FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管的制作方法

本实用新型涉及深海油气开采及运输管道技术领域，尤其涉及一种防腐性能好、自重轻、刚度大、延性好的高性能FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管。

背景技术：

现有技术的深海油气开采及输送工程中，通常用到钢结构管道。然而，锈蚀问题一直是钢结构管道服役过程中存在且无法避免的问题，尤其是钢结构管道沉浸于海水之中时，锈蚀问题非常严重。当钢结构管道用于海底油气立管时，由于遭受海底低温环境，而钢材的物理性质是低温易脆，因此如果受到冲击荷载时，钢结构管道容易遭受局部形变或整体形变从而造成油气的渗漏，特别是对于耐高压耐低温要求高的油气管道，钢结构管道能够承受的冲击荷载是相当有限的。另外，深海立管在铺设过程中要承受很高的夹持力、张力和弯矩，如果抗弯能力不足，管道可能在弯曲荷载作用下发生屈曲导致失效。传统钢材管中管结构中，层间粘接紧靠摩擦而没有完全粘接，研究表明层间粘接行为对三明治管的抗压能力和变形能力有非常大的影响。层间完全粘接时，管道系统表现出最佳抗压性能和变形能力，而非粘接状态则恰恰相反。

常规改善方式是在钢管外围加混凝土层作为保护层，其虽对防止钢管锈蚀有一定保护作用，但在冲击作用下混凝土层容易破损，且保护层施工复杂，由于深海立管运输长度在海底可达数千米，受到洋流、海洋等疲劳荷载，钢筋混凝土保护层时刻受到拉力而容易开裂脱落，另外使用钢筋混凝土保护层增大了海底油气立管结构的自重。

FRP(Fiber Reinforced Polymer，纤维增强复合材料)的强度高，经合理缠绕成型后防水防腐性能优越、耐压强度高，近年来在修复工程上被广泛应用。其中，中国实用新型专利CN 201943186U采用FRP-活性粉末混凝土-钢管组合受压构件，但FRP管和钢管之间无相互连接，故无法保证三种材料协同工作。填充的混凝土层为活性粉末混凝土层，其养护条件较高，对使用截面有限制，若截面过厚则对无法对混凝土进行有效的养护。混凝土虽强度高但自重较大，对于长距离海底油气管道结构，增加了结构自重，增加了安装成本，并且活性混凝土用量大，直接增加了工程的造价。

中国专利CN 202831378U提出一种FRP管轻质混凝土组合构件，主要用于降低构件自重，提高被FRP约束轻质混凝土的抗压强度，FRP管外喷涂的水泥砂浆层改善了FRP材质的抗火性能，抗震性能好；主要用于房屋、桥梁大跨度结构。

中国专利CN 104453092A提出一种新型FRP管-轻质混凝土-型钢组合构件，FRP管对轻质混凝土提供换向约束，主要目的用来降低组合结构自重，提高结构静力、抗震性能；主要用于工民建工程。

为克服以上技术的缺点，并拓展到深海油气开采输送及运维应用工程，本实用新型提出一种FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管，防腐性能好、自重轻、刚度大、延性好、抗弯抗冲击力学性能优异，且所开发填充的轻质水泥基纤维混凝土无需特殊养护，天然养护即可成型，物理致密、孔隙率小、热传率低，从而能保证组合立管结构的耐久性优越。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种防腐性能好、自重轻、刚度大、延性好的FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管。

为了实现上述目的，本实用新型提供的技术方案为：提供一种FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管，用于极地海洋油气开采及运输，包括：钢内管、FRP外管、加劲肋、超轻质高延性水泥基纤维混凝土层，所述FRP外管外套于所述钢内管之外，且所述FRP外管与所述钢内管之间形成一沿长度方向延伸的空间，所述加劲肋的数量为多个且均匀地布设于所述空间内，所述超轻质高延性水泥基纤维混凝土层填充于所述空间内并将所述加劲肋进行包覆。

所述加劲肋一端连接于所述FRP外管的内壁处，另一端连接于所述钢内管的外壁处。

还包括定向板，所述加劲肋与所述FRP外管之间的连接是通过所述定向板进行连接。

所述定向板一面粘接于所述FRP外管的内壁处，且另一面与所述加劲肋的一端进行焊接。

所述定向板与所述加劲肋进行焊接的一面还开设有用于对所述加劲肋进行定位的凹槽，所述加劲肋的一端进入所述凹槽内进行焊接。

所述定向板与所述FRP外管连接的一面是粗糙面结构，且所述定向板通过环氧树脂或乙烯树脂与所述FRP外管连接。

所述FRP外管是由碳纤维，芳纶纤维，玻璃纤维中的一种或其中几种混合形成。

所述钢内管与FRP外管的截面均可为圆形、矩形、多边形或其中的组合。

与现有技术相比，由于在本实用新型FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管中，本实用新型以FRP管作外管，FRP外管的防水致密性好，填充的超轻质高延性水泥基纤维混凝土层孔隙率小、密度低、强度高、热传导率低耐久性好、延性好、裂缝多点开展，从而避免了钢内管容易被海水锈蚀问题。

