[发明专利]一种基于碳纤维的缠绕式海底管道止屈器

说明书

技术领域

本发明属于海底管道铺设技术领域，涉及一种基于碳纤维的缠绕式海底管道止屈器。

背景技术

石油与天然气作为国家战略能源，在过去几十年间需求量不断增加，为适应能源需求，石油开采也从陆地逐步向海洋发展。海底管道是海洋油气集输和储运生产中的重要组成部分。深水海底管道一旦建成后，几乎不受地形、海况等限制，因其具有运输量大，运输效率高等优点而迅猛发展。但与此同时，从近海走向深海的过程中，海底管道经受了特殊海洋环境带来的巨大挑战。深水海底管道往往铺设在距海平面有一定深度的海床上，管道承受巨大的海水静压；抛锚相当于集中力作用，使海底管道产生几何变形；管道受波浪、海流等影响容易产生过大弯矩。除此之外，海洋环境以及输送介质可能对管道构成腐蚀。深海海底的复杂环境使得海底管道发生局部屈曲难以避免。造成深水海底管道的原因除了特殊海洋条件，还包括管道本身的不圆度以及径厚比。这些原因可以诱发屈曲，而深水海底管道所处深水环境，承受海水静压，容易造成屈曲的轴向传播。

屈曲是结构丧失承载能力的一种形式，指结构丧失了保持原有平衡状态的能力。局部屈曲失稳发生后，破坏管道结构，进而使管道完整性受损。屈曲起始压力为P_i，屈曲传播压力为P_p，当最大外压低于屈曲起始压力P_i时，仅发生弯曲屈曲，而最大外压大于屈曲传播压力为P_p时，则弯曲传播会持续到外压小于等于P_p。当最大外压大于屈曲起始压力P_i时，局部屈曲与弯曲屈曲则会轴向传播，直到外压小于等于P_p。一般，屈曲传播压力P_p小于屈曲起始压力P_i，因此仅需大于屈曲传播压力P_p的压力就会造成屈曲传播。海底管道屈曲一旦发生传播，传播速度可达每秒数百米，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，增加管道壁厚可抑制屈曲传播。但是以屈曲传播压力来设计管道，将使管道的壁厚过厚，经济上并不可行。另一种限制屈曲传播的行之有效的方法是在海底管道一定间隔设置止屈器。止屈器可限制管道屈曲传播仅发生在相邻止屈器之间。止屈器的距离由不同项目的特点决定，一般来说距离90-180m比较合理。止屈器限制屈曲传播、保持管道完整性的特性，使海底管道铺设在经济性与安全性之间达到平衡，具有良好的工程应用前景。

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，分为扣入式、焊接式、缠绕式和整体式止屈器。扣入式止屈器是一个厚壁圆环，先旋到管道指定位置然后将其夹紧，其圆环内径比管道外径稍过盈；在扣入式止屈器与管道连接处进行焊接，形成焊接式止屈器；缠绕式止屈器式在指定位置用钢筋缠绕，两端与管道焊接相连；整体式止屈器内径与管道内径相同，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，且质量大。如何能够结合不同止屈器的优点达到连接简单、止屈效率高的工程应用目的是亟待解决的问题。本发明以解决这一问题为目标，结合缠绕式止屈器结构简单、施工方便的特点与碳纤维布强度高、质量轻、耐腐蚀的特点，摒弃传统缠绕式止屈器利用钢筋进行缠绕需进行焊接且止屈效率低的弊端，制作出基于碳纤维的海底管道缠绕式止屈器。

碳纤维是一种纤维聚合物，含碳量90％以上，由纤维丝在温度千度以上碳化而成。碳纤维密度小、质量轻，其密度仅为钢材密度的25％、铝合金密度的50％；其次，碳纤维强度高，大概为钢材的5-6倍；除此之外，碳纤维还具有弹性模量大、耐疲劳、耐腐蚀、抗蠕变等优良性能，在众多技术领域具有广泛应用。随着石油天然气工业对碳纤维进行加固研究的增多，基于碳纤维的深水海底管道缠绕式止屈器应运而生。