一種碳纖維復合材料止裂器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于油氣輸送管道斷裂控制領域,涉及一種主要用于阻止高級別管線鋼管道延性裂紋的長程擴展的止裂器,具體涉及一種碳纖維復合材料止裂器。
【背景技術】
[0002]天然氣是一種清潔能源,也是一種易燃、易爆的危險介質(zhì),通常采用管道運輸,管道運輸具有運輸量大、連續(xù)、迅速、經(jīng)濟、安全可靠的特點。管道在長期服役過程中,由于受到地層壓力、腐蝕、疲勞、外部機械損傷等作用,造成管道開裂、泄漏等事故發(fā)生。高壓天然氣管道一旦長程開裂將造成災巨大難和損失,因此必須保證管道的安全性。未來10至20年,我國對潔凈能源天然氣的需求將繼續(xù)保持強勁增長勢頭,為了提高管道運輸?shù)慕?jīng)濟性,天然氣管道的發(fā)展趨勢是高鋼級、高壓、大口徑、大壁厚、大輸量,以提高輸送效率,降低建設成本,滿足日益增長的市場需求。我國天然氣管道用管線鋼管近年來發(fā)展非??欤琗70級別鋼管在西氣東輸一線成功應用,西氣東輸二線管道工程大規(guī)模采用X80級別的鋼管。目前我國正在積極研發(fā)X90、X100等高級別管線鋼的工程應用問題。
[0003]天然氣輸送管道鋼級、管徑、設計系數(shù)的提高以及高壓、富氣輸送工藝的采用,大大提高了運營效益,同時給管道安全也提出了更高的要求。輸氣管道一旦開裂,管內(nèi)高壓氣體并不能立刻排空,而是由斷裂點向兩側各產(chǎn)生一個減壓波并向兩遠端傳播。由于氣體減壓波速低于裂紋擴展速度,裂紋尖端就會持續(xù)的保持高應力狀態(tài),裂紋也會持續(xù)的高速擴展,容易導致輸氣管道延性裂紋的長程擴展問題,輸氣管道通常呈延性斷裂特征。管材的止裂韌性是材料抵抗延性裂紋擴展能力的度量,然而對于高級別管線鋼(X90及以上),現(xiàn)有的全尺寸氣體爆破試驗結果表明,其難以依靠自身韌性進行止裂,這已經(jīng)成為嚴重威脅管線安全并制約高級別管線鋼應用的瓶頸問題。
[0004]當管線鋼自身的韌性不能保證阻止延性裂紋擴展時,需采用一些外部機械裝置,即止裂器(Crack Arrestor)來預防、阻止管道的延性裂紋長距離擴展。止裂器有不同的形態(tài),根據(jù)在輸氣管道上的安裝方法不同可以分為兩類:整體止裂器和非整體止裂器。整體止裂器通常由不同于主管道力學性能和幾何尺寸的厚壁或高韌性管段或管環(huán)組成,成為管道的一部分。非整體止裂器主要分為鋼套筒止裂器和纖維復合材料纏繞帶止裂器,鋼套筒止裂器又分為緊套筒、松套筒或灌漿套筒止裂器。
[0005]在已有的管線上安裝整體止裂器需要對管線進行切割和重新焊接,耗費時間且成本高。此外,生產(chǎn)高韌性厚壁鋼管存在工藝技術困難,需考慮不同級別和壁厚的鋼管的匹配和焊接可行性問題。
[0006]鋼套筒止裂器雖被認為是非整體止裂器,但其安裝容易程度不如纖維復合材料纏繞帶止裂器,尤其是安裝在已有的管線上,鋼套筒止裂器需要對管線進行切割和重新焊接。
[0007]整體止裂器和鋼套筒止裂器常用于新建管線,通常在管線鋪設前安裝止裂器。對于已建管線和新建管線,可選用纖維復合材料止裂器,自重輕,安裝比較簡單,不需對管線進行切割和重新焊接,節(jié)省時間,安裝過程中輸氣服務不中斷,耐化學腐蝕。
[0008]此外,止裂器應促進裂紋柔性止裂,突然止裂會導致裂紋在進入時產(chǎn)生環(huán)切(ringoff)現(xiàn)象,鋼管沿環(huán)向開裂,從而使鋼管被沖出溝槽,對管線和周圍環(huán)境造成嚴重后果。
