CN105605332A - 一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈，其特征在于：一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈基本结构分为四层，每层材料均为高模量碳纤维布，从内向外算，最内层碳纤维布的纹理与管道轴向成90度角，第二层碳纤维布的纹理与管道轴向成正45度角，第三层碳纤维布的纹理与管道轴向成负45度角，最外层碳纤维布的纹理与管道轴向成0度角。可按此顺序增加碳纤维布层数，以满足更高强度要求。对管道防腐层表面进行喷砂处理，使用热熔胶对最内层碳纤维布与管壁进行粘结。将外层碳纤维布依次缠绕于管道，并使用热熔胶对每层碳纤维布进行粘结。此发明可以增强管道强度及抗弯曲能力，减小活动断层对管道的不良影响，减小应力集中，减缓管道腐蚀，使管道安全穿越活动断层区。
Description
技术领域
本发明涉及一种管道增强圈，具体是关于一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈。
背景技术
在我国能源消费结构中，石油与天然气占了很大比例，其对国民经济发展及国家能源安全具有重要意义。随着石油天然气资源需求量的增长，开发我国现有油气藏、从国外进口石油天然气的必要性日益明显，而管道运输以其运量大、占地少、安全可靠、连续性强等优势，成为石油天然气运输方式的理想选择。然而在管道路由选择及建设过程中，常无法避免经过活动断层区，对管道安全带来了不利影响：地壳运动使岩层及土壤发生错动，使管道部分区域产生应力集中；活动断层对管道施加外力作用，使管道发生过大弯曲变形；管道受力变形后，可能诱发泄漏事故。
断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造，产生的原因是地壳运动中强大的压力和拉力超过了岩层本身强度。而覆于岩层上的土壤也会受到拉力或压力的作用，发生错动。活动断层是指自晚第四纪以来有活动的断层，特点是现今仍在活动或近代地质时期曾有过活动、将来还可能重新活动。对于埋设在活动断层区域内的管道，很可能因受到过大土壤作用力而丧失其原有稳定状态，发生弯曲变形。为了减小管道所受来自土壤的作用力，增强管道抵抗弯曲变形的能力，使管道能够安全穿越活动断层区，本发明提出一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈。
碳纤维是一种纤维聚合物，其密度为钢材的四分之一；强度高，为钢材的5-6倍；弹性模量与钢材相近，与钢材的协同性好。此外，碳纤维还具有优异的抗腐蚀性。鉴于碳纤维优异的力学性能及良好的抗腐蚀性，选择碳纤维材料作为增强圈的主要材料。
增强圈的作用机理为：通过热熔胶粘结，将增强圈与管道结合为一体，二者共同受力，减小管道所受的外载荷，减轻在断层作用下管道中过大的应力应变，保证管道的安全运行。
发明内容
针对穿越活动断层区管道可能发生过大弯曲变形、导致管道中产生过大应力应变的问题，本发明的目的是提供一种质量轻、耐腐蚀、强度高、可使管道安全穿越活动断层区的管道增强圈。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈基本结构分为四层，每层材料均为高模量碳纤维布。从内向外算，最内层碳纤维布的纹理与管道轴向成90度角，第二层碳纤维布的纹理与管道轴向成正45度角，第三层碳纤维布的纹理与管道轴向成负45度角，最外层碳纤维布的纹理与管道轴向成0度角。可按此顺序增加碳纤维布层数，以满足更高强度要求。缠绕于管道上的碳纤维布层纹理与管道轴向成不同角度，目的在于使增强圈可承受来自多个方向的地层作用力，更好地分担管道所受载荷，从而遏制管道发生过大弯曲变形。
由于管道本身具有防腐层，为增强热熔胶粘结效果，对管道防腐层表面进行喷砂处理，使用热熔胶对最内层碳纤维布与管壁进行粘结。将外层碳纤维布依次缠绕于管道，并使用热熔胶对每层碳纤维布进行粘结。本发明利用碳纤维布强度高、质量轻、耐腐蚀、抗拉压能力强的特点及热熔胶固化快、粘着力强的特点，摒弃传统管道加固件需要焊接连接、容易产生应力集中的弊端，制作出一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈，为本发明最核心的部分。
本发明综合了碳纤维的优势，具有以下优点：
