基于frp材料的深水海底管道扣入式止屈器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于海底管道設(shè)施鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠防止海底管道屈曲傳播的止屈器。
【背景技術(shù)】
[0002]由于全國對(duì)于能源需求日益增大，過去幾十年間，石油開采也從陸地逐步向海洋發(fā)展。對(duì)海洋油氣資源進(jìn)行開發(fā)，需要在海上設(shè)置各類鉆井、采油平臺(tái)以及油氣資源輸送工具。海底管道是深水油氣田開發(fā)建設(shè)中的重要組成部分，對(duì)海上油氣田的開發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)輸起著至關(guān)重要的作用。深水海底管道具有運(yùn)輸量大，受環(huán)境影響小，便于管理，密閉安全、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，從而海底管道發(fā)展迅猛。但與此同時(shí)，從近海走向深海的過程中，海底管道也必須經(jīng)受特殊海洋環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。鋪設(shè)深水海底管道的海床往往距海平面有一定深度，管道承受巨大的海水靜壓；深水管道平鋪在海床上有時(shí)會(huì)因拋錨產(chǎn)生自身幾何變形；管道受風(fēng)浪、潮流等影響，容易產(chǎn)生過大彎矩，材料非線性和幾何非線性使海底管道彎曲問題更為復(fù)雜。除此之外，海洋環(huán)境以及輸送液體對(duì)管道可能構(gòu)成局部腐蝕。這些復(fù)雜原因都有可能使管道產(chǎn)生局部屈曲，在海底這種復(fù)雜環(huán)境中，海底管道發(fā)生局部屈曲是難以避免的。局部的屈曲失穩(wěn)一旦發(fā)生，會(huì)沿著管道軸線傳遞，進(jìn)而使整個(gè)管道結(jié)構(gòu)發(fā)生失效破壞。
[0003]屈曲傳播的臨界壓力就是能維持管道的屈曲傳播所需要的最小壓力，屈曲壓潰壓力就是管道從完整無損到屈曲破壞所能經(jīng)受的最大壓力。一般情況下，屈曲傳播臨界壓力為屈曲壓潰壓力的1/8-1/4。因此只需要比屈曲破壞小得多的壓力，就可以使已經(jīng)存在的管道屈曲缺陷沿管道軸線快速傳播，這樣的傳遞特性對(duì)海底管道整體性極其不利。海底管道一旦發(fā)生大范圍屈曲傳播，屈曲傳播速度可達(dá)到數(shù)百米每秒，損失巨大，修復(fù)成本高。因此需要采取一定方法預(yù)防或限制屈曲傳播。
[0004]理論上，只要管道的厚度達(dá)到一定的比例，管道即使發(fā)生局部屈曲，也不會(huì)發(fā)生任何屈曲傳遞。但是以屈曲傳播壓力為設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)管道，將使管道的壁厚大大增加，而且增加了材料用量和鋪設(shè)過程中懸跨段的重量，十分昂貴，經(jīng)濟(jì)上并不可行。一種限制屈曲傳播的有效方法是在海底管道一定間隔設(shè)置止屈器。止屈器的距離一般由工程師根據(jù)項(xiàng)目的不同特點(diǎn)決定，一般來說間距90-180m比較合理。這樣一來，管道的屈曲傳播被止屈器阻止，限制屈曲僅發(fā)生于兩個(gè)止屈器間。止屈器能夠限制屈曲傳播，保持管道完整性，在管道經(jīng)濟(jì)性與安全性之間達(dá)到平衡，現(xiàn)已被廣泛使用。
[0005]止屈器的基本形式是一個(gè)厚壁圓環(huán)，目前常用的止屈器根據(jù)安裝形式不同，可分為扣入式、纏繞式、焊接式和整體式止屈器。扣入式止屈器先旋入到管道指定位置然后直接夾緊，其圓環(huán)內(nèi)徑比管道外徑稍大；纏繞式止屈器采用鋼筋在管道的指定位置進(jìn)行纏繞，鋼筋兩端與管道焊接以起到固定作用；在扣入式止屈器的基礎(chǔ)上，在其與管道之間的連接增加了兩道焊縫，形成焊接式止屈器；整體式止屈器的內(nèi)徑和管道的內(nèi)徑一樣，而壁厚比管道更厚，兩者同軸排好之后在連接處焊接，形成一個(gè)整體。
[0006]扣入式、纏繞式、焊接式止屈器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但止屈效率相對(duì)較低。整體式止屈器雖然止屈效果最好，但對(duì)焊接工藝要求較高，安裝復(fù)雜，且重量較重。如何能夠結(jié)合不同止屈器形式的優(yōu)點(diǎn)達(dá)到連接簡單、止屈效率高的目的是亟待解決的問題。本發(fā)明已解決這一問題為目標(biāo)，整合扣入式止屈器結(jié)構(gòu)簡單、施工方便的特點(diǎn)與纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料FRP材料高強(qiáng)度、質(zhì)量輕、耐腐蝕的特點(diǎn)相結(jié)合，制作出基于FRP的海底管道扣入式止屈器。
