一種基于frp的海底管道纏繞式止屈器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海底管道設(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方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海底管道通過密閉管道在海底連續(xù)輸送大量油氣資源，在海洋工業(yè)中具有重要作用，其運行狀況可直接關(guān)系到海上油氣生產(chǎn)量以及安全運行狀況。深水海底管道具有輸送效率高，受環(huán)境影響小，施工方便等優(yōu)點。與此同時，鋪設(shè)海底管道的海床往往距海平面有一定深度，管道承受海水靜壓；深水管道平鋪在海床上有時會因拋錨產(chǎn)生自身幾何變形；管道受風(fēng)浪、潮流、冰凌等影響較大，容易產(chǎn)生過大彎矩；深海低溫環(huán)境與管內(nèi)熱油形成巨大溫差造成管道產(chǎn)生軸向變形。除此之外，海洋環(huán)境以及輸送液體對管道可能構(gòu)成局部腐蝕。海底管道已承受巨大靜水壓力，當(dāng)管道受到以上種種外界影響時就可能產(chǎn)生局部屈曲壓潰。當(dāng)管道發(fā)生局部屈曲壓潰后，若外水壓力超過一定值，管道的壓潰形態(tài)將沿管道軸向朝兩邊傳播，造成整條管道的破壞，即屈曲傳播，維持管道屈曲傳播所需要的最小外壓力就是屈曲傳播壓力。
[0003]屈曲傳播對管道破壞嚴重，因此應(yīng)采取一定方法終止管道屈曲傳播。其終止條件為:外壓降至屈曲傳播壓力以下或屈曲傳播遭到它無法穿越的物理障礙。由于管道的屈曲傳播壓力一般明顯小于它的屈曲壓潰壓力(一般情況下，屈曲傳播臨界壓力為屈曲壓潰壓力的20%左右)，以屈曲傳播壓力為設(shè)計壓力設(shè)計來設(shè)計管道，將使管道的壁厚大大增加，十分昂貴。海底管道一旦發(fā)生大范圍屈曲傳播，屈曲傳播速度可達到數(shù)百米每秒，損失嚴重，修復(fù)成本高。因此，沿著管道軸線相隔一段距離設(shè)置止屈器以阻止管道屈曲傳播，成為應(yīng)對管道屈曲傳播問題的經(jīng)濟有效途徑。止屈器的距離一般由工程師根據(jù)項目的不同特點決定，一般來說間距在90-180m之間較合理。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)濟性與安全性之間達到平衡，現(xiàn)已被工程廣泛使用。
[0004]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，可分為扣入式、纏繞式、焊接式和整體式止屈器?？廴胧街骨飨刃氲焦艿乐付ㄎ恢萌缓髪A緊，其圓環(huán)內(nèi)徑與管道外徑相當(dāng)；纏繞式止屈器采用鋼筋在管道的指定位置進行纏繞，鋼筋兩端與管道焊接以起固定作用；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進行焊接，形成一個整體。
[0005]從止屈性能上看，整體式止屈器的止屈效果最好，但對焊接工藝要求較高，安裝復(fù)雜，且重量較重?？廴胧健⒗p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。如何能夠結(jié)合不同止屈器形式的優(yōu)點達到連接簡單、止屈效率高的目的是亟待解決的問題。
[0006]纖維增強復(fù)合塑料(Fiber Reinforced Plastics FRP)是土木工程結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物，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、拉拔而形成的高性能型材料。因其具有質(zhì)輕、耐腐蝕、強度大、比模量大、抗疲勞性好等優(yōu)點，外加FRP已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天和混凝土的加固中，隨著近幾年的發(fā)展，對外加FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究不斷增多，基于FRP的海底管道止屈器應(yīng)運而生。
[0007]FRP的增強機理:在纖維增強復(fù)合材料中，基體樹脂為連續(xù)相，纖維為分散相，基體樹脂粘結(jié)和支撐纖維，起到分配載荷的作用，基體樹脂與纖維接觸界面起傳遞載荷的作用，而纖維起承受載荷的作用。當(dāng)復(fù)合材料受到一定載荷時，纖維的模量高，形變能力比樹脂低，在纖維缺陷處優(yōu)先斷裂，這時基體樹脂把纖維斷裂處的應(yīng)力重新分配到纖維上去，纖維承受的應(yīng)力從斷裂處的零增加到未斷纖維所承受的全部應(yīng)力。與此同時斷裂處纖維產(chǎn)生高剪力，并從斷裂處在很短距離內(nèi)衰減，若纖維和樹脂的粘結(jié)強度低，高剪切應(yīng)力將使纖維與基體脫粘；與斷裂纖維相鄰的纖維所承受的應(yīng)力也有可能增加到足以使其他纖維斷裂，并使裂紋擴展穿透基體造成整體斷裂。由于破壞前單位截面積纖維所承受的載荷比基體的要高，從而使纖維起到增強作用。
[0008]實驗研究表明，基于FRP的管道局部加強具有明顯的優(yōu)勢。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，纏繞在管道外側(cè)可以防止特殊海洋環(huán)境對管道帶來的腐蝕。
[0009]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)劑的抗剪強度是其粘結(jié)性能的重要指標(biāo)，目前采用的粘結(jié)劑大多為雙組分的環(huán)氧樹脂，屬于高分子有機材料。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。對粘結(jié)表面進行打磨、噴砂等處理可增加止屈器的耐久性能。
[0010]目前國內(nèi)外對FRP纏繞成型工藝的研究，主要集中在兩種方法上:一步法和兩步法。一步法是使樹脂在線浸潰纖維，實現(xiàn)樹脂浸潰和纖維纏繞同步進行，又稱為在線浸潰纏繞工藝。而兩步法則是將浸潰和纏繞分開進行，先用合適的方法制成預(yù)浸料，再用浸潰料纏繞成型，后續(xù)的浸潰料纏繞成型又稱預(yù)浸帶纏繞工藝。比較而言，兩步法對設(shè)備的要求較低、可控性好。
[0011]將FRP管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FRP管上，使之與管道同時受力，防止屈曲傳播。同時，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深水海底管道止屈器。
[0013]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:基于FRP的海底管道纏繞式止屈器，其特征在于:
[0014]基于FRP的海底管道纏繞式止屈器結(jié)構(gòu)分為三層，內(nèi)層是飽含樹脂的纖維氈構(gòu)成的防蝕防腐層，該層兼有密封功能。中層是纖維纏繞層形成的結(jié)構(gòu)層