[发明专利]一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法

说明书

本发明公开了一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，根据管道结构和应力参数计算管道应力比；采用BWRS状态方程计算天然气减压波；根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台；根据管道应力比和天然气减压波平台判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：根据不同条件下的止裂器厚度确定止裂器的长度和两端坡口。同时，在设计玻璃纤维复合材料止裂器的力学性能时，规定了抗拉强度、弹性模量和极限应变三个力学性能参数。该方法能有效阻止X100管道中延性裂纹的长程扩展，实现延性长程扩展裂纹的柔性止裂。

技术领域

本发明属于天然气输送管道断裂控制领域，涉及一种用于阻止X100输气管道(包含富气和贫气)延性裂纹长程扩展的柔性止裂方法，具体涉及一种玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法。

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，宜造成管道开裂、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。因此必须采取措施保证管道的安全性。

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。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。目前世界各国正在积极研发X100高级别管线钢的工程应用问题。

然而现有的全尺寸气体爆破试验结果表明，X100管道一旦产生失稳扩展的裂纹，其难以依靠自身韧性进行止裂，这已经成为严重威胁X100管线安全并制约X100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，需采用一些外部装置，即止裂器来预防、阻止管道的延性裂纹长距离扩展。

玻璃纤维复合材料作为一种修复补强手段已广泛应用于管道的建设和维护中，用于抑制裂纹的启裂。然而当玻璃纤维复合材料用作止裂器时，目前还缺乏设计方法和规范，这极大的限制了玻璃纤维复合材料止裂器的应用。

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止裂器时产生环切(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来实现。钢管壁厚的突然增加或者对裂口两侧约束作用的突然增加，都会造成环切现象。可通过改变止裂器两端端口形状，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。

发明内容

本发明根据有限元计算和全尺寸气体爆破试验结果修正，提出了一种用于X100输气管道的玻璃纤维复合材料止裂器设计方法，可实现X100管道中延性裂纹的止裂功能。采用管道工程修复补强中(防止管道中缺陷的长大和起裂)常用的玻璃纤维复合材料，通过合理的结构和强度设计，该方法能有效阻止X100管道中延性裂纹的长程扩展，实现延性断裂的柔性止裂。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种用于X100输气管道玻璃纤维复合材料止裂器的设计方法，包括如下步骤：

1)根据管道结构和应力参数计算管道应力比；

2)根据管道温度、压力及输送天然气组分，采用BWRS状态方程计算天然气减压波；

3)根据天然气减压波曲线判断是否存在减压波平台：

如果减压波曲线为光滑曲线，减压波压力随着减压波速度降低而降低，则天然气不存在减压波平台；如果减压波曲线中存在减压波速度降低而减压波压力保持不变的情况，则天然气存在减压波平台；

4)根据管道应力比和步骤3)的判断结果，确定不同条件下的止裂器厚度：