CN206221899U - 一种基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，该止裂结构包括包裹在油气输送管道表面的绝缘底胶层和绝缘底胶层外表面的止裂层，止裂层为玻璃纤维布层+环氧树脂胶粘剂层呈螺旋式环绕且层间相互搭接并固化成型后的结构，止裂层两端边缘为外坡口的圆筒形结构。外坡口为玻璃纤维布层与环氧树脂胶粘剂层呈宽度逐渐减小、止裂层的厚度逐渐增加、在止裂层的两端形成的结构，外坡口角度在15±3°。玻璃纤维布的抗拉强度≥900MPa，抗拉模量≥50GPa，断后延长率≥1.7％。该结构适用于X90及以上管线钢，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，成本低、可靠性高。

Description

一种基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构

技术领域

本实用新型涉及油气输送管道断裂控制领域，是主要用于阻止高级别管线钢管道延性裂纹的长程扩展的一种玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构。

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开裂并长程扩展，将造成巨大灾害和损失。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。

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。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结构不同可以分为两类：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。

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，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(ring off)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。

现有止裂结构中，采用了渗透有碳纤维布胶粘剂的碳纤维布逐层缠绕并固化成型的止裂器，在止裂器主体外表面的冷缠带，该结构存在碳纤维布抗拉强度小，抗拉模量何断后延长率小的问题，不能对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进行有效止裂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种玻璃纤维复合材料止裂结构，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。本实用新型的玻璃纤维复合材料止裂结构，具有抗拉强度高，抗拉模量何断后延长率大，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。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，包括包裹在油气输送管道表面的绝缘底胶层和绝缘底胶层外表面的止裂层，所述止裂层为玻璃纤维布层与环氧树脂胶粘剂层呈螺旋式环绕且层间相互搭接并固化成型后的结构，所述止裂层两端边缘为外坡口的圆筒形结构；

所述玻璃纤维布的抗拉强度≥900MPa，抗拉模量≥50GPa，断后延长率≥1.7％。

进一步，所述绝缘底胶层为不含导电成份的绝缘树脂，绝缘树脂为环氧胶或酚醛树脂胶。

进一步，所述外坡口为玻璃纤维布层与环氧树脂胶粘剂层呈宽度逐渐减小、止裂层的厚度逐渐增加、在止裂层的两端形成的结构。

进一步，所述外坡口角度在15±3°。

进一步，在所述油气输送管道表面止裂层的长度≥被包裹油气输送管道裂缝处边沿1.5m，止裂层的厚度≥1.6倍油气输送管道壁厚。

本实用新型通过的绝缘底胶层将玻璃纤维复合材料缠绕粘贴在油气输送管道外表面，能有效阻止油气输送管道延性裂纹的长程扩展。采用的玻璃纤维复合材料止裂结构主要原理是，采用玻璃纤维布包裹钢管，并采用胶粘剂将其呈螺旋式环绕且层间相互搭接并固化成型在油气输送管上，对油气输送管产生局部约束作用从而阻止裂纹扩展。玻璃纤维布具有强度高、高绝缘性能、防静电、耐化学腐蚀等特点，适用于各种梁、柱、钢管、墙体等构件的补强/止裂。

本实用新型设计的玻璃纤维复合材料止裂结构，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，在成本、技术安全性方面具有一定的优势。此外，本实用新型设计的玻璃纤维复合材料止裂器具有抗拉强度高，抗拉模量何断后延长率大的优势；且安装比较简易，不需对管线进行切割和重新焊接，节省时间；具有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。

附图说明

图1是采用本实用新型结构被包裹油气输送管道裂缝处两端为坡口形状结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

本实用新型基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，包括包裹在油气输送管道1表面的绝缘底胶层4和绝缘底胶层外表面的止裂层2，止裂层2为玻璃纤维布层+环氧树脂胶粘剂层呈螺旋式环绕且层间相互搭接并固化成型后的结构，止裂层2两端边缘为外坡口3的圆筒形结构。

