1.引言

管道是工業基礎設施的重要組成部分，可以實現天然氣、石油和水等各種能源的長距離輸送。為了提供不間斷的能源供應，必須維護這些管道的完整運行。在整個使用生命周期，這些管道會遇到多種障礙，包括腐蝕、機械故障和外部沖擊等，這些障礙可能導致其結構退化和泄漏。管道系統的完整性是一個嚴重的問題，包括磨損、腐蝕、管壁變薄以及與工作介質發生化學反應等問題，可能導致計劃外停機，從而降低系統的整體盈利能力和效率。焊接或更換管道等傳統維護策略成本高昂、耗時長，會導致長時間停機，從而中斷能源供應。這些傳統流程不僅耗時，還會因生產過程的停止而產生額外成本。此外，這些技術涉及熱加工工藝，對電廠和員工都構成危險。鋼套管是另一種無需停工修復管道泄漏的方法。這種方法需要挖掘和清理受損管道，然后用螺栓將其固定到位。然而，這種方法存在會將有害氣體排放到大氣中的安全風險。因此，能源行業正在尋求先進的修復解決方案，以確保能源不間斷流動，并將環境風險降至最低。繃帶修復系統（也稱為復合修復包或管道包）的使用就是這樣一種解決方案，它能夠減輕電力行業管道老化造成的不利影響。它們可以在特定條件下對管道系統進行臨時或永久性修復，且無需電廠停工。

繃帶修復系統由浸漬有環氧樹脂和高強度纖維（包括碳纖維或玻璃纖維）的復合材料組成。這些物質旨在用增強涂層覆蓋管道受損區域，恢復其結構完整性并阻止進一步惡化。石油和天然氣、水務和化學加工等各行各業都廣泛使用繃帶修復系統，證明其在解決一系列管道完整性挑戰方面具有潛在功效。該方法旨在加速修復過程、降低成本和減輕安全風險。最近的進展包括數值分析和使用基于玻璃和碳纖維織物與樹脂結合的復合材料的替代修復方案。與傳統焊接技術相比，這是一種頗具前途的修復金屬管道的解決方案，因為它消除了爆炸風險、提供了快速修復并恢復了管道的承壓能力。它是一種經濟高效的技術，適用于修復凹痕、凹坑、裂紋和腐蝕等缺陷。復合材料修復材料能夠有效恢復管道的強度和耐久性，因此可用于延長腐蝕管道的使用壽命。在腐蝕管道中，該系統通過高抗壓強度填料將缺陷區域的環向應力轉移到復合材料套管。該技術減緩了外部腐蝕的增長速度，形成了一層防護層，抵御環境侵蝕。

最近，有多項研究采用分析和實驗技術來了解通過復合材料修復管道的現象，并對其進行優化以獲得更好的性能。Saeed等人提出了一種基于可靠性的纖維增強復合材料包裹陸上和海上管道的設計框架。該設計有望在優化成本的同時改善當前的做法和安全性。Singh等人使用樂泰膠粘劑復合材料包裹碳合金鋼（EN 10028-P235GH），并對環向應力和爆破壓力進行了數值分析。結果表明，爆破壓力增加了20%，缺陷區域的應變降低了。樂泰膠粘劑在拉伸試驗中對復合管表現出更好的效果。Budhe等人評估了壁厚損失缺陷管道的機械性能，并用纖維增強聚合物復合材料修復系統進行了驗證。結果表明，即使復合材料厚度減少40%，也能維持修復的失效壓力。Bezzerrouki 等人研究了用玻璃/環氧材料修復的帶有周向（全壁）裂紋的金屬管道。同樣，Benziane 等人通過 FE 分析研究了用碳環氧復合材料套管修復的帶有縱向全壁裂紋的金屬管道。Bruere 等人使用 EM 分析預測了在內壓和軸向壓縮力共同作用下的管道故障。然而，大多數研究報告了研究不同幾何和參數條件下復合材料修復性能的理論和一些實用方法，只有有限的研究報告了樂泰復合材料體系對修復管道的影響。

能源行業屬于關鍵基礎設施，維持其運行需要大量財力資源。長期的運行負荷會導致磨損和缺陷。有些關鍵缺陷需要立即關閉設備。然而，有些缺陷并不威脅設備的運行，此時不需要停止設備運行，只需采取措施糾正缺陷，然后在計劃停機期間進行實際修復。此類缺陷包括泄漏、滲漏等。圖 1?(a) 顯示了焊接接頭處的液體泄漏。圖 1 (b) 顯示了泄漏的可能原因 - 壁面因腐蝕而變弱，可能形成裂紋。這種現象主要在工業其他領域的異質焊接接頭和焊縫中觀察到。圖 1 (c) 顯示了可能導致缺陷的裂紋的示例。相反，在工業中，存在著異質焊縫（例如，插入碳化鎢顆粒的焊縫），其中出現裂紋但不需要修復，也不會導致設備停機。

