引言
因管道具有输送成本低、效率高、建设周期短、安全等特点,被广泛应用于供水、输气、输油等领域。但在环境和所输送介质的作用下,管道会逐渐发生化学、电化学腐蚀,老化问题,几乎无可避免地出现强度降低、腐蚀穿孔、裂纹等缺陷,导致管道运行的安全性下降,最终引发管道泄漏等一系列安全事故[1]。而针对管道修复,毫无疑问,最保险的措施便是更换管道,但考虑到成本、施工条件等因素的影响,管道修补成为更加经济简便的途径之一。由于管道修补大部分都要依赖管道修补剂来发挥作用,因此长期以来研发高效、经济、安全、无污染、强度高、适应材料广的高性能管道修补剂成为广大材料科研工作者的重点研究方向。近几年来,管道修补剂的性能得到大幅的改进,不同种类的修补剂层出不穷,初步形成了以金属修补剂、无机非金属修补剂、有机管道修补剂、复合材料修补剂四大类管道修补剂为基础的修补剂市场。本文对几大主要的管道修补剂性能进行了综述,并比较各种材料的优劣,最后对管道修补剂亟待解决的问题做了阐释,并对其研发方向进行了展望。
1 ·管道修补剂的分类
1.1 无机非金属管道修补剂
无机非金属管道修补剂主要是指水泥一类水硬性可塑性材料。而一般水泥由于硬化时间长,不适宜作为修补剂使用,故工程上一般采用快干水泥作为修补材料。
快干水泥及其混凝土制品和其他品种水泥相比较,旱强及高强性能尤为突出,特别是三天强度达到50 ~ 80MPa,而且随着养护期龄增加强度不断增长。另外快干水泥的抗冻性能、抗腐蚀性能等均明显优于其他品种水泥。快干水泥水泥具有微膨胀性能,其在水化过程上会形成较多水化的硫酸钙使得水泥产生微膨胀,从而具有良好的密实性,使得水泥具有良好的抗渗性[2-5]。由于其速干、抗渗、高强等特性,快干水泥在工程上常用作抢险、带水、带气作业的修补材料,非常适合混凝土管道等大型管道的修补和维护,在加强破损处的强度方面有着其他类型修补剂无法比拟的先天优势[6]。但由于快干水泥具有不耐腐蚀、易老化、有一定的收缩率、弹性差的缺点,导致其使用寿命不高,并且长时间承受管道压力多会产生疲劳裂缝,最终导致修补失效。
1.2 金属管道修补剂
金属管道修补一般采用焊接的方法:运用高压电弧产生高温熔融合金焊条,将熔液覆盖于裂缝之上,凝固后达到修补的效果。作为修补材料的主要部分,焊条的焊芯材料有多种,包括合金钢芯焊条、铜芯焊条、镍芯焊条等等。
由于修复过程中金属熔融后再结晶,使修补剂与管道结合紧密,故焊接法修补管道强度高,耐压性好[7]。但此法只适用于金属管道,且需要专业设备,适用于大型工程之中。
1.3 有机管道修补剂
1.3.1 环氧树脂管道修补剂
环氧树脂管道修补剂由环氧树脂、三乙烯四胺等组成,它是一种以环氧树脂为基体,再加入一定比例的增韧剂、固化剂、增塑剂、防老剂通过反应制备的高分子修补剂。通常分为树脂和固化剂两部分,使用时混合均匀,快速固化达到修补的目的。三乙烯四胺作为胶粘剂的固化剂,适量加入,可使胶粘剂的交联密度增加,其拉伸强度和剥离强度也均得到大幅度提高[8]。
环氧树脂修补剂具有强度高、固化速度快、寿命长、适用范围广、操作简单等优点。环氧树脂修补剂,粘接性好,是性能较好的管道修补剂之一,既可大量用于工程管道的修补,也可用于普通家庭管道的修补。但由于固化仍需一定时间,不适宜带水、带气、带油作业,尤其是油类运输管道,会将修补剂溶解致其失效。
1.3.2 聚氨酯类管道修补剂
聚氨酯类管道修复剂是分子链中含有氨酯基的修复剂。在修补剂中由于含有-NH 基和-NCO 基,提高了对各种材料的粘结性,并具有很高的反应性[9]。聚氨酯类管道修复剂包含聚氨酯预聚体修复剂和双组分聚氨酯修复剂两大类。
聚氨酯类管道修复剂能常温固化,胶膜坚韧,耐冲击,挠曲性好,剥离强度高,有很好的耐超低温性,耐油和耐磨性等,故它不仅可以胶接聚氨酯海绵和聚氨酯橡胶,而且能胶接橡胶与织物、橡胶与金属、金属与金属、金属与陶瓷、木材与木材和橡胶与塑料等[10],可以应用于各种材质管道的修补,也适用于不同场合,不同规模的使用。但是其具有毒性,极性较强,化学活泼性强,对储存条件要求高,且固化时间长,不适于抢救性施工。
1.4 复合材料管道修补剂 1.4.1 塑钢土
塑钢土是一种新型防水堵漏材料,为双组分反应型高分子聚合物与无机基体复合材料。固化前呈水溶性胶泥状,固化后有极强的强度和刚度。主要由树脂、助剂、无机填料基体复合而成[11]。塑钢土是一种特殊可塑性材料,操作简便,粘结力和粘结强度极高,可耐酸碱、高温、腐蚀、抗压力、不老化、不霉变、不收缩,可在不同环境中使用[12]。由于无机填料作为支撑修补剂的基体,可以通过改变填料的比例改变其流动性和硬化强度,配方可变,也可以通过改变无机填料的材质达到降低成本的目的。塑钢土作为一种复合材料修补剂,可以用于各种管材破损、裂缝的修补。但由于发挥粘结作用的主要是树脂材料,故不适宜输油管道的修补。由于树脂固化反应的限制导致其固化时间长,不利于工程施工。而固化前呈水溶性,故不适合带水管道的施工。