1.强度高，抗拉压性能优异。碳纤维具有优良的力学性能，碳纤维布强度高、密度小、厚度薄，基本不增加被加固构件自重及界面尺寸。碳纤维布被缠绕、粘结在管道上后，与管道结合为一个整体，分担管道所受载荷，提高管道强度。
2.减小应力集中。碳纤维应力集中于纤维端部，碳纤维布层内部基本不存在纤维端部，可有效避免应力集中现象。
3.可承受多个方向作用力。由于实际情况下断层发生的位置和方向不确定，断层对管道的作用力方向亦不确定。碳纤维布的纹理与管道轴向成不同角度，使增强圈可承受来自多个方向的断层作用力，能够有效分担管道所受载荷，遏制管道发生过大弯曲变形。
4.抗腐蚀性能好。碳纤维具有优异的抗腐蚀性能，非常适合用于高酸、碱、盐等腐蚀环境。碳纤维布缠绕固定于管道后，可有效提高管道的抗腐蚀性能。
5.制造工艺简单，施工方便。该管道增强圈只使用碳纤维和热熔胶两种组分，制造工艺简单，施工方便。
附图说明
图1是本发明用在穿越活动断层区管道的正视投影示意图。
图2是图1中所示的A-A截面示意图。
图3是碳纤维布纹理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细的描述。
如图1、图2、图3所示：1为穿越活动断层区管道的管壁，1的表面为管道防腐层，2为增强圈中纹理与管道轴向成90度角的碳纤维布层，3为增强圈中纹理与管道轴向成正45度角的碳纤维布层，4为增强圈中纹理与管道轴向成负45度角的碳纤维布层，5为增强圈中纹理与管道轴向成0度角的碳纤维布层。
本发明的制作安装方法包括以下步骤：
(1)管道表面处理
使用喷砂法对管道防腐层表面进行处理，以提高热熔胶的粘结效果。
(2)缠绕最内层碳纤维布
将热熔胶胶粉与常温水按1∶1.5-3的比例混合，浸泡20-60分钟，待胶粉吸水膨胀后进行间接加热，使热熔胶固体熔融为液态。对液态热熔胶继续间接加热，直到温度达到最佳使用温度160摄氏度，然后将液态热熔胶均匀涂抹于处理过的管道防腐层表面。将最内层碳纤维布螺旋缠绕于管道上，其纹理与管道轴向成90度角，覆盖区域沿管道轴向长度为30-100米。缠绕完成后，将碳纤维布层与管壁压合紧密，等待热熔胶冷却，完成粘结。
(3)缠绕第二层碳纤维布
将液态热熔胶均匀涂抹于最内层碳纤维布表面，然后将第二层碳纤维布螺旋缠绕于最内层碳纤维布上，其纹理与管道轴向成正45度角，覆盖区域沿管道轴向长度为30-100米。缠绕完成后，将第二层碳纤维布与最内层碳纤维布压合紧密，等待热熔胶冷却，完成粘结。
(4)缠绕第三层碳纤维布
将液态热熔胶均匀涂抹于第二层碳纤维布表面，然后将第三层碳纤维布螺旋缠绕于第二层碳纤维布上，其纹理与管道轴向成负45度角，覆盖区域沿管道轴向长度为30-100米。缠绕完成后，将第三层碳纤维布与第二层碳纤维布压合紧密，等待热熔胶冷却，完成粘结。
(5)缠绕最外层碳纤维布
将液态热熔胶均匀涂抹于第三层碳纤维布表面，然后将最外层碳纤维布螺旋缠绕于第三层碳纤维布上，其纹理与管道轴向成0度角，覆盖区域沿管道轴向长度为30-100米。缠绕完成后，将最外层碳纤维布与第三层碳纤维布压合紧密，等待热熔胶冷却，完成粘结。
需要指出的是，本实施例使用四层碳纤维布，仅起到说明具体实施方式的作用，并不对本发明的保护范围产生约束，为达到强度要求增加碳纤维布层数所产生的结构均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈，其特征在于：一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈基本结构分为四层，每层材料均为高模量碳纤维布。从内向外算，最内层碳纤维布的纹理与管道轴向成90度角，第二层碳纤维布的纹理与管道轴向成正45度角，第三层碳纤维布的纹理与管道轴向成负45度角，最外层碳纤维布的纹理与管道轴向成0度角。
2.如权利要求1所述的一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈，其特征在于：可按权利要求1中所述的顺序增加碳纤维布层数，以满足更高强度要求。
3.如权利要求1所述的一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈，其特征在于：对管道防腐层表面进行喷砂处理，使用热熔胶对最内层碳纤维布与管壁进行粘结。
4.如权利要求1所述的一种基于碳纤维的穿越活动断层区管道增强圈，其特征在于：将外层碳纤维布依次缠绕于管道，并使用热熔胶对每层碳纤维布进行粘结。
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