一种基于碳纤维的整体式海底管道止屈器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海底管道铺设技术领域，涉及一种基于碳纤维的整体式海底管道止屈器。
【背景技术】
[0002]作为国家战略能源，石油与天然气在国民生产中发挥着重要作用。对石油与天然气需求量的增加，促使油气资源的开发不仅仅局限于陆地，逐步走向蕴藏大量能源的海洋。而对海洋油气资源的勘探与开发，也从近海逐步走向深海。深海海底管道就是在这种背景下产生并迅速发展。铺设海底管道是输送海洋油气资源的最重要举措，对油气高效地生产、运输起着至关重要的作用。从近海走向深海的过程中，海底管道需要经受特殊海洋环境带来的巨大挑战:深水海底管道往往铺设在距海平面有一定深度的海床上，管道承受巨大的海水静压；抛锚相当于集中力作用，使海底管道产生几何变形；管道受波浪、海流等影响容易产生过大弯矩。除此之外，海洋环境以及输送介质可能对管道构成腐蚀。深海海底的复杂环境使得海底管道发生局部屈曲难以避免。复杂的海洋条件、管道本身的不圆度以及径厚比等生产原因都可以诱发管道屈曲，而深水海底管道所处深水环境，承受海水静压，造成局部屈曲沿管道的轴向传播。
[0003]屈曲是结构丧失承载能力的一种形式，指结构丧失了保持原有平衡状态的能力。局部屈曲失稳发生后，破坏管道结构，进而使管道完整性受损。屈曲起始压力为Pi，屈曲传播压力为Pp，Pp < Pi。当最大外压低于屈曲起始压力Pi时，仅发生弯曲屈曲，而最大外压大于屈曲传播压力Pp时，则弯曲传播会持续到外压小于等于Pp。当最大外压大于屈曲起始压力Pi时，局部屈曲与弯曲屈曲则会轴向传播，直到外压小于等于Pp。一般，屈曲传播压力Pp小于屈曲起始压力P1;因此仅需大于屈曲传播压力Pp的压力就会造成屈曲传播。海底管道屈曲一旦发生传播，速度可达每秒数百米，损失巨大，修复成本高。因此需要采取一定方法预防或限制屈曲传播。
[0004]防止屈曲传播有两种基本方法，降低管道外压或设置物理障碍。若使用第一种方法，以屈曲传播压力来设计管道，将使管道的壁厚过厚，经济上不可行。另一种限制屈曲传播的有效方法为设置物理障碍，即在海底管道一定间隔设置止屈器。止屈器可将管道屈曲的传播限制在两个相邻止屈器之间。止屈器的距离由现场工程师根据不同的项目决定，一般来说距离90-180m。止屈器限制屈曲传播、保持管道完整性的特性，使海底管道铺设在经济性与安全性之间达到平衡，具有良好的工程应用前景。
[0005]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，分为整体式、扣入式、缠绕式和焊接式止屈器。整体式止屈器与管道同轴排列，两者内径相同，而止屈器具有更厚的壁厚，焊接相连，形成一个整体；扣入式止屈器是一个厚壁圆环，先旋到指定位置然后将其夹紧，其圆环内径比管道外径稍过盈；在扣入式止屈器与管道连接处进行焊接，形成焊接式止屈器；缠绕式止屈器在指定位用钢筋置缠绕，两端与管道焊接相连。
[0006]整体式止屈器止屈效果最好，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的优点达到连接简单、止屈效率高的工程应用目的是亟待解决的问题。本发明以解决这一问题为目标，结合整体式止屈器止屈效果好与碳纤维强度高、质量轻、耐腐蚀的特点，摒弃传整体式止屈器对焊接工艺要求较高，安装复杂，且重量较大的弊端，制作出基于碳纤维的海底管道整体式止屈器。
[0007]碳纤维是一种纤维聚合物，含碳量90%以上，由纤维丝在温度千度以上碳化而成。碳纤维密度小、质量轻，其密度仅为钢材密度的25%、铝合金密度的50%;其次，碳纤维强度高，大概为钢材的5-6倍；碳纤维弹性模量为230GPa，与弹性模量为207GPa的钢材具有很好的协同性；除此之外，碳纤维还具有耐疲劳、耐腐蚀、抗蠕变等优良性能，在众多技术领域具有广泛应用。随着石油天然气工业对利用碳纤维加固管道研究的增多，基于碳纤维的深水海底管道整体式止屈器应运而生。
[0008]基于碳纤维的海底管道整体式止屈器为厚壁碳纤维圆环。不同于传统整体式止屈器通过焊接方式与管道相连，基于碳纤维的海底管道整体式止屈器通过粘结剂与管道紧密相连。粘结剂为环氧树脂，可渗透入钢管，强化表面，提高钢管粘结性能，其厚度约为2mm-3mm(不超过4_)。通过环氧树脂的强力固定，确保基于碳纤维的海底管道整体式止屈器与钢管成为一个整体，共同受力。碳纤维套管具有优良的力学性能，抗腐蚀、耐磨、稳定性好、耐氧化，为能够在海底管道止屈方面良好应用奠定了基础。粘结剂环氧树脂同样具有优异的化学物理性能，粘结力强、耐腐蚀、固化收缩率小、强度高、耐久性好、适用性强。基于碳纤维的海底管道整体式止屈器的性能发挥不仅与粘结剂和碳纤维套管有关，粘结剂与钢管防腐层之间的界面也起着重要作用。对该表面进行砂轮或砂纸打磨处理可使环氧树脂粘结性提高，增加止屈器的耐久性能。
[0009]碳纤维止屈效果的增强机理:通过环氧树脂作粘结剂将碳纤维套管与管道形成一个整体，分担管道承担的载荷，降低管道管壁应变及应力集中，限制管道膨胀及拉伸，提高管道承压能力。由于管道屈服前单位截面积碳纤维所承受的载荷比正常工作时要高，从而使碳纤维止屈器起到增强作用。综上所述，基于碳纤维的海底管道整体式止屈器工作原理为:基于碳纤维的海底管道整体式止屈器协同内部管道共同作用，抵抗外力干扰，直至该结构体系有一方先屈曲，从而提高管道的极限承载能力和使用寿命，限制屈曲传播。
[0010]实验研究表明，基于碳纤维的管道局部加强具有明显优势。抗震性能强，基于碳纤维的海底管道止屈器可提高管道的屈曲承载力；抗疲劳性能强，基于碳纤维的海底管道止屈器使得管道处于三向应力状态，可有效降低裂纹扩展速率，控制裂纹发展，提高管道疲劳寿命；抗腐蚀性能强，碳纤维套管在管道外侧可防止特殊海洋环境对管道的腐蚀。
[0011]将碳纤维套管套在海底管道外侧，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碳纤维套管上，使之与管道同时受力，防止屈曲传播。同时，碳纤维防腐蚀性能好，可以防止管道被海