[0007]纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(Fiber Reinforced Plastics FRP)是由纖維材料與基體材料(一般為樹脂)按一定的比例混合，經(jīng)過特別的模具擠壓、拉拔而成的高性能型材料。因其具有質(zhì)輕、耐腐蝕、強(qiáng)度大、比模量大、抗疲勞性好、易于施工等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)RP在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展迅速，現(xiàn)成為繼混凝土、鋼材之后第三大新型建筑材料，與此同時(shí)，F(xiàn)RP套管加固鋼結(jié)構(gòu)的研宄不斷增多，基于FRP的海底管道扣入式止屈器應(yīng)運(yùn)而生。
[0008]FRP的增強(qiáng)機(jī)理:軸向壓力作用于整個(gè)FRP扣入式止屈器與鋼管組合構(gòu)件上，首先由內(nèi)部管道承擔(dān)軸向壓力。較低的荷載即可使得管道發(fā)生屈曲，管道表現(xiàn)為低階狀態(tài)屈曲；隨著荷載作用的進(jìn)一步增大，鋼管在最先發(fā)生彎曲的最大撓度處與FRP扣入式止屈器內(nèi)壁首先接觸，F(xiàn)RP扣入式止屈器會(huì)對(duì)內(nèi)部管道產(chǎn)生一個(gè)反向約束力，該約束力在一定程度上限制了管道局部最大撓度的發(fā)展，導(dǎo)致了管道向更高級(jí)別的屈曲狀態(tài)演化，這意味著結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力進(jìn)一步得到提升。隨著荷載繼續(xù)增加，相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)二階乃至多階模態(tài)屈曲，直到外部FRP扣入式止屈器體系整體強(qiáng)度、環(huán)向剛度及抗彎強(qiáng)度不足以提供內(nèi)部核心鋼構(gòu)件的反向約束力，最后達(dá)到破壞極限值，這時(shí)整個(gè)組合結(jié)構(gòu)體系宣告破壞。綜上所述，基于FRP的海底管道扣入式止屈器工作原理為:FRP扣入式止屈器協(xié)同內(nèi)部管道共同工作，直至兩種結(jié)構(gòu)體系有一方最先屈曲，從而提高管道的極限承載能力和穩(wěn)定性，限制屈曲傳播。
[0009]實(shí)驗(yàn)研宄表明，基于FRP的管道局部加強(qiáng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在抗震性方面，F(xiàn)RP加固管道能夠提高管道的屈曲承載力和延性；在抗疲勞性能方面，外加FRP使得管道受三向應(yīng)力狀態(tài)，可以有效降低裂紋擴(kuò)展速率，控制裂紋發(fā)展，提高管道疲勞壽命；在彎曲性能方面，F(xiàn)RP加固可以顯著提高管道的極限承載能力；在抗腐蝕性能方面，F(xiàn)RP具有良好的防腐蝕性能，在管道外側(cè)的FRP套管可有效防止特殊海洋環(huán)境對(duì)管道帶來的腐蝕。
[0010]FRP管與管道通過粘結(jié)劑固定，因此粘結(jié)劑的粘結(jié)性是FRP管與鋼結(jié)構(gòu)共同工作的基礎(chǔ)。粘結(jié)劑的抗剪強(qiáng)度是其粘結(jié)性能的重要指標(biāo)，環(huán)氧樹脂的黏結(jié)性能、安裝性能和耐久性最佳，因此目前采用的粘結(jié)劑大多為雙組分的環(huán)氧樹脂，屬于高分子有機(jī)材料，厚度約為0.15-3.5mm。FRP纏繞管道性能的發(fā)揮不僅與基體樹脂和纖維材料有關(guān)，基體樹脂與粘結(jié)劑之間的界面也起著重要作用。對(duì)粘結(jié)表面進(jìn)行打磨、噴砂等處理可增加止屈器的耐久性能。
[0011]將FRP扣入式止屈器套在海底管道外側(cè)，通過環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑固定，可實(shí)現(xiàn)簡單高效連接。管道受力通過膠層傳遞到FRP管上，使之與管道同時(shí)受力，防止屈曲傳播。同時(shí)，F(xiàn)RP管防腐蝕性能好，防止管道被海水侵蝕，增長管道壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種既連接簡單，防止海水腐蝕，又具有