1.4.2 纤维增强聚合物管道修复剂
纤维增强聚合物 (FRP) 因其独有的补强和修复能力,近年来迅速进入民用工程和航空结构的修复和补强领域[13-15]。根据增强聚合物的不同,管道修复中可用的FRP 有:玻璃纤维增强聚合物(GFRP)、碳纤维增强聚合物(CFRP) [12]、聚乙烯纤维(PFRP)、芳族聚酞胺纤维(AFRP) 等。碳纤维增强聚合物的强度较高、价格昂贵。部分玻璃纤维增强聚合物的强度已逐渐接近碳纤维增强聚合物,且价格便宜, 不易形成腐蚀电池,应用较多。
FRP 管道修复材料与传统的管道修复材料相比具有诸多优点:重量轻、强度高、耐腐蚀性强、耐久性好、便于运输、安装成型速度快和在大型管件修复中具有优势;修复管道所需设备简单,不需移动管道,甚至可实现无开挖修复,操作过程中无明火、高压,安全性高;能有效提高损伤管段的刚度、静强度,不需对原结构开孔或切割,不会形成新的应力集中源,有利于提高疲劳性能;修复后,管径不会明显减小[13]。
1.4.3 高分子合金管道修补剂
高分子合金管道修补剂是由高分子合金材料与高分子聚合物复合而成的新型管道修补剂。由于高分子聚合物固化后具有极高的强度和粘结力,可以轻松地将分散好的金属细颗粒与原断面金属贴合起来,通过范德华力和π 键与金属形成配位键,用化学键将材料紧密连接在一起,达到修补的目的[14]。在这一过程中,不需加热就能实现高分子合金材料与基底金属的牢固粘接。为了同一般的焊接相区别,称这一过程为“冷焊”或“分子焊”[15]。高分子合金修补剂,具有良好的物理机械性能及良好的耐气候性、耐磨蚀性与尺寸稳定性,同时可改善材料的加工性能,固化时间短,有利于运输机生产的快速恢复[16]。但高分子合金管道修补剂成本较高,且只适合于金属材料的粘结和修补,适用范围有限。
2· 管道修补剂研究现状和发展方向
管道修补剂伴随着管道运输技术一路发展,早已发展出多种成熟的修补材料和修补工艺。随着目前管道技术的发展,管道运输已经向远距离、高压、大输送量发展,而普通家庭管道也实现了管道材料的飞跃。但是现存已有的各种管道修补剂都存在着性能上或多或少的缺陷,已经无法满足高性能修补的要求,针对目前修复剂的现状,广大科研学者也在对提高修补剂的性能做着研究与努力。现列举几项现在修补剂的性能缺口及热门的研究方向[17-21]。
2.1 高强度与高韧性的统一
现代大型管道运输已经呈现远距离、大直径、高压等趋势发展,一旦出现破损,会造成重大损失,因此,对修补剂,尤其是修补剂的强度,有很高的要求,而目前高强度修复剂易老化开裂失效,如水泥等。同时,对修复材料的韧性和低收缩率有较高要求[22-23]。故追求修补材料的强度与韧性的高效统一成为亟待解决的问题和热门的研究方向。目前通过无机材料和高分子聚合物的复合可以部分改善老化开裂问题,如玻璃纤维加强环氧树脂修复剂可以在一定程度上做到了强度与韧性的高效统一[24]。
2.2 快速、无损修复技术的实现
大型管道设施以及社区复杂管道由于系统性强,工作连锁性强,难以实现停止运转后实施修补工作。因此,要求修补剂具有简便易操作,快速起效,化学性稳定的特点[25]。目前高效快速的管道修补剂成为研究的重要方向。
2.3 环保、特种用途的管道修补剂的研制
由于目前高分子聚合物管道修补剂或多或少具有毒性,对人体、环境都有污染,虽然其性能突出,但已经不符合现代修补剂的使用标准[26]。因此,研发高性能、适用性广、无毒、环保的先进管道修补剂也是十分重要的课题。而对于某些特种管道,如暖气输送等对修补剂的耐高温性能[27-28] 及膨胀系数有着较高要求,因此,特种管道专用修复剂也是管道修复剂的重要研究方向之一。
3 ·结束语
管道运输作为一种经济、高效率的运输方式必将会得到长足发展,而管道修补剂作为辅助产业也必将得到长足发展。传统的修补剂市场已经很难满足管道修补对修补剂本身性能的要求了,管道修补剂的革新,高性能管道修补剂的研发依然是管道修补剂领域的研究重点。近几年来,修补剂的发展很快,各种高性能管道修补剂逐渐填补了技术空白,满足了技术要求,研发重点也已经从过分追求性能向环保方向发展,相信未来的管道修补剂领域会更加快速、稳定地发展。