基于碳纖維的纏繞式海底管道止屈器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種止屈器具體是關(guān)于一種基于碳纖維的纏繞式海底管道止屈器。
【背景技術(shù)】
[0002]石油與天然氣作為國家戰(zhàn)略能源，在過去幾十年間需求量不斷增加，為適應(yīng)能源需求，石油開采也從陸地逐步向海洋發(fā)展。海底管道是海洋油氣集輸和儲運生產(chǎn)中的重要組成部分。深水海底管道一旦建成后，幾乎不受地形、海況等限制，因其具有運輸量大，運輸效率高等優(yōu)點而迅猛發(fā)展。但與此同時，從近海走向深海的過程中，海底管道經(jīng)受了特殊海洋環(huán)境帶來的巨大挑戰(zhàn)。深水海底管道往往鋪設(shè)在距海平面有一定深度的海床上，管道承受巨大的海水靜壓；拋錨相當(dāng)于集中力作用，使海底管道產(chǎn)生幾何變形；管道受波浪、海流等影響容易產(chǎn)生過大彎矩。除此之外，海洋環(huán)境以及輸送介質(zhì)可能對管道構(gòu)成腐蝕。深海海底的復(fù)雜環(huán)境使得海底管道發(fā)生局部屈曲難以避免。造成深水海底管道的原因除了特殊海洋條件，還包括管道本身的不圓度以及徑厚比。這些原因可以誘發(fā)屈曲傳播，而深水海底管道所處深水環(huán)境，承受海水靜壓，容易造成屈曲的軸向傳播。
[0003]屈曲是結(jié)構(gòu)喪失承載能力的一種形式，指結(jié)構(gòu)喪失了保持原有平衡狀態(tài)的能力。局部屈曲失穩(wěn)發(fā)生后，破壞管道結(jié)構(gòu)，進而使管道完整性受損。屈曲起始壓力為Pi,屈曲傳播壓力為Pp，當(dāng)最大外壓低于屈曲起始壓力PJf，僅發(fā)生彎曲屈曲，而最大外壓大于屈曲傳播壓力為4時，則彎曲傳播會持續(xù)到外壓小于等于Pp。當(dāng)最大外壓大于屈曲起始壓力Pi時，局部屈曲與彎曲屈曲則會軸向傳播，直到外壓小于等于Pp。一般，屈曲傳播壓力Pp小于屈曲起始壓力Pi,因此僅需大于屈曲傳播壓力Pp的壓力就會造成屈曲傳播。海底管道屈曲一旦發(fā)生傳播，傳播速度可達每秒數(shù)百米，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，增加管道壁厚可抑制屈曲傳播。但是以屈曲傳播壓力來設(shè)計管道，將使管道的壁厚過厚，經(jīng)濟上并不可行。另一種限制屈曲傳播的行之有效的方法是在海底管道一定間隔設(shè)置止屈器。止屈器可限制管道屈曲傳播僅發(fā)生在相鄰止屈器之間。止屈器的距離由不同項目的特點決定，一般來說距離90-180m比較合理。止屈器限制屈曲傳播、保持管道完整性的特性，使海底管道鋪設(shè)在經(jīng)濟性與安全性之間達到平衡，具有良好的工程應(yīng)用前景。
[0005]止屈器的基本形式是一個厚壁圓環(huán)，目前常用的止屈器根據(jù)安裝形式不同，分為扣入式、焊接式、纏繞式和整體式止屈器。扣入式止屈器是一個厚壁圓環(huán)，先旋到管道指定位置然后將其夾緊，其圓環(huán)內(nèi)徑比管道外徑稍過盈；在扣入式止屈器與管道連接處進行焊接，形成焊接式止屈器；纏繞式止屈器式在指定位置用鋼筋纏繞，兩端與管道焊接相連；整體式止屈器內(nèi)徑與管道內(nèi)徑相同，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，但止屈效率相對較低。整體式止屈器雖然止屈效果最好，但對焊接工藝要求較高，安裝復(fù)雜，且質(zhì)量大。