一种基于碳纤维的缠绕式海底管道止屈器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海底管道铺设技术领域，涉及一种基于碳纤维的缠绕式海底管道止屈器。
【背景技术】
[0002]石油与天然气作为国家战略能源，在过去几十年间需求量不断增加，为适应能源需求，石油开采也从陆地逐步向海洋发展。海底管道是海洋油气集输和储运生产中的重要组成部分。深水海底管道一旦建成后，几乎不受地形、海况等限制，因其具有运输量大，运输效率高等优点而迅猛发展。但与此同时，从近海走向深海的过程中，海底管道经受了特殊海洋环境带来的巨大挑战。深水海底管道往往铺设在距海平面有一定深度的海床上，管道承受巨大的海水静压；抛锚相当于集中力作用，使海底管道产生几何变形；管道受波浪、海流等影响容易产生过大弯矩。除此之外，海洋环境以及输送介质可能对管道构成腐蚀。深海海底的复杂环境使得海底管道发生局部屈曲难以避免。造成深水海底管道的原因除了特殊海洋条件，还包括管道本身的不圆度以及径厚比。这些原因可以诱发屈曲，而深水海底管道所处深水环境，承受海水静压，容易造成屈曲的轴向传播。
[0003]屈曲是结构丧失承载能力的一种形式，指结构丧失了保持原有平衡状态的能力。局部屈曲失稳发生后，破坏管道结构，进而使管道完整性受损。屈曲起始压力为Pi，屈曲传播压力为Pp，当最大外压低于屈曲起始压力Pdf，仅发生弯曲屈曲，而最大外压大于屈曲传播压力为Pp时，则弯曲传播会持续到外压小于等于Pp。当最大外压大于屈曲起始压力Pi时，局部屈曲与弯曲屈曲则会轴向传播，直到外压小于等于Pp。一般，屈曲传播压力Pp小于屈曲起始压力P1;因此仅需大于屈曲传播压力Pp的压力就会造成屈曲传播。海底管道屈曲一旦发生传播，传播速度可达每秒数百米，损失巨大，修复成本高。因此需要采取一定方法预防或限制屈曲传播。
[0004]理论上，增加管道壁厚可抑制屈曲传播。但是以屈曲传播压力来设计管道，将使管道的壁厚过厚，经济上并不可行。另一种限制屈曲传播的行之有效的方法是在海底管道一定间隔设置止屈器。止屈器可限制管道屈曲传播仅发生在相邻止屈器之间。止屈器的距离由不同项目的特点决定，一般来说距离90-180m比较合理。止屈器限制屈曲传播、保持管道完整性的特性，使海底管道铺设在经济性与安全性之间达到平衡，具有良好的工程应用前旦
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[0005]止屈器的基本形式是一个厚壁圆环，目前常用的止屈器根据安装形式不同，分为扣入式、焊接式、缠绕式和整体式止屈器。扣入式止屈器是一个厚壁圆环，先旋到管道指定位置然后将其夹紧，其圆环内径比管道外径稍过盈；在扣入式止屈器与管道连接处进行焊接，形成焊接式止屈器；缠绕式止屈器式在指定位置用钢筋缠绕，两端与管道焊接相连；整体式止屈器内径与管道内径相同，而壁厚比管道更厚，两者同轴排好之后在连接处焊接，形成一个整体。
[0006]扣入式、缠绕式、焊接式止屈器结构简单，制造方便，但止屈效率相对较低。整体式止屈器虽然止屈效果最好，但对焊接工艺要求较高，安装复杂，且质量大。如何能够结合不同止屈器的优点达到连接简单、止屈效率高的工程应用目的是亟待解决的问题。本发明以解决这一问题为目标，结合缠绕式止屈器结构简单、施工方便的特点与碳纤维布强度高、质量轻、耐腐蚀的特点，摒弃传统缠绕式止屈器利用钢筋进行缠绕需进行焊接且止屈效率低的弊端，制作出基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器。
[0007]碳纤维是一种纤维聚合物，含碳量90%以上，由纤维丝在温度千度以上碳化而成。碳纤维密度小、质量轻，其密度仅为钢材密度的25%、铝合金密度的50%;其次，碳纤维强度高，大概为钢材的5-6倍；除此之外，碳纤维还具有弹性模量大、耐疲劳、耐腐蚀、抗蠕变等优良性能，在众多技术领域具有广泛应用。随着石油天然气工业对碳纤维进行加固研究的增多，基于碳纤维的深水海底管道缠绕式止屈器应运而生。
[0008]基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器由碳纤维布及配套树脂组成。碳纤维布为未经树脂浸溃的布状碳纤维制品。配套树脂为环氧树脂，可分为底层树脂和浸溃树脂。底层树脂可以渗透入钢管，强化表面，同时提高钢管粘结性能，可作为粘结剂使用，其厚度约为0.2mm-0.35mm(不超过0.4mm);浸溃树脂浸润碳纤维布，确保纤维布与钢管成为一个整体，共同受力。碳纤维布具有优良的力学性能，抗腐蚀、耐磨、稳定性好、耐氧化，为能够在海底管道止屈方面良好应用奠定了基础。与此同时，配套树脂环氧树脂也具有优异的化学物理性能，粘结力强、耐腐蚀、固化收缩率小、强度高、耐久性好、适用性强。基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器的性能发挥不仅与配套树脂和碳纤维材料有关，配套树脂与粘结剂之间的界面也起着重要作用。粘结表面用砂轮或砂纸打磨处理可使底层树脂粘结性提高，增加止屈器的耐久性能。
[0009]碳纤维止屈效果的增强机理:通过底层树脂作粘结剂使碳纤维布与管道形成一个整体，降低管道管壁应变及应力集中，提高管道承压能力。由于管道屈服前单位截面积碳纤维所承受的载荷比正常工作时要高，从而使碳纤维起到增强作用。综上所述，基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器工作原理为:基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器协同内部管道共同作用，抵抗外力干扰，直至该结构体系有一方先屈曲，从而提高管道的极限承载能力和使用寿命，限制屈曲传播。
[0010]将碳纤维布缠绕在海底管道外侧，通过环氧树脂作为粘结剂固定，可实现简单高效连接。管道受力通过胶层传递到碳纤维布上，使之与管道同时受力，可提高管道屈曲承载力，降低裂纹扩展速率，防止屈曲传播。同时，碳纤维布防腐蚀性能好，可以防止管道被海水侵蚀，增长管道寿命。
【发明内容】
[0011]针对上述问题，本发明的目的是提供一种既连接简单，防止海水腐蚀，又具有较高止屈能力的基于碳纤维的深水海底管道缠绕式止屈器。
[0012]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器，其特征在于:
[0013]基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器结构分为三层，内层环氧树脂层为底层树月旨，作为粘结剂，该