一种碳纤维复合材料止裂器的制造方法

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一种碳纤维复合材料止裂器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于油气输送管道断裂控制领域,涉及一种主要用于阻止高级别管线钢管道延性裂纹的长程扩展的止裂器,具体涉及一种碳纤维复合材料止裂器。
【背景技术】
[0002]天然气是一种清洁能源,也是一种易燃、易爆的危险介质,通常采用管道运输,管道运输具有运输量大、连续、迅速、经济、安全可靠的特点。管道在长期服役过程中,由于受到地层压力、腐蚀、疲劳、外部机械损伤等作用,造成管道开裂、泄漏等事故发生。高压天然气管道一旦长程开裂将造成灾巨大难和损失,因此必须保证管道的安全性。未来10至20年,我国对洁净能源天然气的需求将继续保持强劲增长势头,为了提高管道运输的经济性,天然气管道的发展趋势是高钢级、高压、大口径、大壁厚、大输量,以提高输送效率,降低建设成本,满足日益增长的市场需求。我国天然气管道用管线钢管近年来发展非常快,X70级别钢管在西气东输一线成功应用,西气东输二线管道工程大规模采用X80级别的钢管。目前我国正在积极研发X90、X100等高级别管线钢的工程应用问题。
[0003]天然气输送管道钢级、管径、设计系数的提高以及高压、富气输送工艺的采用,大大提高了运营效益,同时给管道安全也提出了更高的要求。输气管道一旦开裂,管内高压气体并不能立刻排空,而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向两远端传播。由于气体减压波速低于裂纹扩展速度,裂纹尖端就会持续的保持高应力状态,裂纹也会持续的高速扩展,容易导致输气管道延性裂纹的长程扩展问题,输气管道通常呈延性断裂特征。管材的止裂韧性是材料抵抗延性裂纹扩展能力的度量,然而对于高级别管线钢(X90及以上),现有的全尺寸气体爆破试验结果表明,其难以依靠自身韧性进行止裂,这已经成为严重威胁管线安全并制约高级别管线钢应用的瓶颈问题。
[0004]当管线钢自身的韧性不能保证阻止延性裂纹扩展时,需采用一些外部机械装置,即止裂器(Crack Arrestor)来预防、阻止管道的延性裂纹长距离扩展。止裂器有不同的形态,根据在输气管道上的安装方法不同可以分为两类:整体止裂器和非整体止裂器。整体止裂器通常由不同于主管道力学性能和几何尺寸的厚壁或高韧性管段或管环组成,成为管道的一部分。非整体止裂器主要分为钢套筒止裂器和纤维复合材料缠绕带止裂器,钢套筒止裂器又分为紧套筒、松套筒或灌浆套筒止裂器。
[0005]在已有的管线上安装整体止裂器需要对管线进行切割和重新焊接,耗费时间且成本高。此外,生产高韧性厚壁钢管存在工艺技术困难,需考虑不同级别和壁厚的钢管的匹配和焊接可行性问题。
[0006]钢套筒止裂器虽被认为是非整体止裂器,但其安装容易程度不如纤维复合材料缠绕带止裂器,尤其是安装在已有的管线上,钢套筒止裂器需要对管线进行切割和重新焊接。
[0007]整体止裂器和钢套筒止裂器常用于新建管线,通常在管线铺设前安装止裂器。对于已建管线和新建管线,可选用纤维复合材料止裂器,自重轻,安装比较简单,不需对管线进行切割和重新焊接,节省时间,安装过程中输气服务不中断,耐化学腐蚀。
[0008]此外,止裂器应促进裂纹柔性止裂,突然止裂会导致裂纹在进入时产生环切(ringoff)现象,钢管沿环向开裂,从而使钢管被冲出沟槽,对管线和周围环境造成严重后果。
[0009]要实现裂纹柔性止裂可通过避免断裂阻力的突然增加,如局部壁厚的突然增加或者对裂口两侧的约束作用突然增加。可通过改变止裂器两端口的形状,使止裂器的厚度逐渐增加,对裂纹提供逐渐增加的约束作用。
【实用新型内容】
[0010]本实用新型的目的在于提供一种碳纤维复合材料止裂器,该碳纤维复合材料止裂器能够有效阻止高级别管线钢管道延性裂纹的长程扩展,能够实现延性断裂的柔性止裂。[0011 ]为达到上述目的,本实用新型采用的技术方案为:
[0012]—种碳纤维复合材料止裂器,该碳纤维复合材料止裂器由碳纤维止裂器主体和包裹在碳纤维止裂器主体外表面的冷缠带构成,其中碳纤维止裂器主体由若干层渗透有碳纤维布胶粘剂的碳纤维布逐层缠绕并固化成型后得到,碳纤维止裂器主体的形状为圆筒形,其两端设有坡口,且其内径与管材的外径相匹配。
[0013]所述的碳纤维复合材料止裂器的长度为I?1.5m。
[0014]所述的碳纤维复合材料止裂器的厚度为管材壁厚的I?1.5倍。
[0015]所述的碳纤维复合材料止裂器两端的坡口的角度为20?45°。
[0016]所述的碳纤维布的抗拉强度2 1800MPa,抗拉模量2 130GPa,断后延长率2 1.3%。
[0017]所述的碳纤维布胶粘剂为A、B双组分环氧类胶粘剂。
[0018]所述的碳纤维布胶粘剂的粘度<7500mPa.s,抗压强度2 75MPa,抗拉强度230MPa,弯曲强度2 40MPa,钢-钢拉伸剪切强度2 1MPa。
[0019]相对于现有技术,本实用新型的有益效果为:
[0020]本实用新型提供的碳纤维复合材料止裂器,其主要原理是,用碳纤维布包裹管材,并用碳纤维布胶粘剂将其固定在管材上,对管材产生局部约束作用从而阻止裂纹扩展。碳纤维复合材料止裂器两端为坡口形状,从两端向中间碳纤维复合材料止裂器的壁厚和对钢管的约束力逐渐增加,使载荷均匀分布在碳纤维复合材料止裂器上,避免发生环切(ringoff),从而实现裂纹柔性止裂。本实用新型提供的碳纤维复合材料止裂器主要用于阻止高级别管线钢管道延性裂纹的长程扩展,适用于X90及以上高级别管线钢,能够有效阻止高级别管线钢管道延性裂纹的长程扩展,并能够实现延性断裂的柔性止裂,具有自重轻、强度高、柔韧性好、安装比较简易、不需对管线进行切割和重新焊接、节省时间、安装过程中输气服务不中断、耐化学腐蚀、长期服役效果良好的优点,具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型提供的碳纤维复合材料止裂器的结构及安装效果示意图;
[0022]其中I为碳纤维复合材料止裂器、2为坡口、3为管材。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
[0024]高压天然气管道一旦开裂并长程扩展,将造成巨大灾害和损失。随着管线钢的钢级、管径和设计系数不断提高,高压天然气管道一般呈延性断裂特征。然而对于高级别管线钢(X90及以上),现有的全尺寸气体爆破试验结果表明,其难以依靠自身韧性进行止裂,需采用外部机械装置,即止裂器(Crack Arrestor)来预防、阻止管道的延性裂纹长距离扩展。
[0025]本实用新型提供的碳纤维复合材料止裂器,适用于X90及以上高级别管线钢,能有效阻
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