专利名称：油气输送管道用复合材料止裂环结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及管道系统技术领域，特别是一种油气输送管道用复合材料止裂环结构。
背景技术：
目前天然气输送倾向于高钢级、大口径管道，并采用高压富气输送工艺。在相同管径和输送压力下，选用高强度钢材可以减少钢材用量，降低管材运输、施工等费用。但是，高强级钢止裂性能相对较差，长输管道由于管径大、输送距离长，管材内部缺陷、运输施工损伤及焊缝缺陷漏检几率增大，再加上管道服役环境复杂、苛刻，输送介质一般又为易燃易爆或有毒介质，管道缺陷处易形成裂纹源，在高压气体作用下扩展，使管道破坏数百米甚至几千米。管道沿途不乏人口密集地区，给安全带来极大隐患。因此，对材质等级较高的管道在设计时应考虑管道裂纹失稳扩展的控制。目前国内外在工程实践中，采用的止裂环大部分为钢环形式，沿轴向布置在管道的外侧，并保持一定的间隔。但是这种金属止裂环主要是借助外力减小管道开裂后的张开变形，不能完全预防裂纹起裂及扩展。另外国内外有报道可以将复合材料作为局部增强带作为止裂方式应用，但目前该类复合材料增强带修复、增强技术无法保证非金属材料与金属管体之间的界面紧密结合，并且复合材料增强带外表面常常由于第三方施工等因素受到机械损伤，造成自身在应用前期已存在缺陷，在实际应用中无法真正起到止裂作用，这也成为复合材料现场应用的一个亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种能与金属管体外表面之间紧密结合、且能束缚管道开裂后的张开变形，并防止裂纹扩展的油气输送管道用复合材料止裂环结构。本发明提供的一种油气输送管道用复合材料止裂环结构，包括第一界面过渡层、 防裂纹扩展层、局部增强层、第二界面过渡层及耐磨外防护层；所述第一界面过渡层、防裂纹扩展层、局部增强层、第二界面过渡层及耐磨外防护层由内至外依次设置在金属管道外表面。进一步，所述第一界面过渡层采用热塑性树脂改性热固性树脂，并同时经过纳米粒子改性，用于降低需进行止裂保护的管道与防裂纹扩展层之间的界面空隙率，提高界面结合强度，同时保护防裂纹扩展层免受内部环境化学作用。进一步，所述第一界面过渡层采用的热塑性树脂改性热固性树脂及其质量分数为环氧树脂100，聚醚酰亚胺10-25，芳香胺固化剂20_35，纳米二氧化硅2_6。进一步，所述防裂纹扩展层是玄武岩纤维和/或凯夫拉纤维浸溃树脂后构成的复合材料层。进一步，所述局部增强层是碳纤维和/或凯夫拉纤维浸溃树脂后构成的复合材料层；所述局部增强层主要用于承担管道所受压力，在管道存在局部缺陷时，亦具有局部增强能力，从而恢复管道承压能力。进一步，所述防裂纹扩展层和所述局部增强层所用的树脂及其质量分数为混合环氧树脂100，聚醚酰亚胺10-25，芳香胺固化剂20-35，纳米二氧化硅2_6。进一步，所述第二界面过渡层采用热塑性树脂改性热固性树脂，用于降低局部增强层与外防护层之间的界面空隙率，提高界面结合强度，同时提高止裂环结构整体性。进一步，所述第二界面过渡层采用的热塑性树脂改性热固性树脂及其质量分数为环氧树脂100，聚酰亚胺55-75，芳香胺固化剂10_30，纳米二氧化硅2_6。进一步，所述耐磨外防护层采用改性增强尼龙热塑性塑料，用于保护增强层外表面免受外部环境物理损伤，可极大防止非金属材料因第三方施工等因素造成的管材外部破损导致的管材过早失效。本发明提供的油气输送管道用复合材料止裂环结构，充分考虑不同材质组成界面之间的化学和物理性质上的差异，结构中通过在不同材质之间增加界面过渡层，以确保降低不同界面之间的空隙率，提高界面结合强度，并提高止裂环结构的整体性，从而实现束缚管道开裂后的张开变形，并防止裂纹扩展目的，同时起到局部管道增强的作用；通过在结构中增加耐磨外防护层，保护了增强层外表面免受外部环境物理损伤，从而避免了由于复合材料止裂环外表面机械损伤引起的管道过早失效。
