 层（d）连接层。

图 3（c）显示绷带最宽处有大量树脂和气泡，表明绷带收紧不足。在图 3（d）中，可以观察到绷带边缘四层过渡为一个连续层。每层都存在气泡和不规则的陶瓷涂层层等特征。

3.2 .焊接接头的评价

图4.( a) 焊接接头 (b) “替代缺陷” 孔 (c) 孔边缘的宏观结构。

即使绷带下存在缺陷，各层之间也可能发生粘附和分离。因此，设计了一个“替代缺陷”系统——焊接接头旁边有一个直径为 15 毫米的孔（图 4 (b)）。修改后的样品承受 0.9 MPa 的静态和动态内部过压。测试的目的是验证由于内部介质在层分离点的作用，孔圆周边缘的第一层是否分离（图 4 (c)，箭头所示）。

3.3微观结构评价

对绷带层和随后的焊接接头进行了微观结构评估。图 5 (a) 显示了管道表面（图像底部的白色层）上的陶瓷涂层（白色和黑色硅酸盐颗粒）的显微照片。图 5 (a) 中可以明显看到涂层中存在黑色气泡（空气泡）。涂层均匀，厚度约为 0.35 毫米。图像的右侧部分反映了绷带第一层的开始部分，其中观察到横向存在玻璃纤维以及大量气泡。

图5.( a) 陶瓷涂层 (b) 各层 (c) 焊接接头 - 左侧 (d) 焊接接头 - 右侧 (e) 绷带中的夹杂物 (f) 绷带中的纤维的微观结构。

图 5 (b) 显示了树脂层内部纵向玻璃纤维层的显微照片。在纵向层上方，横向存在一束碳纤维，该碳纤维束向右自由穿过一束玻璃纤维。它与大椭圆形玻璃纤维束之间被一层较薄的树脂层隔开，该树脂层含有可见的碳纤维。由于其位置和密度较低，可以在绷带的右下角看到一小束碳纤维。它是一束松散的碳纤维，与主层分离并嵌入树脂中，其中几乎没有气泡，也没有其他可见的缺陷。图 5 (c) 和 (d) 显示了一侧和另一侧焊缝熔合极限上方的区域。焊缝上方有一层树脂，其中看不到绷带纤维。焊缝本身与树脂层之间的接触面积显示出均匀的附着力，没有树脂层分离的迹象。图 5 (e) 显示了一个可见的缺陷 - 管道表面的夹杂物，周围形成了一个较大的空间，但尚未用树脂填充。没有看到形成空间中产生的裂纹或其他缺陷。在空腔的左侧，可以看到一个较小的横向碳纤维束。在图像的上半部分，有一个纵向碳纤维束，其上方有一个不受约束的横向碳纤维束。图 5 (f) 是绷带纤维的特写，显示了明显的横向碳纤维（左中）和其上方的一层纵向玻璃纤维。纤维束位于一层薄薄的树脂上。除了图像中央的黑色气泡外，没有看到任何缺陷。

3.4带绷带管道的机械和耐火试验

还进行了模拟地震条件的机械试验。这项特殊试验是为了模拟发电厂的这些条件而进行的，是应发电厂运营商的要求进行的。

样品经过静压形式的机械测试，然后进行压力管拉伸测试（见图6a），模拟地震条件。样品在静态和动态测试后均未出现泄漏（见图7），表明测试结果成功。最后进行的测试是耐火性测试，以证明这些绷带层可以承受火灾条件（见图6b）而不会出现明显损坏。仔细评估样品后，结果显示没有表面损坏；仅观察到轻微的颜色变化（见图6c），根据现行标准确认测试成功。

图6.（a）机械试验和（b）耐火试验和（c）试验结果 - 烧焦陶瓷层（箭头）。

图7.动态机械压力试验记录。

本文对汉高乐泰管道修复系统进行了评估。本研究旨在评估使用汉高乐泰技术对发电厂冷却系统中的水压管道进行复合材料修复的可能性。

• 宏观结构分析表明，由于管道表面和绷带连接处的污染或氧化烟雾，管道各层出现部分分离。

• 陶瓷涂层呈现出均匀的层状，但有明显的不规则性和气泡。

• 采用乐泰技术的复合绷带的微观结构未出现表面缺陷或不可接受的内部缺陷，且绷带层涂层厚度均匀，且有气泡。

• 在特定条件下，乐泰技术可以被认为足以修复15毫米大小的缺陷。

• 机械测试证实了绷带修复在可能发生的地震条件下能够有效防止压力管道漏液。还具有令人满意的防火效果，可以推荐用于临时使用。

总体而言，在特定条件下，使用复合修复系统修复能源工业中受损压力管道系统的技术是可行的。这些条件必须由发电厂运营商根据适用的法规、标准建立，并随后由国家监督专家批准该技术。通过应用复合系统，可以延长设备的可操作性，而无需立即关闭。文章中提出的结果为未来在其他类型的能源设备中可能使用这些修复方法提供了基础，例如修复核电工业中核电站废燃料池和储存池的壁和底部。然而，应系统地探索对绷带层氧化或污染（如气泡和层分离）的缓解策略的见解。此外，还应进一步研究修复的长期耐久性。

原始文献：

Jindřich Kozák, Lucie Krejčí, Ivo Hlavatý, Michal Bučko, Sergej Hloch, Martin Fryšák, Madhulika Srivastava, Ján Viňáš, Martin Vašek, Application of bandage repair systems in the power sector to restore pipeline integrity, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Volume 209, 2024, 105175, ISSN 0308-0161, https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2024.105175.