如何能夠結(jié)合不同止屈器的優(yōu)點達到連接簡單、止屈效率高的工程應(yīng)用目的是亟待解決的問題。本發(fā)明以解決這一問題為目標(biāo)，結(jié)合纏繞式止屈器結(jié)構(gòu)簡單、施工方便的特點與碳纖維布強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕的特點，摒棄傳統(tǒng)纏繞式止屈器利用鋼筋進行纏繞需進行焊接且止屈效率低的弊端，制作出基于碳纖維的海底管道纏繞式止屈器。
[0007]碳纖維是一種纖維聚合物，含碳量90%以上，由纖維絲在溫度千度以上碳化而成。碳纖維密度小、質(zhì)量輕，其密度僅為鋼材密度的25%、鋁合金密度的50%;其次，碳纖維強度高，大概為鋼材的5-6倍；除此之外，碳纖維還具有彈性模量大、耐疲勞、耐腐蝕、抗蠕變等優(yōu)良性能，在眾多技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。隨著石油天然氣工業(yè)對碳纖維進行加固研宄的增多，基于碳纖維的深水海底管道纏繞式止屈器應(yīng)運而生。
[0008]基于碳纖維的海底管道纏繞式止屈器由碳纖維布及配套樹脂組成。碳纖維布為未經(jīng)樹脂浸漬的布狀碳纖維制品。配套樹脂為環(huán)氧樹脂，可分為底層樹脂和浸漬樹脂。底層樹脂可以滲透入鋼管，強化表面，同時提高鋼管粘結(jié)性能，可作為粘結(jié)劑使用，其厚度約為0.2mm-0.35mm(不超過0.4mm);浸漬樹脂浸潤碳纖維布，確保纖維布與鋼管成為一個整體，共同受力。碳纖維布具有優(yōu)良的力學(xué)性能，抗腐蝕、耐磨、穩(wěn)定性好、耐氧化，為能夠在海底管道止屈方面良好應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。與此同時，配套樹脂環(huán)氧樹脂也具有優(yōu)異的化學(xué)物理性能，粘結(jié)力強、耐腐蝕、固化收縮率小、強度高、耐久性好、適用性強?；谔祭w維的海底管道纏繞式止屈器的性能發(fā)揮不僅與配套樹脂和碳纖維材料有關(guān)，配套樹脂與粘結(jié)劑之間的界面也起著重要作用。粘結(jié)表面用砂輪或砂紙打磨處理可使底層樹脂粘結(jié)性提高，增加止屈器的耐久性能。
[0009]碳纖維止屈效果的增強機理:通過底層樹脂作粘結(jié)劑使碳纖維布與管道形成一個整體，降低管道管壁應(yīng)變及應(yīng)力集中，提高管道承壓能力。由于管道屈服前單位截面積碳纖維所承受的載荷比正常工作時要高，從而使碳纖維起到增強作用。綜上所述，基于碳纖維的海底管道纏繞式止屈器工作原理為:基于碳纖維的海底管道纏繞式止屈器協(xié)同內(nèi)部管道共同作用，抵抗外力干擾，直至該結(jié)構(gòu)體系有一方先屈曲，從而提高管道的極限承載能力和使用壽命，限制屈曲傳播。
[0010]將碳纖維布纏繞在海底管道外側(cè)，通過環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑固定，可實現(xiàn)簡單高效連接。管道受力通過膠層傳遞到碳纖維布上，使之與管道同時受力，可提高管道屈曲承載力，降低裂紋擴展速率，防止屈曲傳播。同時，碳纖維布防腐蝕性能好，可以防止管道被海水侵蝕，增長管道壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種既連接簡單，防止海水腐蝕，又具有較高止屈能力的基于碳纖維的深水海底管道纏繞式止屈器。
[0012]為實