本实用新型继承了传统组合套管结构的优点，合理利用了FRP抗拉强度高、热传导率低的超轻质高延性水泥基纤维混凝土、钢管三种材料的性能，提高了材料利用率，有利于轻质高强水泥基纤维混凝土的推广使用。

此外，本实用新型整体自重轻，制作工艺简便，降低油气管安装运维的整体造价。通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1所示为本实用新型FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管的一个实施例的立体图。

图2所示为如图1所示的FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管剖面视图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，如图1和2所示，本实用新型提供一种FRP-超轻质高延性水泥基材料-钢组合三明治立管，用于深海油气运输，包括：钢内管5、FRP外管1、加劲肋3、超轻质高延性水泥基纤维混凝土层4，所述FRP外管1外套于所述钢内管5之外，且所述FRP外管1与所述钢内管5之间形成一沿长度方向延伸的空间，需要说明的是，所述空间可以是等截面，也可以是变截面，此外所述空间可以是呈中心轴线对称，也可以是呈中心轴线非对称。所述加劲肋3的数量为多个且均匀地布设于所述空间内，所述超轻质高延性水泥基纤维混凝土层4填充于所述空间内并将所述加劲肋3进行包覆。所述钢内管5的内部空间用来用于油气运输，能够承受一定的高温高压。

一个实施例中，所述加劲肋3一端连接于所述FRP外管1的内壁处，另一端连接于所述钢内管5的外壁处，由于结构能够使得所述FRP外管1、加劲肋3及钢内管5的整体性更高，能够一起协同工作。钢内管5承受的内压通过所述加劲肋可有效传递给FRP外管1，避免钢内管5局部屈曲；超轻质高延性水泥基纤维混凝土层4的导热系数低，具有很好的保温隔热性能，因此可以避免深海油气在输送过程中，由于高压和低温的物理属性，易形成水合物和产生积蜡现象而堵塞，对油气输送造成危害，使得油气输送流动性得到保障。

一个实施例中，如图1和2所示，还包括定向板2，所述加劲肋3与所述FRP外管1之间的连接是通过所述定向板2进行连接。由于所述FRP外管1的制作是采用缠绕实现的，FRP可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的一种或其中的几中组合形成，以上各种纤维缠绕方向可以是沿着截面的环向进行多重缠绕。

一个实施例中，如图1和2所示，所述定向板2一面粘接于所述FRP外管1的内壁处，且另一面与所述加劲肋3的一端进行焊接。由于所述FRP外管1的制作是采用缠绕实现的，因此通过所述定向板2，能够更加容易地进行纤维缠绕，即是能够极大地提高所述FRP外管1的缠绕效率，能够快速形成所述FRP外管1。

一个实施例中，所述定向板2与所述加劲肋3进行焊接的一面还开设有用于对所述加劲肋3进行定位的凹槽(图上未示)，所述加劲肋3的一端进入所述凹槽内进行焊接。通过设置所述凹槽，能够增加焊接的面积，起到更好的固定所述加劲肋3的作用。

一个实施例中，所述定向板2与所述FRP外管1连接的一面是粗糙面结构，且所述定向板2通过环氧树脂或乙烯树脂与所述FRP外管1连接，通过设置粗糙面结构，能够增大涂覆环氧树脂或乙烯树脂的面积，以提高与所述定向板2的粘接力。

一个实施例中，所述FRP外管1是由碳纤维，芳纶纤维，玻璃纤维中的一种或其中几种混合形成。

一个实施例中，所述钢内管5与FRP外管1的截面均可为圆形、矩形、多边形或将其进行排列组合，比如所述钢内管5与FRP外管1均是圆形、矩形、多边形，或者所述钢内管5是圆形而所述FRP外管1是矩形，所述钢内管5是矩形而所述FRP外管1是圆形。

需要说明的是，本实用新型的超轻质高延性水泥基纤维混凝土层4填充于所述FRP外管1与所述钢内管5之间后，天然养护28天即可，或采用蒸汽养护。

需要说明的是，本实用新型的超轻质高延性水泥基纤维混凝土层4与现有的轻质混凝土相比具有流动性好，孔隙率低，渗透性小、强度高、延性好、密度小、热传率低、裂缝多点开展等特点。此外，其制备工艺简单，无需特殊养护，强度、密度稳定，浇筑成型质量易控制。

需要说明的是，本实用新型在受压力时，由于FRP材料的横向约束，超轻质高延性水泥基纤维混凝土层4处于三向受压，强度及延性进一步增高；受冲击荷载时，由于FRP外管和混凝土组合层刚度较大，有利于减小立管结构局部凹陷及整体变形，同时混凝土层通过多点开裂吸收冲击能量，使油气立管结构在深海油气勘探工程中安全运维。受内压时，由于加劲肋的存在，一部分压力可通过加劲肋直接传递给FRP外管承担，另一部分压力传递给水泥基纤维混凝土层，避免内钢管局部屈曲，实现高耐压油气立管。同时，深海条件下温度低，混凝土层由于具有较低的热传导率，避免了钢内管内水合物和起蜡现象出现而堵塞，从而保障了深海立管油气输送安全。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。