CN105485469B - 一种碳纤维复合材料止裂器及其制作及安装方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维复合材料止裂器及其制作及安装方法，该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缠绕并固化成型后得到，碳纤维止裂器主体为圆筒形，其两端设有坡口。安装时通过碳纤维布胶粘剂将碳纤维布缠绕、粘贴在管材的外表面，形成该止裂器。该止裂器适用于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。

Description

一种碳纤维复合材料止裂器及其制作及安装方法

技术领域

本发明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及其制作及安装方法。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料止裂器及其制作及安装方法，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。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一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。

所述的碳纤维复合材料止裂器的长度为1～1.5m，厚度为管材壁厚的1～1.5倍。

所述的碳纤维复合材料止裂器两端的坡口的角度为20～45°。

所述的碳纤维复合材料止裂器的制作及安装方法，包括以下步骤：

1)设计好碳纤维复合材料止裂器的长度和厚度，并在管材表面标记碳纤维复合材料止裂器的安装位置；

2)按照标记对管材表面打磨除锈，再将打磨过的管材表面清洗干净，排除杂物；

3)在清洗干净的管材表面涂刷绝缘底胶并晾干；

4)在绝缘底胶上涂刷一层碳纤维布胶粘剂，然后开始缠绕碳纤维布，缠好后往复碾压，赶出气泡，使碳纤维布平直、延展，并使碳纤维布胶粘剂充分渗透纤维布，每缠一圈碳纤维布涂刷一次碳纤维布胶粘剂，直至缠完，同时在整个缠绕过程中形成两端的坡口；

5)待碳纤维布胶粘剂固化后，测量得到的碳纤维止裂器主体的厚度，若达到设计要求，则进行步骤6)，否则重复进行步骤4)，直至最终得到的碳纤维止裂器主体的厚度达到设计要求；

6)采用冷缠带对碳纤维止裂器主体的外表面进行包裹，即在管材表面完成了碳纤维复合材料止裂器的制作及安装。

所述的碳纤维布的抗拉强度≥1800MPa，抗拉模量≥130GPa，断后延长率≥1.3％。

所述的绝缘底胶为环氧树脂类绝缘胶或酚醛树脂类绝缘胶。

所述的碳纤维布胶粘剂为A、B双组分环氧类胶粘剂。

按质量份数计，A、B双组分环氧类胶粘剂中，A组分由40～75份E44环氧树脂、40～65份CYD127环氧树脂、1～15份纳米固体橡胶胶粉、0～20份环保活性稀释剂601和0～15份消泡剂555组成，B组分由20～30份改性胺固化剂593、3～8份气相二氧化硅和1～6份硅烷偶联剂KH550组成。

所述的碳纤维布胶粘剂的粘度≤7500mPa.s，抗压强度≥75MPa，抗拉强度≥30MPa，弯曲强度≥40MPa，钢-钢拉伸剪切强度≥10MPa。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明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(ring off)，从而实现裂纹柔性止裂。本发明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。

本发明提供的碳纤维复合材料止裂器的制作及安装方法，通过碳纤维布胶粘剂将碳纤维布缠绕、粘贴在管材的外表面，形成碳纤维复合材料止裂器。该方法步骤简单，易于实施，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，适于在现有管路上进行现场施工，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的碳纤维复合材料止裂器的结构及安装效果示意图；

其中1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

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

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。

本发明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，能有效阻止高级别管线钢管道延性裂纹的长程扩展，实现延性断裂的柔性止裂。此外，本发明设计的碳纤维复合材料止裂器在成本、技术安全性方面具有一定的优势，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特点。

本发明提供的碳纤维复合材料止裂器1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2，且其内径与管材3的外径相匹配。该碳纤维复合材料止裂器的长度为1～1.5m，厚度为管材壁厚的1～1.5倍，其两端的坡口的角度为20～45°。

本发明提供的碳纤维复合材料止裂器的制作及安装步骤如下：

1)碳纤维复合材料止裂器长度和厚度设计。在钢管上安装的碳纤维复合材料止裂器的长度≥1m，厚度≥钢管壁厚。

2)碳纤维复合材料止裂器位置的标定。在钢管上用皮尺确定碳纤维复合材料止裂器的安装位置，并用粉笔做标记。

3)打磨除锈。在钢管上沿着做好的标记，用打磨机将安装碳纤维复合材料止裂器的管壁打磨除锈。

4)酒精清洗。用酒精将打磨过的管壁清洗干净，排除杂物。

5)涂刷绝缘底胶。用硬毛刷将配置好的绝缘底胶均匀涂在管壁上，待绝缘底胶干后才能粘贴碳纤维布。

6)粘贴碳纤维布。首先，在绝缘底胶上涂一层碳纤维布胶粘剂，然后开始缠绕碳纤维布，使用硬橡胶棍或塑料刮板往复碾压，赶出气泡，使碳纤维布平直、延展，并使碳纤维布胶粘剂充分渗透碳纤维布。每缠一圈碳纤维布涂刷一次碳纤维布胶粘剂，直至缠完，同时在整个缠绕过程中形成两端的坡口。

7)待碳纤维布胶粘剂固化后，测量碳纤维止裂器主体的厚度，若达到设计要求，则进行步骤8)，否则重复进行步骤6)，直至最终得到的碳纤维止裂器主体的厚度达到设计要求。

8)采用冷缠带对碳纤维止裂器主体的外表面进行包裹，避免碳纤维止裂器主体受到摩擦或者其它机械损伤，即在管材表面完成了碳纤维复合材料止裂器的制作及安装。

本发明提供的碳纤维复合材料止裂器的安装效果如图1所示。

碳纤维布具有自重轻、强度高、柔韧性好、化学安稳性好、抗冲击性较好等特点，适用于各种梁、柱、通风筒、钢管、墙体等构件，以及复杂外形构件的补强/止裂。本发明所用的碳纤维布的抗拉强度≥1800MPa，抗拉模量≥130GPa，断后延长率≥1.3％。

