一种基于frp的海底管道缠绕式止屈器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海底管道设施铺设技术领域，具体涉及一种能够防止海底管道屈曲传播的方法。
【背景技术】
[0002]海底管道通过密闭管道在海底连续输送大量油气资源，在海洋工业中具有重要作用，其运行状况可直接关系到海上油气生产量以及安全运行状况。深水海底管道具有输送效率高，受环境影响小，施工方便等优点。与此同时，铺设海底管道的海床往往距海平面有一定深度，管道承受海水静压；深水管道平铺在海床上有时会因抛锚产生自身几何变形；管道受风浪、潮流、冰凌等影响较大，容易产生过大弯矩；深海低温环境与管内热油形成巨大温差造成管道产生轴向变形。除此之外，海洋环境以及输送液体对管道可能构成局部腐蚀。海底管道已承受巨大静水压力，当管道受到以上种种外界影响时就可能产生局部屈曲压溃。当管道发生局部屈曲压溃后，若外水压力超过一定值，管道的压溃形态将沿管道轴向朝两边传播，造成整条管道的破坏，即屈曲传播，维持管道屈曲传播所需要的最小外压力就是屈曲传播压力。
[0003]屈曲传播对管道破坏严重，因此应采取一定方法终止管道屈曲传播。其终止条件为:外压降至屈曲传播压力以下或屈曲传播遭到它无法穿越的物理障碍。由于管道的屈曲传播压力一般明显小于它的屈曲压溃压力(一般情况下，屈曲传播临界压力为屈曲压溃压力的20%左右)，以屈曲传播压力为设计压力设计来设计管道，将使管道的壁厚大大增加，十分昂贵。海底管道一旦发生大范围屈曲传播，屈曲传播速度可达到数百米每秒，损失严重，修复成本高。因此，沿着管道轴线相隔一段距离设置止屈器以阻止管道屈曲传播，成为应对管道屈曲传播问题的经济有效途径。止屈器的距离一般由工程师根据项目的不同特点决定，一般来说间距在90-180m之间较合理。这样一来，管道的屈曲传播被止屈器阻止，限制屈曲仅发生于两个止屈器间。止屈器能够限制屈曲传播，保持管道完整性，在管道经济性与安全性之间达到平衡，现已被工程广泛使用。
[0004]止屈器的基本形式是一个厚壁圆环，目前常用的止屈器根据安装形式不同，可分为扣入式、缠绕式、焊接式和整体式止屈器。扣入式止屈器先旋入到管道指定位置然后夹紧，其圆环内径与管道外径相当；缠绕式止屈器采用钢筋在管道的指定位置进行缠绕，钢筋两端与管道焊接以起固定作用；在扣入式止屈器的基础上，在其与管道之间的连接增加了两道焊缝，形成焊接式止屈器；整体式止屈器的内径和管道内径一样，而壁厚比管道更厚，两者同轴排好之后在连接处进行焊接，形成一个整体。
[0005]从止屈性能上看，整体式止屈器的止屈效果最好，但对焊接工艺要求较高，安装复杂，且重量较重。扣入式、缠绕式、焊接式止屈器结构简单，制造方便，但止屈效率相对较低。如何能够结合不同止屈器形式的优点达到连接简单、止屈效率高的目的是亟待解决的问题。
[0006]纤维增强复合塑料(Fiber Reinforced Plastics FRP)是土木工程结构学科发展的产物，由纤维材料与基体材料(一般为树脂)按一定的比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。因其具有质轻、耐腐蚀、强度大、比模量大、抗疲劳性好等优点，外加FRP已经广泛应用于航空航天和混凝土的加固中，随着近几年的发展，对外加FRP加固钢结构的研究不断增多，基于FRP的海底管道止屈器应运而生。
[0007]FRP的增强机理:在纤维增强复合材料中，基体树脂为连续相，纤维为分散相，基体树脂粘结和支撑纤维，起到分配载荷的作用，基体树脂与纤维接触界面起传递载荷的作用，而纤维起承受载荷的作用。当复合材料受到一定载荷时，纤维的模量高，形变能力比树脂低，在纤维缺陷处优先断裂，这时基体树脂把纤维断裂处的应力重新分配到纤维上去，纤维承受的应力从断裂处的零增加到未断纤维所承受的全部应力。与此同时断裂处纤维产生高剪力，并从断裂处在很短距离内衰减，若纤维和树脂的粘结强度低，高剪切应力将使纤维与基体脱粘；与断裂纤维相邻的纤维所承受的应力也有可能增加到足以使其他纤维断裂，并使裂纹扩展穿透基体造成整体断裂。由于破坏前单位截面积纤维所承受的载荷比基体的要高，从而使纤维起到增强作用。
[0008]实验研究表明，基于FRP的管道局部加强具有明显的优势。在抗震性方面，FRP加固管道能够提高管道的屈曲承载力和延性；在抗疲劳性能方面，外加FRP使得管道受三向应力状态，可以有效降低裂纹扩展速率，控制裂纹发展，提高管道疲劳寿命；在弯曲性能方面，FRP加固可以显著提高管道的极限承载能力；在抗腐蚀性能方面，FRP具有良好的防腐蚀性能，缠绕在管道外侧可以防止特殊海洋环境对管道带来的腐蚀。
[0009]FRP管与管道通过粘结剂固定，因此粘结剂的粘结性是FRP管与钢结构共同工作的基础。粘结剂的抗剪强度是其粘结性能的重要指标，目前采用的粘结剂大多为双组分的环氧树脂，属于高分子有机材料。FRP缠绕管道性能的发挥不仅与基体树脂和纤维材料有关，基体树脂与粘结剂之间的界面也起着重要作用。对粘结表面进行打磨、喷砂等处理可增加止屈器的耐久性能。
[0010]目前国内外对FRP缠绕成型工艺的研究，主要集中在两种方法上:一步法和两步法。一步法是使树脂在线浸溃纤维，实现树脂浸溃和纤维缠绕同步进行，又称为在线浸溃缠绕工艺。而两步法则是将浸溃和缠绕分开进行，先用合适的方法制成预浸料，再用浸溃料缠绕成型，后续的浸溃料缠绕成型又称预浸带缠绕工艺。比较而言，两步法对设备的要求较低、可控性好。
[0011]将FRP管缠绕在海底管道外侧，通过环氧树脂作为粘结剂固定，可实现简单高效连接。管道受力通过胶层传递到FRP管上，使之与管道同时受力，防止屈曲传播。同时，FRP管防腐蚀性能好，防止管道被海水侵蚀，增长管道寿命。
【发明内容】
[0012]针对上述问题，本发明的目的是提供一种既连接简单，防止海水腐蚀，又具有较高止屈能力的深水海底管道止屈器。
[0013]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:基于FRP的海底管道缠绕式止屈器，其特征在于:
[0014]基于FRP的海底管道缠绕式止屈器结构分为三层，内层是饱含树脂的纤维毡构成的防蚀防腐层，该层兼有密封功能。中层是纤维缠绕层形成的结构层