设计和测试新的ISO / ASTM标准的复合修复解决方案

通过奥斯梅·奥哈里兹，che, M.Sc。|上次更新：2020年8月5日

关键的外卖

复合修复提供了一种负担得起的替代管道和压力设备，由于腐蚀或多年使用而严重损坏的昂贵更换。

来源:Belzona公司。

近年来,，综合维修在资产所有者和设备运营商中获得了更大的认可，这不仅是因为这些维修提供了一种工程化的、耐用的和负担得起的替代方案，而且还因为它们符合国际工程标准。

由两部分组成的复合修复系统通常包括树脂可定制用于管道、管道工程和容器的材料和加强板加压服务．

此类维修的合适应用包括大直径管道和部件，如弯管、，法兰，阀门和还原剂等。其他包括在地上或地下的管道，关节，阀门，垫圈，配件等;加压血管和罐;他们的一些部件，如鞍座，主体连接，支撑，喷嘴和发球部件。

两部分复合修复是如何进行的

因为复合修复系统必须形成债券利用损坏的基材，它依赖于树脂的粘合质量，以实现其一些强度。环氧树脂树脂可作为双组份复合材料修补的基材，因其优异的附着力、力学性能和腐蚀腐蚀阻力。

在这方面，环氧树脂优于其他非金属树脂，如聚氨酯丙烯酸甲酯,醇酸、乙烯基和聚酯基树脂。(本文对醇酸树脂进行了检测醇酸树脂概述。）在复合修复施用中，树脂还用于润湿加强片，意图消除偷窥/毛细管沿增强片纤维束的破坏模式。

Superwrap II用于修理管道

图1所示。根据ISO、EN和ASTM标准，Superwrap II进行了一系列严格的外部和内部测试。

在需要时，加固板可提供修复强度和环箍强度。这些板材通常由碳制成，玻璃纤维或者两者的结合。与玻璃纤维增强片相比，碳增强片成本高，更刚性，而且难以切割、设计和应用。然而，玻璃纤维和碳增强的组合提供了机械强度，同时提供了一定程度的灵活性，以更好的长期热循环性能。

复合材料修复的管理标准

如前所述，复合材料维修系统的接受和使用的增长与标准化文件的可用性内在地相关。其中两个标准ASME PCC-2和ISO/TS 24817详述如下：

ASME PCC-2《压力设备和管道维修》
第4.1条本标准提供了使用合格的非金属修复系统修理管道和管道的要求。它定义了修复系统，因为那些制造的修复系统热固性树脂与玻璃或碳纤维增强材料以及其他允许材料一起使用。同样，它为评估是否涉及结构完整性损坏的外部腐蚀产生的缺陷提供了指导，内部腐蚀和泄漏。此外，它涵盖了设计这些修复系统的所有方法，以及其他一些设计考虑因素，如外部负载，循环加载、防火性能、导电性、阴极剥离和环境兼容性。
ISO/TS 24817《石油、石化和天然气工业。管道的复合修理。鉴定和设计、安装、测试和检验》
本标准显示了石油和天然气行业中最常见的遭受腐蚀或其他损坏的管道的复合修复外部应用的鉴定、设计、安装、测试和检查的所有要求和建议。本标准将复合修复层压板定义为含碳、玻璃、，聚酯纤维或其他类似的聚酯增强材料，乙烯基酯，环氧树脂或聚氨酯矩阵。该标准还提供了评估外部和内部腐蚀问题的数学指导，包括或不包括结构完整性损害。

虽然两种标准提供了关于如何设计，应用，测试和检查复合修复系统的广泛信息和指导，但计算引擎和考虑因素存在一定的差异。例如，ISO / TS 24817允许在更复杂的几何形状上设计修理，例如损坏的夹紧表面，弯曲，T形管道，减速剂，凸缘和圆柱容器等。另一方面，美国机械工程师学会标准在设计公式中没有明确考虑维修预期寿命。(进一步讨论，请阅读柔性复合材料修理的安装方法。）

系统设计鉴定

合格的复合修复系统由流体级环氧树脂和加强片由符合ASME PCC 2和ISO 24817标准提供的复合层压板/维修的定义。

树脂设计为双组分聚合物100%固体系统，包括环氧酚醛树脂基碱和胺固化剂。与其他官能聚合物如聚氨酯，甲基丙烯酸酯，醇酸醇，乙烯基和聚酯相比，这种组合提供了卓越的粘附性和机械强度。环氧酚酚醛清漆树脂还形成高度交联基质，显示出高温和耐化学性。

由于环氧树脂分别在低温和高温下固化缓慢或非常快，因此设计了两种类型的树脂，如表1所示。使用两种类型的树脂有助于在不同环境条件下应用复合系统：

低温树脂(LT)该树脂以高于5°C（41°F）的环境温度水平，更快地设计治愈率比传统的环氧树脂系统。例如，如果在5°C下使用LT增强树脂，则在48小时内完全固化。建议在温度高达60°C（140°F）的设备上使用LT树脂。
更高的温度树脂（HT）：该树脂的设计适用于环境温度超过20°C(68°F)的应用工作生活. 例如，HT树脂在40°C（104°F）下的工作寿命可达25分钟。HT树脂建议用于在高达80°C（176°F）的温度水平下运行的设备。