图I为本发明实施例提供的一种油气输送管道用复合材料止裂环结构的结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。如图I所示，管道I外表面从里向外依次为第一界面过渡层2，防裂纹扩展层3，局部增强层4，第二界面过渡层5，耐磨外防护层6。其中第一界面过渡层2为结构中首次提出新增设计，是金属与非金属之间的界面过渡层，主要起到降低需进行止裂保护的金属管道与防裂纹扩展层3之间的界面空隙率，提高界面结合强度，同时保护防裂纹扩展层免受内部环境化学作用。第一界面过渡层2采用热塑性树脂改性热固性树脂，并同时经过纳米粒子改性，树脂体系包括环氧树脂、聚醚酰亚胺、芳香胺固化剂及纳米二氧化硅粒子，其配比为(质量份数)环氧树脂100、聚醚酰亚胺10-25、芳香胺固化剂20-35、纳米二氧化硅 2-6。防裂纹扩展层3为玄武岩纤维和/或凯夫拉纤维浸溃树脂后构成的复合材料层； 局部增强层4为碳纤维和/或凯夫拉纤维浸溃树脂后构成的复合材料层。防裂纹扩展层 3和局部增强层4所用的树脂体系包括双官能团环氧树脂、三官能团环氧树脂、聚醚酰亚胺、芳香胺固化剂、纳米二氧化硅粒子，其配比为(质量份数)混合环氧树脂100、聚醚酰亚胺10-25、芳香胺固化剂20-35、纳米二氧化硅2-6。防裂纹扩展层3的界面与第一界面过渡层2的界面结合，采用同一系列树脂体系，不但能够改善该层与金属外表面之间的界面结合性能，亦能避免发生电偶腐蚀；局部增强层4主要用来承担管道所受压力，在管道存在局部缺陷时，亦具有局部增强能力，从而恢复管道承压能力。第二界面过渡层5为结构中首次提出新增设计，主要起到降低局部增强层4与外防护层6之间的界面空隙率，提高界面结合强度，同时提高止裂环结构整体性。第二界面过渡层5采用热塑性树脂改性热固性树脂，树脂体系包括环氧树脂、聚酰亚胺、芳香胺固化剂、纳米二氧化硅粒子，其配比为(质量份数)环氧树脂100、聚酰亚胺55-75、芳香胺固化剂10-30、纳米_■氧化娃2-6。耐磨外防护层6为结构中首次提出新增设计，其目的是为了保护增强层外表面免受外部环境物理损伤，可极大防止非金属材料因第三方施工等因素造成的管材外部破损导致的管材过早失效。耐磨外防护层采用改性增强尼龙热塑性塑料。制备图I所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构包括以下步骤步骤SI :调配第一界面过渡层2所用树脂基体配方，将树脂涂覆到管道I的外表面，控制其厚度在O.之间；步骤S2 :调配防裂纹扩展层3所用树脂基体配方，制备防裂纹扩展层，并将该层缠绕到第一界面过渡层2的外表面；步骤S3 :调配局部增强层4所用树脂基体配方，制备增强层，然后将该层缠绕到防裂纹扩展层3的外面；步骤S4 :调配第二界面过渡层5所用树脂基体配方，将树脂涂覆到局部增强层4 外表面，控制其厚度在O. 2mm-0. 5mm之间；步骤S5 :耐磨层6为未闭合的圆环状(预先加工好)，然后复合在第二界面过渡层 5的外面，圆环闭合处采用热熔焊接。本发明提供的油气输送管道用复合材料止裂环结构，结构与性能可设计强，能够根据不同施工环境和使用条件设计相适用的结构；复合材料止裂环结构中设计的第一界面过渡层2，能够保护防裂纹扩展层3免受内部环境化学作用，同时保证防裂纹扩展层3与金属管表面紧密贴合，具有较高的结合强度，不但能够防止裂纹扩展，并能起到局部管道增强作用，从而保证管道的安全使用以及延长管道的使用寿命；设计的第二界面过渡层5，提高了局部增强层4与耐磨外防护层6之间的界面结合强度，并提高了止裂环结构的整体性；止裂环外表面设计增加的耐磨外防护层6，保护了局部增强层4外表面免受外部环境物理损伤，可极大避免因第三方施工等因素所造成的非金属材料外部机械损伤引起的管材过早失效；该复合材料止裂环制造和施工方便。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于，包括第一界面过渡层、防裂纹扩展层、局部增强层、第二界面过渡层及耐磨外防护层；所述第一界面过渡层、防裂纹扩展层、局部增强层、第二界面过渡层及耐磨外防护层由内至外依次设置在金属管道外表面。
