CN204573317U - 基于frp材料的深水海底管道扣入式止屈器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种深水海底管道扣入式止屈器，其特征在于：扣入式止屈器结构分为两层，内层是环氧树脂构成的粘结层，外层是FRP套管，为止屈器本体。由于管道本身需有3PE防腐层，为了节约成本，在防腐层第一层喷涂环氧粉末涂层后，套入基于FRP的扣入式止屈器。基于FRP的扣入式止屈器内径比海底管道外径大0.15-3.5mm，作为预留粘结剂厚度，并注入环氧树脂，在止屈器端部缠绕5层FRP纤维布以防止局部应力过大造成局部破坏，增强止屈强度。此发明可以实现海底管道防腐防蚀，减小应力集中，加强抗弯、抗震、抗疲劳、密封能力，提高铺设安装及止屈效率，节约成本。

Description

基于FRP材料的深水海底管道扣入式止屈器

技术领域

本实用新型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止屈器。

背景技术

由于全国对于能源需求日益增大，过去几十年间，石油开采也从陆地逐步向海洋发展。对海洋油气资源进行开发，需要在海上设置各类钻井、采油平台以及油气资源输送工具。海底管道是深水油气田开发建设中的重要组成部分，对海上油气田的开发、生产和运输起着至关重要的作用。深水海底管道具有运输量大，受环境影响小，便于管理，密闭安全、经济性好等优点，从而海底管道发展迅猛。但与此同时，从近海走向深海的过程中，海底管道也必须经受特殊海洋环境带来的挑战。铺设深水海底管道的海床往往距海平面有一定深度，管道承受巨大的海水静压；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、潮流等影响，容易产生过大弯矩，材料非线性和几何非线性使海底管道弯曲问题更为复杂。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。这些复杂原因都有可能使管道产生局部屈曲，在海底这种复杂环境中，海底管道发生局部屈曲是难以避免的。局部的屈曲失稳一旦发生，会沿着管道轴线传递，进而使整个管道结构发生失效破坏。

屈曲传播的临界压力就是能维持管道的屈曲传播所需要的最小压力，屈曲压溃压力就是管道从完整无损到屈曲破坏所能经受的最大压力。一般情况下，屈曲传播临界压力为屈曲压溃压力的1/8-1/4。因此只需要比屈曲破坏小得多的压力，就可以使已经存在的管道屈曲缺陷沿管道轴线快速传播，这样的传递特性对海底管道整体性极其不利。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。

理论上，只要管道的厚度达到一定的比例，管道即使发生局部屈曲，也不会发生任何屈曲传递。但是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，而且增加了材料用量和铺设过程中悬跨段的重量，十分昂贵，经济上并不可行。一种限制屈曲传播的有效方法是在海底管道一定间隔设置止屈器。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90-180m比较合理。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，现已被广泛使用。

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直接夹紧，其圆环内径比管道外径稍大；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到固定作用；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的内径一样，而壁厚比管道更厚，两者同轴排好之后在连接处焊接，形成一个整体。

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。整体式止屈器虽然止屈效果最好，但对焊接工艺要求较高，安装复杂，且重量较重。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。本发明已解决这一问题为目标，整合扣入式止屈器结构简单、施工方便的特点与纤维增强复合塑料FRP材料高强度、质量轻、耐腐蚀的特点相结合，制作出基于FRP的海底管道扣入式止屈器。 

纤维增强复合塑料(Fiber Reinforced Plastics FRP)是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、易于施工等优点，FRP在土木工程领域应用发展迅速，现成为继混凝土、钢材之后第三大新型建筑材料，与此同时，FRP套管加固钢结构的研究不断增多，基于FRP的海底管道扣入式止屈器应运而生。

FRP的增强机理：轴向压力作用于整个FRP扣入式止屈器与钢管组合构件上，首先由内部管道承担轴向压力。较低的荷载即可使得管道发生屈曲，管道表现为低阶状态屈曲；随着荷载作用的进一步增大，钢管在最先发生弯曲的最大挠度处与FRP扣入式止屈器内壁首先接触，FRP扣入式止屈器会对内部管道产生一个反向约束力，该约束力在一定程度上限制了管道局部最大挠度的发展，导致了管道向更高级别的屈曲状态演化，这意味着结构构件承载能力进一步得到提升。随着荷载继续增加，相应会出现二阶乃至多阶模态屈曲，直到外部FRP扣入式止屈器体系整体强度、环向刚度及抗弯强度不足以提供内部核心钢构件的反向约束力，最后达到破坏极限值，这时整个组合结构体系宣告破坏。综上所述，基于FRP的海底管道扣入式止屈器工作原理为：FRP扣入式止屈器协同内部管道共同工作，直至两种结构体系有一方最先屈曲，从而提高管道的极限承载能力和稳定性，限制屈曲传播。

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，在管道外侧的FRP套管可有效防止特殊海洋环境对管道带来的腐蚀。

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，环氧树脂的黏结性能、安装性能和耐久性最佳，因此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，厚度约为0.15-3.5mm。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。

将FRP扣入式止屈器套在海底管道外侧，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

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扣入式止屈器。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：基于FRP的海底管道扣入式止屈器，其特征在于：

