一種碳纖維復合材料止裂器及其制作及安裝方法技術

一種碳纖維復合材料止裂器及其制作及安裝方法，該止裂器由碳纖維止裂器主體和包裹在碳纖維止裂器主體外表面的冷纏帶構成，其中碳纖維止裂器主體由若干層滲透有碳纖維布膠粘劑的碳纖維布纏繞并固化成型后得到，碳纖維止裂器主體為圓筒形，其兩端設有坡口。安裝時通過碳纖維布膠粘劑將碳纖維布纏繞、粘貼在管材的外表面，形成該止裂器。該止裂器適用于X90及以上高級別管線鋼，能夠有效阻止高級別管線鋼管道延性裂紋的長程擴展，并能夠實現延性斷裂的柔性止裂，具有自重輕、強度高、柔韌性好、安裝比較簡易、不需對管線進行切割和重新焊接、節省時間、安裝過程中輸氣服務不中斷、耐化學腐蝕、長期服役效果良好的優點，具有良好的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于油氣輸送管道斷裂控制領域，涉及一種主要用于阻止高級別管線鋼管 道延性裂紋的長程擴展的止裂器，具體涉及一種碳纖維復合材料止裂器及其制作及安裝方 法。
技術介紹
天然氣是一種清潔能源，也是一種易燃、易爆的危險介質，通常采用管道運輸，管 道運輸具有運輸量大、連續、迅速、經濟、安全可靠的特點。管道在長期服役過程中，由于受 到地層壓力、腐蝕、疲勞、外部機械損傷等作用，造成管道開裂、泄漏等事故發生。高壓天然 氣管道一旦長程開裂將造成災巨大難和損失，因此必須保證管道的安全性。未來10至20年， 我國對潔凈能源天然氣的需求將繼續保持強勁增長勢頭，為了提高管道運輸的經濟性，天 然氣管道的發展趨勢是高鋼級、高壓、大口徑、大壁厚、大輸量，以提高輸送效率，降低建設 成本，滿足日益增長的市場需求。我國天然氣管道用管線鋼管近年來發展非常快，X70級別 鋼管在西氣東輸一線成功應用，西氣東輸二線管道工程大規模采用X80級別的鋼管。目前我 國正在積極研發X90、X100等高級別管線鋼的工程應用問題。 天然氣輸送管道鋼級、管徑、設計系數的提高以及高壓、富氣輸送工藝的采用，大 大提高了運營效益，同時給管道安全也提出了更高的要求。輸氣管道一旦開裂，管內高壓氣 體并不能立刻排空，而是由斷裂點向兩側各產生一個減壓波并向兩遠端傳播。由于氣體減 壓波速低于裂紋擴展速度，裂紋尖端就會持續的保持高應力狀態，裂紋也會持續的高速擴 展，容易導致輸氣管道延性裂紋的長程擴展問題，輸氣管道通常呈延性斷裂特征。管材的止 裂韌性是材料抵抗延性裂紋擴展能力的度量，然而對于高級別管線鋼(X90及以上），現有的 全尺寸氣體爆破試驗結果表明，其難以依靠自身韌性進行止裂，這已經成為嚴重威脅管線 安全并制約高級別管線鋼應用的瓶頸問題。 當管線鋼自身的韌性不能保證阻止延性裂紋擴展時，需采用一些外部機械裝置， 即止裂器(Crack Arrestor)來預防、阻止管道的延性裂紋長距離擴展。止裂器有不同的形 態，根據在輸氣管道上的安裝方法不同可以分為兩類:整體止裂器和非整體止裂器。整體止 裂器通常由不同于主管道力學性能和幾何尺寸的厚壁或高韌性管段或管環組成，成為管道 的一部分。非整體止裂器主要分為鋼套筒止裂器和纖維復合材料纏繞帶止裂器，鋼套筒止 裂器又分為緊套筒、松套筒或灌漿套筒止裂器。在已有的管線上安裝整體止裂器需要對管線進行切割和重新焊接，耗費時間且成 本高。此外，生產高韌性厚壁鋼管存在工藝技術困難，需考慮不同級別和壁厚的鋼管的匹配 和焊接可行性問題。 鋼套筒止裂器雖被認為是非整體止裂器，但其安裝容易程度不如纖維復合材料纏 繞帶止裂器，尤其是安裝在已有的管線上，鋼套筒止裂器需要對管線進行切割和重新焊接。 整體止裂器和鋼套筒止裂器常用于新建管線，通常在管線鋪設前安裝止裂器。對 于已建管線和新建管線，可選用纖維復合材料止裂器，自重輕，安裝比較簡單，不需對管線 進行切割和重新焊接，節省時間，安裝過程中輸氣服務不中斷，耐化學腐蝕。 此外，止裂器應促進裂紋柔性止裂，突然止裂會導致裂紋在進入時產生環切(ring off)現象，鋼管沿環向開裂，從而使鋼管被沖出溝槽，對管線和周圍環境造成嚴重后果。 要實現裂紋柔性止裂可通過避免斷裂阻力的突然增加，如局部壁厚的突然增加或 者對裂口兩側的約束作用突然增加。可通過改變止裂器兩端口的形狀，使止裂器的厚度逐 漸增加，對裂紋提供逐漸增加的約束作用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供，該碳纖 維復合材料止裂器能夠有效阻止高級別管線鋼管道延性裂紋的長程擴展，能夠實現延性斷 裂的柔性止裂。 