圖 1.（a）介質泄漏（b）焊接接頭處的腐蝕侵蝕（c）焊接接頭邊界處的不均勻性以及裂紋。

這項研究使用漢高樂泰（Henkel Loctite）技術，繃帶以復合層的形式應用于受損管道表面。因此，這項研究的目的是評估樂泰技術的性能，并評估這些技術是否適合修復發電廠冷卻系統中用于輸送特定流體（例如水）的壓力管道。這為了解復合修復技術的潛力提供了實用的見解。

2.材料與方法

一段焊接管道用于輸送加壓冷卻水，旨在測試包扎技術。表 1 顯示了管道樣品的化學成分，表 2提供了樣品大小的信息。

使用樂泰復合管道修復技術將繃帶應用到焊接接頭處，如圖2所示。為確保盡可能高的質量，該套件附帶了制造商推薦在修復過程中使用的一系列附加產品。漢高樂泰技術套件包括：樂泰 SF 7515緩蝕劑、樂泰 EA 3478（雙組分環氧密封膠）、樂泰 PC 7255（陶瓷保護涂層）、樂泰 PC 7210（環氧樹脂）和樂泰 PC 5085（玻璃碳繃帶）。該技術用于輕松、快速地修復常壓和加壓管道中的輕微缺陷、裂紋和泄漏。其優點在于，由于樂泰繃帶可以直接應用于受損區域，因此無需關閉或更換受損的管道部分即可進行修復。為了模擬泄漏，創建了一個直徑為15 毫米的孔。

圖 2.使用樂泰（帶陶瓷涂層）包扎和完成修復的示意圖。

對樣品進行了分析和評估，包括使用 Olympus SZX7 顯微鏡對繃帶的宏觀結構和微觀結構進行評估，包括使用 Olympus SZX7 顯微鏡對焊接接頭進行評估。對于宏觀圖像，繃帶和焊接接頭本身均通過金相評估進行評估。

下一步，對管道樣品進行靜壓試驗，其中管道中充滿壓力為 0.9 MPa 的水。之后，對已加壓的管道樣品進行機械試驗，試驗形式為靜態和動態拉伸試驗相結合。該試驗模擬了所謂的設計地震 (DE) 和最大設計地震 (MDE) 期間管道中的應力。根據 IAEA 標準系列 No. NS-G-3.3 和 NS-G-1.6（在美國術語中，它被稱為運行基準地震和安全關閉地震），DE 相當于 SL1 地震，MDE 相當于 SL2 地震。試驗參數見表4 ，符合 NTD ASI 為捷克共和國核電站設定的條件標準。在本次試驗中檢查了流體泄漏。

最后，由認證實驗室在封閉的火焰室內進行防火測試，使用丙烷作為燃料，在小火焰（≤20毫米，根據EN ISO 11925 進行測試）下持續 30 秒，之后在 30 千瓦火焰下持續 1440 秒（根據 EN 13823 進行測試）。在這些測試期間，檢查了火焰或燃燒的跡象。

3.結果

3.1 繃帶層的評估

3.宏觀結構（a）繃帶左邊緣（1 層）（b）繃帶中心（2 層）（c）繃帶 – 6 層（d）連接層。

圖 3（c）顯示繃帶最寬處有大量樹脂和氣泡，表明繃帶收緊不足。在圖 3（d）中，可以觀察到繃帶邊緣四層過渡為一個連續層。每層都存在氣泡和不規則的陶瓷涂層層等特征。

3.2 .焊接接頭的評價

圖4.( a) 焊接接頭 (b) “替代缺陷” 孔 (c) 孔邊緣的宏觀結構。

即使繃帶下存在缺陷，各層之間也可能發生粘附和分離。因此，設計了一個“替代缺陷”系統——焊接接頭旁邊有一個直徑為 15 毫米的孔（圖 4 (b)）。修改后的樣品承受 0.9 MPa 的靜態和動態內部過壓。測試的目的是驗證由于內部介質在層分離點的作用，孔圓周邊緣的第一層是否分離（圖 4 (c)，箭頭所示）。

3.3微觀結構評價

對繃帶層和隨后的焊接接頭進行了微觀結構評估。圖 5 (a) 顯示了管道表面（圖像底部的白色層）上的陶瓷涂層（白色和黑色硅酸鹽顆粒）的顯微照片。圖 5 (a) 中可以明顯看到涂層中存在黑色氣泡（空氣泡）。涂層均勻，厚度約為 0.35 毫米。圖像的右側部分反映了繃帶第一層的開始部分，其中觀察到橫向存在玻璃纖維以及大量氣泡。