基于FRP的海底管道扣入式止屈器包括止屈器本体，即FRP套管，环氧树脂作为粘结剂固定扣入式止屈器本体，粘结剂具有防蚀防腐、密封的功能，厚度约为0.15-3.5mm。为了加强止屈效率，可在FRP套管外的端部外包五层GFRP进行局部加强。

由于管道本身需有3PE防腐层，为了节约成本，物尽其用，在防腐层第一层喷涂环氧粉末涂层后，便固定基于FRP的扣入式止屈器。此为本专利最为核心的部分。

本发明综合了扣入式止屈器和FRP材料的优势，具有以下优点：

1、抗震性方面。基于FRP的海底管道扣入式止屈器能够提高管道的屈曲承载力和延性。

2、在抗疲劳性能方面。基于FRP的海底管道扣入式止屈器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。

3、在弯曲性能方面。基于FRP的海底管道扣入式止屈器可以显著提高管道的极限承载能力。

4、在抗腐蚀性能方面。FRP具有良好的防腐蚀性能，套在管道外侧可以防止特殊海洋环境对管道带来的腐蚀。同时，为节省成本，制作管道防腐层时可先喷涂环氧粉末，含沙喷涂材料处理环氧粉末层，套入基于FRP的止屈器，不仅能够达到相同的防腐效果，并能节省原防腐层需要的粘结剂层和聚乙烯层。

5、增强止屈效率方面。由于FRP材料具有的抗震、防腐、抗弯、抗疲劳、密封良好等性能，基于FRP的海底管道扣入式止屈器不同于一般的扣入式止屈器，在基于FRP的海底管道扣入式止屈器中，作为连续相的基体树脂将增强纤维粘合成一个整体，固定纤维的位置，保护纤维免受各种损伤；并且作为外界载荷与增强纤维之间的桥梁，可以均匀有效的分布载荷，通过基体树脂与纤维的界面，将载荷传递到纤维上。纤维是复合材料的骨架，承受外界载荷，对复合材料的性能起着决定性的作用。当FRP发生破坏时，纤维通过多种途径吸收能量，包括界面脱粘，纤维拔出及纤维断裂，直到某一平面全部破坏。显而易见，随着复合材料中纤维长度的增加，发生破坏时，纤维通过上述途径能够吸收更多能量，具有更加强大而稳定的止屈性质。 

6、减小应力集中方面。在普通海底管道止屈器中，连接方式大多为焊接，这样一来，焊缝承受较大应力，产生应力集中，对焊接要求较高，一旦焊缝破坏，后果不堪设想。而连续的FRP内部基本不存在纤维端部，大大减小了应力集中现象。

7、工程施工方面。由于铺管船方法具有抗风、抗浪能力高，灵活性好以及作业效率高等优点，海底管道的铺设一般采用此方法。常见的铺管船铺设方法有S型铺管法、J型铺管法、卷管式铺管法。管道重量严重制约了铺管的效率，深水海底管道的铺设不仅需要考虑铺设速度，更应考虑过大张力与稳定性的问题。基于FRP的海底管道缠绕式止屈器质量轻，大大减少了铺管船承受重量，降低施工难度，提高铺设效率。

8、成本及工艺方面。FRP缠绕式止屈器只有环氧树脂和玻璃纤维两种组分，制造工艺十分简单，并且成本较低。

附图说明

图1是本发明用在某段海底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

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，1为海底管道管壁，2为海底管道防腐层第一层环氧粉末层，3为基于FRP的海底管道扣入式止屈器粘结剂环氧树脂层，4为环氧粉末层与环氧树脂层接触表面，5为基于FRP的海底管道扣入式止屈器本体，为FRP套管圆环。 

本发明的制作安装方法包括以下步骤：

1)在20℃左右，向液态环氧树脂中加入固化剂，按重量比为100∶20进行配制。

2)用含沙喷涂材料处理喷涂环氧粉末的管道表面，图中为4，使其具有微小环向划痕，以增强管道与FRP止屈器的结合强度。

3)将基于FRP的海底管道扣入式止屈器置于管道合适位置，一般止屈器长度为 0.5-2.0倍的直径，布置间距为90-180m。基于FRP的海底管道扣入式止屈器内径比海底管道外径大0.15-3.5mm，作为预留粘结剂厚度，为图中3。

4)在基于FRP的海底管道扣入式止屈器预留粘结剂厚度注入环氧树脂，粘结止屈器与管道。

5)在止屈器端部缠绕5层FRP纤维布，增强止屈强度。

Claims (3)

1.一种基于FRP的海底管道扣入式止屈器，其特征在于：扣入式止屈器结构分为两层，内层是环氧树脂构成的粘结层，外层是FRP套管，为止屈器本体。

2.如权利要求1所述的一种基于FRP的海底管道扣入式止屈器，其特征在于：基于FRP的海底管道扣入式止屈器内径比海底管道外径大0.15-3.5mm；

3.如权利要求1所述的一种基于FRP的海底管道扣入式止屈器，其特征在于：在止屈器端部缠绕5层FRP纤维布。