為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案為： -種碳纖維復合材料止裂器，該碳纖維復合材料止裂器由碳纖維止裂器主體和包 裹在碳纖維止裂器主體外表面的冷纏帶構成，其中碳纖維止裂器主體由若干層滲透有碳纖 維布膠粘劑的碳纖維布逐層纏繞并固化成型后得到，碳纖維止裂器主體的形狀為圓筒形， 其兩端設有坡口，且其內徑與管材的外徑相匹配。 所述的碳纖維復合材料止裂器的長度為1~1.5m，厚度為管材壁厚的1~1.5倍。 所述的碳纖維復合材料止裂器兩端的坡口的角度為20~45°。 所述的碳纖維復合材料止裂器的制作及安裝方法，包括以下步驟： 1)設計好碳纖維復合材料止裂器的長度和厚度，并在管材表面標記碳纖維復合材 料止裂器的安裝位置； 2)按照標記對管材表面打磨除銹，再將打磨過的管材表面清洗干凈，排除雜物； 3)在清洗干凈的管材表面涂刷絕緣底膠并晾干； 4)在絕緣底膠上涂刷一層碳纖維布膠粘劑，然后開始纏繞碳纖維布，纏好后往復 碾壓，趕出氣泡，使碳纖維布平直、延展，并使碳纖維布膠粘劑充分滲透纖維布，每纏一圈碳 纖維布涂刷一次碳纖維布膠粘劑，直至纏完，同時在整個纏繞過程中形成兩端的坡口； 5)待碳纖維布膠粘劑固化后，測量得到的碳纖維止裂器主體的厚度，若達到設計 要求，則進行步驟6)，否則重復進行步驟4)，直至最終得到的碳纖維止裂器主體的厚度達到 設計要求； 6)采用冷纏帶對碳纖維止裂器主體的外表面進行包裹，即在管材表面完成了碳纖 維復合材料止裂器的制作及安裝。 所述的碳纖維布的抗拉強度2 1800MPa，抗拉模量2 130GPa，斷后延長率2 1.3%。 所述的絕緣底膠為環氧樹脂類絕緣膠或酚醛樹脂類絕緣膠。所述的碳纖維布膠粘劑為A、B雙組分環氧類膠粘劑。 按質量份數計，A、B雙組分環氧類膠粘劑中，A組分由40~75份E44環氧樹脂、40~ 65份CYD127環氧樹脂、1~15份納米固體橡膠膠粉、0~20份環保活性稀釋劑601和0~15份 消泡劑555組成，B組分由20~30份改性胺固化劑593、3~8份氣相二氧化硅和1~6份硅烷偶 聯劑KH550組成。所述的碳纖維布膠粘劑的粘度< 7500mPa. s，抗壓強度2 75MPa，抗拉強度2 30MPa，彎曲強度2 40MPa，鋼-鋼拉伸剪切強度2 lOMPa。相對于現有技術，本專利技術的有益效果為：本專利技術提供的碳纖維復合材料止裂器，其主要原理是，用碳纖維布包裹管材，并用 碳纖維布膠粘劑將其固定在管材上，對管材產生局部約束作用從而阻止裂紋擴展。碳纖維 復合材料止裂器兩端為坡口形狀，從兩端向中間碳纖維復合材料止裂器的壁厚和對鋼管的 約束力逐漸增加，使載荷均勻分布在碳纖維復合材料止裂器上，避免發生環切(ring off)， 從而實現裂紋柔性止裂。本專利技術提供的碳纖維復合材料止裂器主要用于阻止高級別管線鋼 管道延性裂紋的長程擴展，適用于X90及以上高級別管線鋼，能夠有效阻止高級別管線鋼管 道延性裂紋的長程擴展，并能夠實現延性斷裂的柔性止裂，具有自重輕、強度高、柔韌性好、 安裝比較簡易、不需對管線進行切割和重新焊接、節省時間、安裝過程中輸氣服務不中斷、 耐化學腐蝕、長期服役效果良好的優點，具有良好的應用前景。 本專利技術提供的碳纖維復合材料止裂器的制作及安裝方法，通過碳纖維布膠粘劑將 碳纖維布纏繞、粘貼在管材的外表面，形成碳纖維復合材料止裂器。該方法步驟簡單，易于 實施，不需對管線進行切割和重新焊接，節省時間，安裝過程中輸氣服務不中斷，適于在現 有管路上進行現場施工，具有良好的應用前景。【附圖說明】 圖1為本專利技術提供的碳纖維復合材料止裂本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳纖維復合材料止裂器，其特征在于：該碳纖維復合材料止裂器由碳纖維止裂器主體和包裹在碳纖維止裂器主體外表面的冷纏帶構成，其中碳纖維止裂器主體由若干層滲透有碳纖維布膠粘劑的碳纖維布逐層纏繞并固化成型后得到，碳纖維止裂器主體的形狀為圓筒形，其兩端設有坡口，且其內徑與管材的外徑相匹配。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：池強，李鶴，馬衛鋒，胡美娟，張繼明，楊坤，張偉衛，黃呈帥，王鵬，齊麗華，
申請(專利權)人：中國石油天然氣集團公司，中國石油天然氣集團公司管材研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11