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138柳素霞 碳纤维复合材料加固技术在给排水管道修复补强中的应用碳纤维复合材料加固技术在给排水管道修复补强中的应用柳素霞（北京水利水电学校，北京 100024）摘要：随着全球水资源危机的发生，管道运输作为高效的运输方式得到了越来越多的应用，全球管道铺设量急剧增加。但管道工作环境较为恶劣，极易发生泄漏问题，并造成巨大的财产损失，因此受损管道修复具有重要的研究价值。该文分析了目前给排水管道损伤的主要原因，针对较小的穿孔泄露问题，论证了碳纤维复合材料在管道补强中的应用优势。阐述了碳纤维复合材料的给排水管道补强原理及技术路线，以期解决实际工程中给排水管道缺陷补强的技术问题。关键词：给排水管道；碳纤维复合材料；加固技术；修复补强中图分类号：TB 332Application of Carbon Fiber Composite Reinforcement Technology in Water Supply and Drainage Pipeline Repair and ReinforcementLIU Su-xia(Beijing Water Conservancy and Hydropower School,Beijing 100024,China)Abstract:With the occurrence of the global water crisis,pipeline transportation,as an effi cient transportation mode,has been applied more and more,and the amount of pipeline laying in the world has increased dramatically.However,the working environment of the pipeline is relatively harsh,which is prone to leakage and causes huge property losses.Therefore,the repair of damaged pipelines has important research value.The main causes of water supply and drainage pipeline damage are analyzed,and the application advantages of carbon fi ber composite in pipeline reinforcement are demonstrated in view of the small perforation leakage problem.The reinforcement principle and technical route of water supply and drainage pipes based on carbon fi ber composites are described,in order to solve the technical problems of defect repair and reinforcement of water supply and drainage pipes in practical projects.Key words:water supply and drainage pipeline;carbon fi ber composite;reinforcement technology;repair and reinforcement当前世界局势动荡，全球水资源危机日益严重，且水资源存在分布不均衡、人均拥有量少等不足。为实现更好的水资源利用，需要对水资源进行合理调度和分配，这其中就大量应用到给排水管道1-2。给排水管道作为市政工程领域施工难度较大、易损坏且维修难度大的一项工程，往往深埋于地下或架设在水底，抑或直接铺设在地上，所处环境较为恶劣，易产生管道损伤，造成压力泄漏、运输的水资源泄漏等问题，甚至会酿成重大事故等，定期对管道进行检查及损伤修复是保证管道长期稳定运转的必要工作3。传统的管道修复方式包括焊接、机械加强等，虽然技术成熟，但若管道运输的是易燃易爆的液体时，焊接修复时将会产生热量，极不安全，而管道损伤的位置一般也不适合采用机械加强。此时，兼具可靠性高、操作简单方便的碳纤维复合材料补强技术逐渐步入人们的视野4-6。1 给排水管道损伤分析管道运输作为稳定高效且成本较低的运输方式，占据了全球运输方式很大的比重，管道的可靠性是管道工作过程中最重要的问题7。因此，在给排水管道运转过程中，对给排水管道压力进行监控，并定期对管道进行质量检查、缺损修复是成本最低且较为有效的方式。给排水管道的损伤原因很多8-10，可能来源于管道铸造过程中的铸造缺陷、运输过程或者施工过程中的破坏，也可能是管道运行过程中的超负荷运转、管道恶劣环境产生的腐蚀以及自然外力造成的压力管道失效等。在管道安装运行过程中，尽管防腐技术已经得到重视并应用，但由于施工过程中的不规范操作或者管道常年运行所处的恶劣环境条件等因素，管道腐蚀现象仍不可避免。对于管道均匀腐蚀这种大面积的损伤，一般可以采用更换管道的方式处理；而对于管道局部腐蚀现象，由于损伤面积较小，更换管道的成本较高，因而生产中往往采用修复技术进行补强处理。常用的管道补强技术包括焊接补强、夹具补强、复合材料补强等11-12。其中，复合材料补强技术由于具有高效性及较高的可靠性，得到了越来越多的应用；而碳纤维复合材料作为一种典型的复合材料，其在管道小面DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.024合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期139积损伤的补强应用方面，相比焊接补强或夹具补强具有更大的优势。