表1:低温和高温树脂
表低温树脂与高温树脂的对比

根据机械强度、弹性程度和易用性（润湿、切割、包裹）选择合适的加固板材料。考虑了几种增强织物类型，包括玻璃、碳纤维、聚酯、Kevlar®和Dyneema®。

聚酯被发现是非常灵活和低密度，但它的最低抗拉强度和模量所有上述的纤维凯夫拉是一种特殊类型的芳纶合成纤维的注册商标。在纺丝过程中，纤维的拉伸强度约为3620 MPa，相对密度为1.44 (Quin, J.)。然而，Kevlar纤维需要特殊的切割工具，而且它的强度没有碳纤维那么高。

迪尼玛是优点高到2.4 GPa，比重低到0.97，但它很低抗压强度而且非常昂贵。在上述所有织物类型中，碳具有最高的拉伸模量(Kop, d)，但发现它的弹性最小，抗压缩性能较差。

另一方面，玻璃易于切割、透明，而且相当便宜。玻璃纤维的透明度可以让施药者很容易地识别树脂不足的区域，但与凯夫拉纤维相比，玻璃的拉伸强度和模量最低。

在仔细考虑每种织物的优点和缺点后，决定使用碳和玻璃增强纤维混合编织在一起。玻璃/碳编织的重量百分比和取向必须设计为最大化每种纤维类型的好处，结合物理和机械性能和应用方便。

此外，加固板将有三种不同尺寸，以方便应用于具有复杂几何形状的管道元件(如三通、法兰和异径管等)的维修。通过将这种混合增强片与HLT和HT树脂结合使用，双组分体系有望产生最佳的机械强度、最佳粘附力和柔韧性平衡。

符合这些系统的资格是在管道上兼容应用程序所必需的。对ISO，EN和ASTM标准进行了严格的外部和内部测试。对于一些测试，使用LT和HT树脂加强三种树脂湿润的加强件来制备复合板。对于其他人来说，根据ISO 24817要求修复了已知尺寸和特定缺陷的实际碳钢线轴。测试详细信息总结如下。

表2:测试细节 修理材料的测试细节表

值得一提的几个结果如下所示(在本文中了解各种测量强度的方法6测试以测量材料的实力。）

表3：测试结果 测试结果表：LT和HT增强树脂

泊松比为当材料在一个方向上受到压缩而在另外两个垂直方向上向原始荷载方向扩展时，所得到的横向应变与轴向应变的负比。泊松效应在有压力的管道系统中有相当大的影响。内部产生的周向应力倾向于导致管道直径略有增加，而变得更短。因此，任何用于恢复承压管道系统机械强度的复合材料修复都必须能够以与管道本身类似的方式应对这些应力。双组分树脂/玻璃-碳增强复合材料系统的泊松值接近碳钢的泊松比，通常计算在0.27-0.3范围内。工具箱)。这意味着这种复合材料的修复将对碳钢产生类似的反应底物在压缩或张紧载荷时施加它。

拉伸或杨氏模量是对某种材料刚度的量度。报道年轻的模量对于双组分树脂/玻璃碳增强复合材料系统，这是一个很高的值，这意味着修复将保持极高的刚度和弯矩水平。此外，经验表明弹性模量至少6,895个MPa是预测综合修复的原位性能的良好基准（Alex。C）。

热膨胀系数在固体材料中，描述了当压力保持不变时，材料的大小如何随温度的变化而变化。热应力使金属在高温和低温下分别膨胀和收缩。因此，任何用于恢复金属基板机械强度的复合材料修复必须能够以与基板本身相同或类似的方式处理热应力。双组分树脂/玻璃-碳增强复合体系的报告系数与钢非常相似，约为0.00001 mm/mm°C (Eng。工具箱)。这意味着修复和基板将以相似的速率膨胀和收缩，使由于热膨胀或收缩差异而对修复/基板结合线造成的机械应力最小化。

能源释放率是一种衡量复合材料修复的韧性的衡量标准，它与在修复通壁缺陷时在复合修复/基板键合线上导致失效所需的能量有关。然后使用该值来表征复合材料修复和基板之间的粘附性。在数学上，该值还用于确定应用到通壁基板上所需的最小复合修复厚度。

在短期耐压测试中，已知尺寸缺陷的碳钢轴芯采用复合材料修复，以提供原始屈服强度。计算未损坏阀芯的屈服压力为39.2 MPa。然后进行了修复，使管道恢复到原来的压力。

将修复应用于说明书，管道高达39.2MPa的加压，而不会发生故障。这证明了两件综合修复已根据设计进行。然后增加压力以确定屈服会发生屈服，无论是在修理或原始管道中。在左右42MPa，管道清楚地屈服于修理区域。这是确实证据表明，综合修复不仅将管道返回到原始强度，而且还使缺陷面积比原来的管道截面更强。