柔性管道接头中环氧树脂胶黏剂粘接的力学特性研究

摘要

随着胶黏剂的发展，粘接体系在航空航天、车辆等领域有着广泛的应用，但是由于海洋水环境下对胶黏剂的使用要求比较苛刻，胶黏剂在海洋资源开发装备领域应用和研究都非常少。环氧树脂胶黏剂因其胶结结构具有良好的强度，应用的非常的普遍，而有效地应用，这种胶黏剂对设计新型粘接结构实现装备更新特别重要。海洋资源开发中，柔性管道起着重要作用，而接头为管道与船、平台等之间的连接关键装备，其连接性能决定管道的承载能力。接头的连接部分是环氧树脂胶黏剂与管道抗拉铠装层的粘接锁合，正是由于接头加工工艺及胶黏剂性能的限制，致使我们自主设计研发的接头强度不够，严重影响了管道的铺设水深。本文对柔性管道的连接部分，围绕环氧树脂粘接技术及接头粘接强度问题展开研究，对接头连接强度的提高与预测有重要意义，研究内容如下几个方面。 1）本文首先介绍了粘接技术、环氧树脂胶黏剂的应用情况，非粘接柔性管道结构和其接头粘接连接机理，对粘接接头的连接失效机理进行了分析。 2）然后针对柔性管道接头的应用到高强度拉伸工况，重点考虑金属铠装钢丝与环氧树脂胶黏剂的粘接连接，对接头粘接问题进行研究。包含高强度环氧树脂胶黏剂的制备、胶黏剂材料性能测试、粘接模型数值模拟计算、直钢丝拉伸、折弯钢丝拉伸的实验及数值模拟验证。 3）本文着重考虑了胶黏剂的剪切性能对接头连接强度的作用，利用端羧基丁腈橡胶增韧剂及SiO2、Al2O3等不同纳米填料改性环氧树脂胶黏剂，并对其性能进行测试与分析，发现在加入质量分数相同时SiO2对胶黏剂的拉伸强度提高最大，而加入Al2O3对其剪切强度提升最大。同时对粘接层厚度进行分析，发现粘接层的厚度在小于1mm时连接强度最大且变化不大，得到适应于海洋管道接头高强度的环氧树脂胶黏剂； 4）对厚粘接层直钢丝拉伸模型进行数值和实验的分析，发现粘接厚度在大于5mm时，粘接强度并不随着胶体厚度的变化而变化；分析弯折钢丝粘接拉伸模型，胶体厚度对粘接试件失效形式影响却非常大，且进行拉伸时可以进行两次胶体断裂，胶体厚度为7.5mm时，发生混合失效，很明显的提高接头连接性能，对接头进行二次连接保护； 5）最后将改性后胶黏剂应用到柔性管道接头连接中，对管道接头的连接强度进行原型实验验证，分析实验数据，证明接头粘接连接强度满足条件，达到了服役标准。

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