[0009]要實現(xiàn)裂紋柔性止裂可通過避免斷裂阻力的突然增加,如局部壁厚的突然增加或者對裂口兩側的約束作用突然增加。可通過改變止裂器兩端口的形狀,使止裂器的厚度逐漸增加,對裂紋提供逐漸增加的約束作用。
【實用新型內(nèi)容】
[0010]本實用新型的目的在于提供一種碳纖維復合材料止裂器,該碳纖維復合材料止裂器能夠有效阻止高級別管線鋼管道延性裂紋的長程擴展,能夠?qū)崿F(xiàn)延性斷裂的柔性止裂。[0011 ]為達到上述目的,本實用新型采用的技術方案為:
[0012]—種碳纖維復合材料止裂器,該碳纖維復合材料止裂器由碳纖維止裂器主體和包裹在碳纖維止裂器主體外表面的冷纏帶構成,其中碳纖維止裂器主體由若干層滲透有碳纖維布膠粘劑的碳纖維布逐層纏繞并固化成型后得到,碳纖維止裂器主體的形狀為圓筒形,其兩端設有坡口,且其內(nèi)徑與管材的外徑相匹配。
[0013]所述的碳纖維復合材料止裂器的長度為I?1.5m。
[0014]所述的碳纖維復合材料止裂器的厚度為管材壁厚的I?1.5倍。
[0015]所述的碳纖維復合材料止裂器兩端的坡口的角度為20?45°。
[0016]所述的碳纖維布的抗拉強度2 1800MPa,抗拉模量2 130GPa,斷后延長率2 1.3%。
[0017]所述的碳纖維布膠粘劑為A、B雙組分環(huán)氧類膠粘劑。
[0018]所述的碳纖維布膠粘劑的粘度<7500mPa.s,抗壓強度2 75MPa,抗拉強度230MPa,彎曲強度2 40MPa,鋼-鋼拉伸剪切強度2 1MPa。
[0019]相對于現(xiàn)有技術,本實用新型的有益效果為:
[0020]本實用新型提供的碳纖維復合材料止裂器,其主要原理是,用碳纖維布包裹管材,并用碳纖維布膠粘劑將其固定在管材上,對管材產(chǎn)生局部約束作用從而阻止裂紋擴展。碳纖維復合材料止裂器兩端為坡口形狀,從兩端向中間碳纖維復合材料止裂器的壁厚和對鋼管的約束力逐漸增加,使載荷均勻分布在碳纖維復合材料止裂器上,避免發(fā)生環(huán)切(ringoff),從而實現(xiàn)裂紋柔性止裂。本實用新型提供的碳纖維復合材料止裂器主要用于阻止高級別管線鋼管道延性裂紋的長程擴展,適用于X90及以上高級別管線鋼,能夠有效阻止高級別管線鋼管道延性裂紋的長程擴展,并能夠?qū)崿F(xiàn)延性斷裂的柔性止裂,具有自重輕、強度高、柔韌性好、安裝比較簡易、不需對管線進行切割和重新焊接、節(jié)省時間、安裝過程中輸氣服務不中斷、耐化學腐蝕、長期服役效果良好的優(yōu)點,具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型提供的碳纖維復合材料止裂器的結構及安裝效果示意圖;
[0022]其中I為碳纖維復合材料止裂器、2為坡口、3為管材。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。
[0024]高壓天然氣管道一旦開裂并長程擴展,將造成巨大災害和損失。隨著管線鋼的鋼級、管徑和設計系數(shù)不斷提高,高壓天然氣管道一般呈延性斷裂特征。然而對于高級別管線鋼(X90及以上),現(xiàn)有的全尺寸氣體爆破試驗結果表明,其難以依靠自身韌性進行止裂,需采用外部機械裝置,即止裂器(Crack Arrestor)來預防、阻止管道的延性裂紋長距離擴展。
[0025]本實用新型提供的碳纖維復合材料止裂器,適用于X90及以上高級別管線鋼,能有效阻