一種基于碳纖維的整體式海底管道止屈器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海底管道鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于碳纖維的整體式海底管道止屈器。
【背景技術(shù)】
[0002]作為國(guó)家戰(zhàn)略能源，石油與天然氣在國(guó)民生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。對(duì)石油與天然氣需求量的增加，促使油氣資源的開發(fā)不僅僅局限于陸地，逐步走向蘊(yùn)藏大量能源的海洋。而對(duì)海洋油氣資源的勘探與開發(fā)，也從近海逐步走向深海。深海海底管道就是在這種背景下產(chǎn)生并迅速發(fā)展。鋪設(shè)海底管道是輸送海洋油氣資源的最重要舉措，對(duì)油氣高效地生產(chǎn)、運(yùn)輸起著至關(guān)重要的作用。從近海走向深海的過程中，海底管道需要經(jīng)受特殊海洋環(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(duì)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。復(fù)雜的海洋條件、管道本身的不圓度以及徑厚比等生產(chǎn)原因都可以誘發(fā)管道屈曲，而深水海底管道所處深水環(huán)境，承受海水靜壓，造成局部屈曲沿管道的軸向傳播。
[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(jìn)而使管道完整性受損。屈曲起始?jí)毫镻i，屈曲傳播壓力為Pp，Pp < Pi。當(dāng)最大外壓低于屈曲起始?jí)毫i時(shí)，僅發(fā)生彎曲屈曲，而最大外壓大于屈曲傳播壓力Pp時(shí)，則彎曲傳播會(huì)持續(xù)到外壓小于等于Pp。當(dāng)最大外壓大于屈曲起始?jí)毫i時(shí)，局部屈曲與彎曲屈曲則會(huì)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?jí)毫1;因此僅需大于屈曲傳播壓力Pp的壓力就會(huì)造成屈曲傳播。海底管道屈曲一旦發(fā)生傳播，速度可達(dá)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]防止屈曲傳播有兩種基本方法，降低管道外壓或設(shè)置物理障礙。若使用第一種方法，以屈曲傳播壓力來設(shè)計(jì)管道，將使管道的壁厚過厚，經(jīng)濟(jì)上不可行。另一種限制屈曲傳播的有效方法為設(shè)置物理障礙，即在海底管道一定間隔設(shè)置止屈器。止屈器可將管道屈曲的傳播限制在兩個(gè)相鄰止屈器之間。止屈器的距離由現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)不同的項(xiàng)目決定，一般來說距離90-180m。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(jì)性與安全性之間達(dá)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(gè)厚壁圓環(huán)，目前常用的止屈器根據(jù)安裝形式不同，分為整體式、扣入式、纏繞式和焊接式止屈器。整體式止屈器與管道同軸排列，兩者內(nèi)徑相同，而止屈器具有更厚的壁厚，焊接相連，形成一個(gè)整體；扣入式止屈器是一個(gè)厚壁圓環(huán)，先旋到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(jìn)行焊接，形成焊接式止屈器；纏繞式止屈器在指定位用鋼筋置纏繞，兩端與管道焊接相連。
[0006]整體式止屈器止屈效果最好，但對(duì)焊接工藝要求較高，安裝復(fù)雜，且重量較重。扣入式、纏繞式、焊接式止屈器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但止屈效率相對(duì)較低。如何能夠結(jié)合不同止屈器的優(yōu)點(diǎn)達(dá)到連接簡(jiǎn)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)合整體式止屈器止屈效果好與碳纖維強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕的特點(diǎn)，摒棄傳整體式止屈器對(duì)焊接工藝要求較高，安裝復(fù)雜，且重量較大的弊端，制作出基于碳纖維的海底管道整體式止屈器。
[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(qiáng)度高，大概為鋼材的5-6倍；碳纖維彈性模量為230GPa，與彈性模量為207GPa的鋼材具有很好的協(xié)同性；除此之外，碳纖維還具有耐疲勞、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(duì)利用碳纖維加固管道研究的增多，基于碳纖維的深水海底管道整體式止屈器應(yīng)運(yùn)而生。
[0008]基于碳纖維的海底管道整體式止屈器為厚壁碳纖維圓環(huán)。不同于傳統(tǒng)整體式止屈器通過焊接方式與管道相連，基于碳纖維的海底管道整體式止屈器通過粘結(jié)劑與管道緊密相連。粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂，可滲透入鋼管，強(qiáng)化表面，提高鋼管粘結(jié)性能，其厚度約為2mm-3mm(不超過4_)。通過環(huán)氧樹脂的強(qiáng)力固定，確保基于碳纖維的海底管道整體式止屈器與鋼管成為一個(gè)整體，共同受力。碳纖維套管具有優(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)。粘結(jié)劑環(huán)氧樹脂同樣具有優(yōu)異的化學(xué)物理性能，粘結(jié)力強(qiáng)、耐腐蝕、固化收縮率小、強(qiáng)度高、耐久性好、適用性強(qiáng)?；谔祭w維的海底管道整體式止屈器的性能發(fā)揮不僅與粘結(jié)劑和碳纖維套管有關(guān)，粘結(jié)劑與鋼管防腐層之間的界面也起著重要作用。對(duì)該表面進(jìn)行砂輪或砂紙打磨處理可使環(huán)氧樹脂粘結(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(qiáng)機(jī)理:通過環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑將碳纖維套管與管道形成一個(gè)整體，分擔(dān)管道承擔(dān)的載荷，降低管道管壁應(yīng)變及應(yīng)力集中，限制管道膨脹及拉伸，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(shí)要高，從而使碳纖維止屈器起到增強(qiáng)作用。綜上所述，基于碳纖維的海底管道整體式止屈器工作原理為:基于碳纖維的海底管道整體式止屈器協(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]實(shí)驗(yàn)研究表明，基于碳纖維的管道局部加強(qiáng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。抗震性能強(qiáng)，基于碳纖維的海底管道止屈器可提高管道的屈曲承載力；抗疲勞性能強(qiáng)，基于碳纖維的海底管道止屈器使得管道處于三向應(yīng)力狀態(tài)，可有效降低裂紋擴(kuò)展速率，控制裂紋發(fā)展，提高管道疲勞壽命；抗腐蝕性能強(qiáng)，碳纖維套管在管道外側(cè)可防止特殊海洋環(huán)境對(duì)管道的腐蝕。
[0011]將碳纖維套管套在海底管道外側(cè)，通過環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑固定，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效連接。管道受力通過膠層傳遞到碳纖維套管上，使之與管道同時(shí)受力，防止屈曲傳播。同時(shí)，碳纖維防腐蝕性能好，可以防止管道被海