绝缘底胶层为不含导电成份的绝缘树脂，绝缘树脂为环氧胶或酚醛树脂胶。

外坡口为玻璃纤维布层与环氧树脂胶粘剂层呈宽度逐渐减小、止裂层的厚度逐渐增加、在止裂层的两端形成的结构，外坡口角度在15±3°。

制作本结构的步骤如下：

1)在油气输送管道裂缝处除锈，并用酒精清洗打磨过的管壁，排除杂物。

①止裂层位置的标定：用皮尺确定止裂器的安装位置，并用粉笔做标记；

②打磨除锈：沿着做好的标记，用打磨机将安装止裂器的管壁打磨除锈；

③酒精清洗：用酒精将打磨过的管壁清洗干净，排除杂物；

2)涂刷绝缘底胶：用硬毛刷将配制好的绝缘底胶均匀涂刷在裂缝处管壁上，待底胶晾干后才能粘贴玻璃纤维布；

3)粘贴玻璃纤维布：首先，在底胶上涂一层玻璃纤维布胶粘剂，然后开始缠绕玻璃纤维布，使用硬橡胶棍或塑料刮板往复碾压，赶出气泡,并使纤维布平直、延展，粘合剂充分渗透纤维布。每缠一圈玻璃纤维布涂刷一次胶，缠绕时呈螺旋式环绕且层间相互搭接，玻璃纤维布层与环氧树脂胶粘剂层呈宽度逐渐减小、止裂层的厚度逐渐增加、在止裂层的两端形成外坡口结构，直至缠绕玻璃纤维布的厚度和长度达到≥1.6倍钢管壁厚，油气输送管道表面止裂层的长度≥被包裹油气输送管道裂缝处边沿1.5m的要求。

待胶粘剂固化后，测量止裂器的厚度，止裂长度和厚度设计。

玻璃纤维复合材料止裂器的安装如附图1所示。

本实用新型所用的玻璃纤维布的抗拉强度≥900MPa，抗拉模量≥50GPa，断后延长率≥1.7％。

本实用新型所用的绝缘底胶为高强度的绝缘树脂，如环氧类胶，酚醛树脂类胶等各种能够在市场上购买到的不含导电成份的胶。

实施例

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，在江苏省东台市对本实用新型结构进行了X90直缝埋弧焊钢管的单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。在油气输送管道特定位置按照本实用新型结构安装玻璃纤维复合材料止裂结构进行止裂，得到的止裂层2的长度为1.5m，厚度为25mm。见图1所示，标记3显示为外坡口形状。

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，进入玻璃纤维复合材料止裂器时逐渐减速，并成功止裂。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，其特征在于：包括包裹在油气输送管道表面的绝缘底胶层和绝缘底胶层外表面的止裂层，所述止裂层为玻璃纤维布层与环氧树脂胶粘剂层呈螺旋式环绕且层间相互搭接并固化成型后的结构，所述止裂层两端边缘为外坡口的圆筒形结构；

所述玻璃纤维布的抗拉强度≥900MPa，抗拉模量≥50GPa，断后延长率≥1.7％。

2.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，其特征在于：所述绝缘底胶层为不含导电成份的绝缘树脂，绝缘树脂为环氧胶或酚醛树脂胶。

3.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，其特征在于，所述外坡口为玻璃纤维布层与环氧树脂胶粘剂层呈宽度逐渐减小、止裂层的厚度逐渐增加、在止裂层的两端形成的结构。

4.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，其特征在于，所述外坡口角度在15±3°。

5.根据权利要求1所述的基于玻璃纤维复合材料对油气输送管道的止裂结构，其特征在于，在所述油气输送管道表面止裂层的长度≥被包裹油气输送管道裂缝处边沿1.5m，止裂层的厚度≥1.6倍油气输送管道壁厚。