2 碳纤维复合材料特性碳纤维的发现最早可追溯到 19 世纪灯泡灯丝的使用，后由于钨丝的发明，早期结构强度较差的碳纤维灯丝继而逐渐淡出人们的视野。近代由于复合材料的发展，碳纤维作为重要的一种高性能增强体材料，逐渐又引起了人们的关注和研究。碳纤维主要由碳元素组成，由于碳元素原子质量小，因此碳纤维比重较小，不到钢材的1/4，但具有很高的比强度。碳纤维属于碳素材料，具有优异的导电、导热、耐摩擦及耐腐蚀等性能。除上述性能之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、耐湿热老化及耐水等特性13。常见的碳纤维材料根据合成工艺，主要分为沥青基碳纤维、聚丙烯腈（PAN）基碳纤维和粘胶基碳纤维。碳纤维制造工艺较为复杂，因此碳纤维材料的使用成本较高，这是制约碳纤维材料实现广泛应用的主要原因，目前使用碳纤维材料较多的主要是航空航天领域及非军用高端制造业14。碳纤维属于脆性材料，在实际的应用中往往作为复合材料的增强基进行使用，将碳纤维与基体材料紧密地结合在一起，复合后的碳纤维具有更好的承压能力，目前应用最广泛的是碳纤维树脂基复合材料。碳纤维树脂基复合材料的抗拉强度通常都在 3500MPa 以上，是普通钢材的 7 倍以上，抗拉弹性模量达 2000043000 MPa，也显著高于普通的钢材。将碳纤维树脂基复合材料作为给排水管道的补强材料，不仅可恢复给排水管道的承压能力，还可以避免给排水管道缺陷处的应力、应变等问题，极大程度地提高管道修复补强部位的可靠性，因此，在管道缺陷修复增强中，碳纤维树脂基复合材料的应用具有较大的技术优势15。3 碳纤维复合材料的给排水管道修复补 强应用3.1 碳纤维复合材料管道补强原理在采用碳纤维复合材料修复给排水管道缺陷时，应先对管道缺陷处进行清洗处理，以增加补强层与管道之间的结合能力。若缺陷处存在油污、水汽以及铁锈等杂质，将会大大降低修复后管道的可靠性。杂质清理完成后，采用填补剂对管道缺陷处进行填平，填补剂一般为密封性较好且与管道结合能力较强的树脂材料，然后在补强处刷一层环氧底漆，并用碳纤维复合材料紧密地缠绕在管道外。在碳纤维复合材料固化之后，填补剂、环氧底漆与碳纤维复合材料即形成高强度的修复层，实现管道缺陷补强16。基于碳纤维复合材料而形成的修复层具有极好的密封效果，且有较高的抗压能力和抗拉伸能力。在给排水管道工作过程中，管道增强部分周边的力主要来自于缺陷附近处的管道压力，此处的压力将引起管道膨胀，膨胀导致的应变作用于缺陷处的填补剂，填补剂则将该处的力传递作用于补强层中的碳纤维复合材料，碳纤维复合材料具有较好的力学性能，能极大程度补充填补剂的强度，使得整个修复层处的应变与管道整体应变相互协调，避免产生应力集中，同时也避免了由于应变不协调而导致修复层与给排水管道分离的问题17。修复完成后，缺陷部位管道的可靠性得到显著加强，可有效保证给排水管道的安全运行。3.2 碳纤维复合材料管道补强技术路线在将碳纤维复合材料应用于给排水管道修复补强的工程实践中，应先定位出压力泄漏的给排水管道位置，将该给排水管道暴露出来，并进一步确认给排水管道的损伤情况，对大面积损伤且不可修复的给排水管道进行更换处理，而对于小面积损伤的给排水管道则采取修复措施。修复管道前，需要对管道缺陷处进行表面处理，先通过机械处理的方式去除缺陷处的锈蚀，然后用酒精或丙酮去除缺陷位置的异物。待表面处理完成后，用调配好的填补剂对管道缺陷部分进行填平处理，并于管道表面涂抹粘结剂，以增加碳纤维复合材料与给排水管道之间的黏附力18。最后在管道表面紧密缠绕碳纤维复合材料，并进行加热及相关的固化处理，至此便完成给排水管道的缺陷补强处理。给排水管道的碳纤维复合材料补强技术路线具体如图 1 所示。缺陷处清洗处理填补剂填补缺陷管道处理，涂底漆碳纤维覆盖，固化处理图 1 给排水管道的碳纤维复合材料补强技术路线Fig.1 Technical route of carbon fiber composite reinforcement for water supply and drainage pipeline为保证碳纤维复合材料的修复补强效果，需要根据实际的给排水管道工作压力及管道材料，计算管道的承受压力及缺陷处的应变，再根据管道材料及应力，挑选合适的填充树脂材料与黏附材料19。在实际应用中，对给排水管道进行碳纤维复合材料缠绕的圈数需要综合考虑多方面因素，具体包括管道材料的抗拉强度与屈服强度、管道壁厚与剩余管道壁厚以及碳纤维复合材料的拉伸模量与最大塑性延展率等。在完成碳纤维复合材料的缠绕加固处理后，应根据给排水管道防腐处理的技术要求，在表面进行阴极保护处理与防水处理，进一步增强修复后给排水管道的可靠性。而后进行压力测试，管道压力测试正常且无明显缺陷后，将给排水管道进行填埋，完成给排水管道的缺陷补强处理工作。4 结语相比传统的给排水管道补强技术，碳纤维复合材料加固技术由于碳纤维复合材料的特性，具有加固操作简单、修复层可靠性高、实用性广等优点，在给排水管道修复补强应用中具有明显的优势，得到了广泛的应用。但碳纤维复合材料加固技术也存在不可忽视的问题20，如目前碳纤维的制备费用较高，导致碳纤维复合材料加固技术较传统管道补强技术的修复成本更高，因此碳纤维制备工艺迫切需要开展低成本化研究。另外，碳纤维复合材料还存在复合材料的普遍缺陷，如碳纤维增强基与树脂材料的界面可靠性问题，如何制备界面可靠性较140柳素霞 碳纤维复合材料加固技术在给排水管道修复补强中的应用高的碳纤维复合材料是未来研究的重点。参考文献1 吴林军.在役压力管道不停输修复技术可靠性分析J.质量技术监督研究,2020(6):33-36.2 宋连仲,张伟林,陈昭.国内外管道修复技术现状及发展趋势 J.中国给水排水,2005,21(3):35-37.3 张琦,朱志山.化工安全与环境保护重要性研究 J.化工中间体,2015,11(11):2-3.4 洪雨.碳纤维复合材料用于油气管道缺陷补强的电偶腐蚀分析 J.全面腐蚀控制,2009(9):26-27.5 刘永忠.碳纤维复合材料补强技术在