2.如权利要求I所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于所述第一界面过渡层采用热塑性树脂改性热固性树脂，并同时经过纳米粒子改性，用于降低需进行止裂保护的管道与防裂纹扩展层之间的界面空隙率，提高界面结合强度，同时保护防裂纹扩展层免受内部环境化学作用。
3.如权利要求2所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于，所述第一界面过渡层采用的热塑性树脂改性热固性树脂及其质量分数为环氧树脂100，聚醚酰亚胺10-25，芳香胺固化剂20-35，纳米二氧化硅2_6。
4.如权利要求I所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于，所述防裂纹扩展层是玄武岩纤维和/或凯夫拉纤维浸溃树脂后构成的复合材料层。
5.如权利要求I所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于，所述局部增强层是碳纤维和/或凯夫拉纤维浸溃树脂后构成的复合材料层；所述局部增强层用于承担管道所受压力，在管道存在局部缺陷时，亦具有局部增强能力，从而恢复管道承压能力。
6.如权利要求4或5所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于所述防裂纹扩展层和所述局部增强层所用的树脂及其质量分数为混合环氧树脂 100，聚醚酰亚胺10-25，芳香胺固化剂20-35，纳米二氧化硅2_6。
7.如权利要求I所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于所述第二界面过渡层采用热塑性树脂改性热固性树脂，用于降低局部增强层与外防护层之间的界面空隙率，提高界面结合强度，同时提高止裂环结构整体性。
8.如权利要求7所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于，所述第二界面过渡层采用的热塑性树脂改性热固性树脂及其，质量分数为环氧树脂100 ;聚酰亚胺55-75 ;芳香胺固化剂10-30 ;纳米二氧化硅2_6。
9.如权利要求I所述的油气输送管道用复合材料止裂环结构，其特征在于所述耐磨外防护层采用改性增强尼龙热塑性塑料，用于保护增强层外表面免受外部环境物理损伤，可极大防止非金属材料因第三方施工等因素造成的管材外部破损导致的管材过早失效。
全文摘要
公开了一种油气输送管道用复合材料止裂环结构，包括第一界面过渡层、防裂纹扩展层、局部增强层、第二界面过渡层及耐磨外防护层。所述第一界面过渡层、防裂纹扩展层、局部增强层、第二界面过渡层及耐磨外防护层由内至外依次设置在金属管道外表面。本发明提供的一种油气输送管道用复合材料止裂环结构，结构与性能可设计强，能够根据不同施工环境和使用条件设计相适用的结构，根据结构的改造，不但能够防止裂纹扩展，并能起到局部管道增强作用，从而保证管道的安全使用以及延长管道的使用寿命；可极大避免因第三方施工等因素所造成的非金属材料外部机械损伤导致的管材过早失效。
文档编号B32B27/34GK102602093SQ2012100408
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者丁楠, 张淑慧, 戚东涛, 李厚补, 蔡雪华 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所