本发明所用的绝缘底胶为高强度的绝缘树脂，如环氧树脂类绝缘胶，酚醛树脂类绝缘胶等各种不含导电成份的胶。

本发明采用专用的胶粘剂对碳纤维布进行浸润和粘贴。胶粘剂是可固化的聚合物，一般包含基体材料以及辅料。基体材料选自热固性树脂、热塑性树脂及高性能树脂，优选热固性树脂；辅料选自固化剂、偶联剂、稀释剂、交联剂、阻燃剂、以及填料等。热固性树脂，一般有环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂等。其中环氧树脂与各种纤维的黏结力强，机械性能高，介电性能优良，耐化学腐蚀性好。因此本发明采用的碳纤维布胶粘剂为A、B双组分环氧类胶粘剂，具有粘度低、强度高，浸润性好、渗透性强、配用比例宽、操作简便、可常温固化、耐磨损防腐蚀、耐久性好等特点。本发明采用的碳纤维布胶粘剂的配方如表1所示，其技术参数如表2所示。

表1本发明采用的碳纤维布胶粘剂的配方

表2本发明采用的碳纤维布胶粘剂的技术参数

粘度	抗压强度	抗拉强度	弯曲强度	钢-钢拉伸剪切强度
					≤7500mPa.s	≥75MPa	≥30MPa	≥40MPa	≥10MPa

该碳纤维布胶粘剂须在使用前1小时内配好，该碳纤维布胶粘剂的固化时间长(24小时)，钢管缠绕碳纤维布后需放置一天，保证碳纤维布胶粘剂充份固化。避免在雨天施工。

申请人对本发明提供的碳纤维复合材料止裂器及其制作和安装方法的效果进行了实际实验，由石油管工程技术研究院输送管与安全评价研究所和有关单位合作在江苏省东台市成功进行了X90直缝埋弧焊钢管的单管全尺寸气体爆破实验。这是国内首次进行的大口径输送钢管全尺寸气体爆破实验。试验钢管外径为1219mm，长度为12m，壁厚为16.3mm。试验压力为12MPa，加压介质为空气。在钢管特定位置制作并安装了本发明提供的碳纤维复合材料止裂器，其长度为1.2m，厚度为18mm。

全尺寸气体爆破试验是将线性聚能切割装置安放在起裂钢管上方中心部位，通过遥控方式引爆，引入500mm长的贯穿型初始裂纹。启爆后，裂纹向钢管两端迅速扩展，进入碳纤维复合材料止裂器时逐渐减速，并成功实现裂纹柔性止裂。证实了本发明提供的碳纤维复合材料止裂器确实具有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的良好效果。

Claims (5)

1.一种用于X90及以上高级别管线钢的碳纤维复合材料止裂器，其特征在于：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，所述碳纤维布的抗拉强度≥1800MPa，抗拉模量≥130GPa，断后延长率≥1.3％；碳纤维布胶粘剂的粘度≤7500mPa.s，抗压强度≥75MPa，抗拉强度≥30MPa，弯曲强度≥40MPa，钢-钢拉伸剪切强度≥10MPa；该碳纤维复合材料止裂器的长度为1～1.5m，厚度为管材壁厚的1～1.5倍，碳纤维止裂器主体的形状为圆筒形，其两端设有角度为20～45°的坡口，且其内径与管材的外径相匹配。

2.权利要求1所述的碳纤维复合材料止裂器的制作及安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计好碳纤维复合材料止裂器的长度和厚度，并在管材表面标记碳纤维复合材料止裂器的安装位置；

2)按照标记对管材表面打磨除锈，再将打磨过的管材表面清洗干净，排除杂物；

3)在清洗干净的管材表面涂刷绝缘底胶并晾干；

4)在绝缘底胶上涂刷一层碳纤维布胶粘剂，然后开始缠绕碳纤维布，缠好后往复碾压，赶出气泡，使碳纤维布平直、延展，并使碳纤维布胶粘剂充分渗透纤维布，每缠一圈碳纤维布涂刷一次碳纤维布胶粘剂，直至缠完，同时在整个缠绕过程中形成两端的坡口；

5)待碳纤维布胶粘剂固化后，测量得到的碳纤维止裂器主体的厚度，若达到设计要求，则进行步骤6)，否则重复进行步骤4)，直至最终得到的碳纤维止裂器主体的厚度达到设计要求；

6)采用冷缠带对碳纤维止裂器主体的外表面进行包裹，即在管材表面完成了碳纤维复合材料止裂器的制作及安装。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料止裂器的制作及安装方法，其特征在于：所述的绝缘底胶为环氧树脂类绝缘胶或酚醛树脂类绝缘胶。

4.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料止裂器的制作及安装方法，其特征在于：所述的碳纤维布胶粘剂为A、B双组分环氧类胶粘剂。

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料止裂器的制作及安装方法，其特征在于：按质量份数计，A、B双组分环氧类胶粘剂中，A组分由40～75份E44环氧树脂、40～65份CYD127环氧树脂、1～15份纳米固体橡胶胶粉、0～20份环保活性稀释剂601和0～15份消泡剂555组成，B组分由20～30份改性胺固化剂593、3～8份气相二氧化硅和1～6份硅烷偶联剂KH550组成。