基于frp材料的深水海底管道扣入式止屈器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于海底管道设施铺设技术领域，具体涉及一种能够防止海底管道屈曲传播的止屈器。
【背景技术】
[0002]由于全国对于能源需求日益增大，过去几十年间，石油开采也从陆地逐步向海洋发展。对海洋油气资源进行开发，需要在海上设置各类钻井、采油平台以及油气资源输送工具。海底管道是深水油气田开发建设中的重要组成部分，对海上油气田的开发、生产和运输起着至关重要的作用。深水海底管道具有运输量大，受环境影响小，便于管理，密闭安全、经济性好等优点，从而海底管道发展迅猛。但与此同时，从近海走向深海的过程中，海底管道也必须经受特殊海洋环境带来的挑战。铺设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静压；深水管道平铺在海床上有时会因抛锚产生自身几何变形；管道受风浪、潮流等影响，容易产生过大弯矩，材料非线性和几何非线性使海底管道弯曲问题更为复杂。除此之外，海洋环境以及输送液体对管道可能构成局部腐蚀。这些复杂原因都有可能使管道产生局部屈曲，在海底这种复杂环境中，海底管道发生局部屈曲是难以避免的。局部的屈曲失稳一旦发生，会沿着管道轴线传递，进而使整个管道结构发生失效破坏。
[0003]屈曲传播的临界压力就是能维持管道的屈曲传播所需要的最小压力，屈曲压溃压力就是管道从完整无损到屈曲破坏所能经受的最大压力。一般情况下，屈曲传播临界压力为屈曲压溃压力的1/8-1/4。因此只需要比屈曲破坏小得多的压力，就可以使已经存在的管道屈曲缺陷沿管道轴线快速传播，这样的传递特性对海底管道整体性极其不利。海底管道一旦发生大范围屈曲传播，屈曲传播速度可达到数百米每秒，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，只要管道的厚度达到一定的比例，管道即使发生局部屈曲，也不会发生任何屈曲传递。但是以屈曲传播压力为设计压力设计来设计管道，将使管道的壁厚大大增加，而且增加了材料用量和铺设过程中悬跨段的重量，十分昂贵，经济上并不可行。一种限制屈曲传播的有效方法是在海底管道一定间隔设置止屈器。止屈器的距离一般由工程师根据项目的不同特点决定，一般来说间距90-180m比较合理。这样一来，管道的屈曲传播被止屈器阻止，限制屈曲仅发生于两个止屈器间。止屈器能够限制屈曲传播，保持管道完整性，在管道经济性与安全性之间达到平衡，现已被广泛使用。
[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，可分为扣入式、缠绕式、焊接式和整体式止屈器。扣入式止屈器先旋入到管道指定位置然后直接夹紧，其圆环内径比管道外径稍大；缠绕式止屈器采用钢筋在管道的指定位置进行缠绕，钢筋两端与管道焊接以起到固定作用；在扣入式止屈器的基础上，在其与管道之间的连接增加了两道焊缝，形成焊接式止屈器；整体式止屈器的内径和管道的内径一样，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，且重量较重。如何能够结合不同止屈器形式的优点达到连接简单、止屈效率高的目的是亟待解决的问题。本发明已解决这一问题为目标，整合扣入式止屈器结构简单、施工方便的特点与纤维增强复合塑料FRP材料高强度、质量轻、耐腐蚀的特点相结合，制作出基于FRP的海底管道扣入式止屈器。
[0007]纤维增强复合塑料(Fiber Reinforced Plastics FRP)是由纤维材料与基体材料(一般为树脂)按一定的比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而成的高性能型材料。因其具有质轻、耐腐蚀、强度大、比模量大、抗疲劳性好、易于施工等优点，FRP在土木工程领域应用发展迅速，现成为继混凝土、钢材之后第三大新型建筑材料，与此同时，FRP套管加固钢结构的研宄不断增多，基于FRP的海底管道扣入式止屈器应运而生。
[0008]FRP的增强机理:轴向压力作用于整个FRP扣入式止屈器与钢管组合构件上，首先由内部管道承担轴向压力。较低的荷载即可使得管道发生屈曲，管道表现为低阶状态屈曲；随着荷载作用的进一步增大，钢管在最先发生弯曲的最大挠度处与FRP扣入式止屈器内壁首先接触，FRP扣入式止屈器会对内部管道产生一个反向约束力，该约束力在一定程度上限制了管道局部最大挠度的发展，导致了管道向更高级别的屈曲状态演化，这意味着结构构件承载能力进一步得到提升。随着荷载继续增加，相应会出现二阶乃至多阶模态屈曲，直到外部FRP扣入式止屈器体系整体强度、环向刚度及抗弯强度不足以提供内部核心钢构件的反向约束力，最后达到破坏极限值，这时整个组合结构体系宣告破坏。综上所述，基于FRP的海底管道扣入式止屈器工作原理为:FRP扣入式止屈器协同内部管道共同工作，直至两种结构体系有一方最先屈曲，从而提高管道的极限承载能力和稳定性，限制屈曲传播。
[0009]实验研宄表明，基于FRP的管道局部加强具有明显的优势。在抗震性方面，FRP加固管道能够提高管道的屈曲承载力和延性；在抗疲劳性能方面，外加FRP使得管道受三向应力状态，可以有效降低裂纹扩展速率，控制裂纹发展，提高管道疲劳寿命；在弯曲性能方面，FRP加固可以显著提高管道的极限承载能力；在抗腐蚀性能方面，FRP具有良好的防腐蚀性能，在管道外侧的FRP套管可有效防止特殊海洋环境对管道带来的腐蚀。
[0010]FRP管与管道通过粘结剂固定，因此粘结剂的粘结性是FRP管与钢结构共同工作的基础。粘结剂的抗剪强度是其粘结性能的重要指标，环氧树脂的黏结性能、安装性能和耐久性最佳，因此目前采用的粘结剂大多为双组分的环氧树脂，属于高分子有机材料，厚度约为0.15-3.5mm。FRP缠绕管道性能的发挥不仅与基体树脂和纤维材料有关，基体树脂与粘结剂之间的界面也起着重要作用。对粘结表面进行打磨、喷砂等处理可增加止屈器的耐久性能。
[0011]将FRP扣入式止屈器套在海底管道外侧，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FRP管上，使之与管道同时受力，防止屈曲传播。同时，FRP管防腐蚀性能好，防止管道被海水侵蚀，增长管道寿命。
【发明内容】
[0012]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