一種基于碳纖維的整體式海底管道止屈器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于海底管道鋪設技術領域，涉及一種基于碳纖維的整體式海底管道止屈器。
【背景技術】
[0002]作為國家戰略能源，石油與天然氣在國民生產中發揮著重要作用。對石油與天然氣需求量的增加，促使油氣資源的開發不僅僅局限于陸地，逐步走向蘊藏大量能源的海洋。而對海洋油氣資源的勘探與開發，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生并迅速發展。鋪設海底管道是輸送海洋油氣資源的最重要舉措，對油氣高效地生產、運輸起著至關重要的作用。從近海走向深海的過程中，海底管道需要經受特殊海洋環境帶來的巨大挑戰:深水海底管道往往鋪設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；拋錨相當于集中力作用，使海底管道產生幾何變形；管道受波浪、海流等影響容易產生過大彎矩。除此之外，海洋環境以及輸送介質可能對管道構成腐蝕。深海海底的復雜環境使得海底管道發生局部屈曲難以避免。復雜的海洋條件、管道本身的不圓度以及徑厚比等生產原因都可以誘發管道屈曲，而深水海底管道所處深水環境，承受海水靜壓，造成局部屈曲沿管道的軸向傳播。
[0003]屈曲是結構喪失承載能力的一種形式，指結構喪失了保持原有平衡狀態的能力。局部屈曲失穩發生后，破壞管道結構，進而使管道完整性受損。屈曲起始壓力為Pi，屈曲傳播壓力為Pp，Pp < Pi。當最大外壓低于屈曲起始壓力Pi時，僅發生彎曲屈曲，而最大外壓大于屈曲傳播壓力Pp時，則彎曲傳播會持續到外壓小于等于Pp。當最大外壓大于屈曲起始壓力Pi時，局部屈曲與彎曲屈曲則會軸向傳播，直到外壓小于等于Pp。一般，屈曲傳播壓力Pp小于屈曲起始壓力P1;因此僅需大于屈曲傳播壓力Pp的壓力就會造成屈曲傳播。海底管道屈曲一旦發生傳播，速度可達每秒數百米，損失巨大，修復成本高。因此需要采取一定方法預防或限制屈曲傳播。
[0004]防止屈曲傳播有兩種基本方法，降低管道外壓或設置物理障礙。若使用第一種方法，以屈曲傳播壓力來設計管道，將使管道的壁厚過厚，經濟上不可行。另一種限制屈曲傳播的有效方法為設置物理障礙，即在海底管道一定間隔設置止屈器。止屈器可將管道屈曲的傳播限制在兩個相鄰止屈器之間。止屈器的距離由現場工程師根據不同的項目決定，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，使海底管道鋪設在經濟性與安全性之間達到平衡，具有良好的工程應用前景。
[0005]止屈器的基本形式是一個厚壁圓環，目前常用的止屈器根據安裝形式不同，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，兩者內徑相同，而止屈器具有更厚的壁厚，焊接相連，形成一個整體；扣入式止屈器是一個厚壁圓環，先旋到指定位置然后將其夾緊，其圓環內徑比管道外徑稍過盈；在扣入式止屈器與管道連接處進行焊接，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，但對焊接工藝要求較高，安裝復雜，且重量較重。扣入式、纏繞式、焊接式止屈器結構簡單，制造方便，但止屈效率相對較低。如何能夠結合不同止屈器的優點達到連接簡單、止屈效率高的工程應用目的是亟待解決的問題。本發明以解決這一問題為目標，結合整體式止屈器止屈效果好與碳纖維強度高、質量輕、耐腐蝕的特點，摒棄傳整體式止屈器對焊接工藝要求較高，安裝復雜，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同性；除此之外，碳纖維還具有耐疲勞、耐腐蝕、抗蠕變等優良性能，在眾多技術領域具有廣泛應用。隨著石油天然氣工業對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運而生。
[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。不同于傳統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劑與管道緊密相連。粘結劑為環氧樹脂，可滲透入鋼管，強化表面，提高鋼管粘結性能，其厚度約為2mm-3mm(不超過4_)。通過環氧樹脂的強力固定，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整體，共同受力。碳纖維套管具有優良的力學性能，抗腐蝕、耐磨、穩定性好、耐氧化，為能夠在海底管道止屈方面良好應用奠定了基礎。粘結劑環氧樹脂同樣具有優異的化學物理性能，粘結力強、耐腐蝕、固化收縮率小、強度高、耐久性好、適用性強。基于碳纖維的海底管道整體式止屈器的性能發揮不僅與粘結劑和碳纖維套管有關，粘結劑與鋼管防腐層之間的界面也起著重要作用。對該表面進行砂輪或砂紙打磨處理可使環氧樹脂粘結性提高，增加止屈器的耐久性能。
[0009]碳纖維止屈效果的增強機理:通過環氧樹脂作粘結劑將碳纖維套管與管道形成一個整體，分擔管道承擔的載荷，降低管道管壁應變及應力集中，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要高，從而使碳纖維止屈器起到增強作用。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同內部管道共同作用，抵抗外力干擾，直至該結構體系有一方先屈曲，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]實驗研究表明，基于碳纖維的管道局部加強具有明顯優勢。抗震性能強，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，基于碳纖維的海底管道止屈器使得管道處于三向應力狀態，可有效降低裂紋擴展速率，控制裂紋發展，提高管道疲勞壽命；抗腐蝕性能強，碳纖維套管在管道外側可防止特殊海洋環境對管道的腐蝕。
[0011]將碳纖維套管套在海底管道外側，通過環氧樹脂作為粘結劑固定，可實現簡單高效連接。管道受力通過膠層傳遞到碳纖維套管上，使之與管道同時受力，防止屈曲傳播。同時，碳纖維防腐蝕性能好，可以防止管道被海