圖5.( a) 陶瓷涂層 (b) 各層 (c) 焊接接頭 - 左側 (d) 焊接接頭 - 右側 (e) 繃帶中的夾雜物 (f) 繃帶中的纖維的微觀結構。

圖 5?(b) 顯示了樹脂層內部縱向玻璃纖維層的顯微照片。在縱向層上方，橫向存在一束碳纖維，該碳纖維束向右自由穿過一束玻璃纖維。它與大橢圓形玻璃纖維束之間被一層較薄的樹脂層隔開，該樹脂層含有可見的碳纖維。由于其位置和密度較低，可以在繃帶的右下角看到一小束碳纖維。它是一束松散的碳纖維，與主層分離并嵌入樹脂中，其中幾乎沒有氣泡，也沒有其他可見的缺陷。圖 5 (c) 和 (d) 顯示了一側和另一側焊縫熔合極限上方的區域。焊縫上方有一層樹脂，其中看不到繃帶纖維。焊縫本身與樹脂層之間的接觸面積顯示出均勻的附著力，沒有樹脂層分離的跡象。圖 5 (e) 顯示了一個可見的缺陷 - 管道表面的夾雜物，周圍形成了一個較大的空間，但尚未用樹脂填充。沒有看到形成空間中產生的裂紋或其他缺陷。在空腔的左側，可以看到一個較小的橫向碳纖維束。在圖像的上半部分，有一個縱向碳纖維束，其上方有一個不受約束的橫向碳纖維束。圖 5 (f) 是繃帶纖維的特寫，顯示了明顯的橫向碳纖維（左中）和其上方的一層縱向玻璃纖維。纖維束位于一層薄薄的樹脂上。除了圖像中央的黑色氣泡外，沒有看到任何缺陷。

3.4帶繃帶管道的機械和耐火試驗

還進行了模擬地震條件的機械試驗。這項特殊試驗是為了模擬發電廠的這些條件而進行的，是應發電廠運營商的要求進行的。

樣品經過靜壓形式的機械測試，然后進行壓力管拉伸測試（見圖6a），模擬地震條件。樣品在靜態和動態測試后均未出現泄漏（見圖7），表明測試結果成功。最后進行的測試是耐火性測試，以證明這些繃帶層可以承受火災條件（見圖6b）而不會出現明顯損壞。仔細評估樣品后，結果顯示沒有表面損壞；僅觀察到輕微的顏色變化（見圖6c），根據現行標準確認測試成功。

圖6.（a）機械試驗和（b）耐火試驗和（c）試驗結果 - 燒焦陶瓷層（箭頭）。

圖7.動態機械壓力試驗記錄。

本文對漢高樂泰管道修復系統進行了評估。本研究旨在評估使用漢高樂泰技術對發電廠冷卻系統中的水壓管道進行復合材料修復的可能性。

• 宏觀結構分析表明，由于管道表面和繃帶連接處的污染或氧化煙霧，管道各層出現部分分離。

• 陶瓷涂層呈現出均勻的層狀，但有明顯的不規則性和氣泡。

• 采用樂泰技術的復合繃帶的微觀結構未出現表面缺陷或不可接受的內部缺陷，且繃帶層涂層厚度均勻，且有氣泡。

• 在特定條件下，樂泰技術可以被認為足以修復15毫米大小的缺陷。

• 機械測試證實了繃帶修復在可能發生的地震條件下能夠有效防止壓力管道漏液。還具有令人滿意的防火效果，可以推薦用于臨時使用。

總體而言，在特定條件下，使用復合修復系統修復能源工業中受損壓力管道系統的技術是可行的。這些條件必須由發電廠運營商根據適用的法規、標準建立，并隨后由國家監督專家批準該技術。通過應用復合系統，可以延長設備的可操作性，而無需立即關閉。文章中提出的結果為未來在其他類型的能源設備中可能使用這些修復方法提供了基礎，例如修復核電工業中核電站廢燃料池和儲存池的壁和底部。然而，應系統地探索對繃帶層氧化或污染（如氣泡和層分離）的緩解策略的見解。此外，還應進一步研究修復的長期耐久性。

原始文獻：

Jind?ich Kozák, Lucie Krej?í, Ivo Hlavaty, Michal Bu?ko, Sergej Hloch, Martin Fry?ák, Madhulika Srivastava, Ján Viňá?, Martin Va?ek, 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.