[发明专利]一种基于FRP的海底管道扣入式止屈器

说明书

技术领域

本发明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方法。

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(FiberReinforcedPlasticsFRP)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。