一种强化碳纤维布复合层的构造方法以及应用该方法的管道止裂器

摘要

一种可活动强化碳纤维布复合层的构造方法以及应用该方法的管道止裂器。主要目的在于提供一种可对管道上各向裂纹均有较强的柔性止裂作用的管道止裂器。其特征在于：将至少四层具有相同形状的强化碳纤维布相铺叠，通过粘结剂浸渍后固化成强化碳纤维布复合层；所述每层强化碳纤维布的抗拉方向之间按照由上至下的顺序交替存在夹角，所述夹角范围在15o～60o之间；所述各角度强化碳纤维布由至少两张主纤维方向一致的强化碳纤维布叠加在一起构成；在强化碳纤维布复合层的中段留有一条没有粘结剂浸渍的非固化带。利用本方法构造的止裂器能够有效阻止管道各类裂纹的扩展，实现管线延性断裂的柔性止裂。

说明书

技术领域

本发明涉及油气输送管道断裂控制领域，主要是涉及一种用于阻止高钢级管线钢管道延性裂纹长程扩展的装置以及制造方法。

背景技术

天然气作为我国最重要能源资源之一，也是一种易燃、易爆的危险介质，主要依托管道进行长距离运输。为降低管线工程的建设投资，节省用钢量，各国的输气管线都倾向于使用大口径、高强度的高钢级管道。目前，高强度管线钢在我国也运用广泛，如西气东输二线己全面采用Ｘ80管线钢，Ｘ90和Ｘ100也处于研制中。

高钢级管线钢具有更好的抗拉强度，但由于其屈强比较高，且多采用薄壁设计，所以对止裂韧性有很高的要求。研究表明，Ｘ100、X120等超高强度管线钢在实际工程环境下，条件往往超出了延性止裂的上限，管道时常处于发生开裂的边缘，输气管道一旦开裂,管内高压气体并不能立刻排空,而是由断裂点向两侧各产生一个减压波并向两远端传播。由于气体减压波速低于裂纹扩展速度,裂纹尖端就会持续的保持高应力状态,裂纹也会持续的高速扩展,容易导致输气管道延性裂纹的长程扩展问题,输气管道通常呈延性断裂特征。而延性断裂很难依靠自身初性达到止裂。当管线钢自身的韧性不能保证阻止延性裂纹扩展时，需采用一些外部机械装置,即止裂器(Crack Arrestor)来预防、阻止管道的延性裂纹长距离扩展。

当前存在的止裂器有不同的形态,根据在输气管道上的安装方法不同可以分为两类:整体止裂器和非整体止裂器。整体止裂器通常由不同于主管道力学性能和几何尺寸的厚壁或高韧性管段或管环组成,成为管道的一部分。非整体止裂器主要分为钢套筒止裂器和纤维复合材料缠绕带止裂器。

在已建成管线上安装整体止裂器需要对管线进行切割和重新焊接，耗费时间及经济成本高。

钢套筒止裂器虽被认为是非整体止裂器，但是其自重大、强度相比于复合材料较小、且由于其结构特性的限制，只能对轴向裂纹有较好的止裂作用。由于钢套筒的硬度比较大，因此在安装过程中也容易造成管道的二次损伤。

现存的复合材料止裂器虽然具有自重轻，强度大等优点，但是由于其仅是采用单向碳纤维布多层缠绕的结构，因此只对轴向裂纹有足够的限制而不能较好的控制其他方向的裂纹，且由于其制作安装都必须在现场进行，对施工环境和安装人员具有很高的要求。安装过程繁琐，不能批量化生产。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种采用新型碳纤维构造结构的管道止裂器以及制造该种止裂器的方法，该种止裂器能够有效阻止管道各类裂纹的扩展，实现管线延性断裂的柔性止裂。

本发明的技术方案是：

首先给出用于制作该种止裂器的强化碳纤维布复合层的构造方法，该方法为：将至少四层具有相同形状的强化碳纤维布相铺叠，通过粘结剂浸渍后固化成强化碳纤维布复合层；所述每层强化碳纤维布的抗拉方向之间按照由上至下的顺序交替存在夹角，所述夹角范围在15^o～60^o之间；所述各角度强化碳纤维布由至少两张主纤维方向一致的强化碳纤维布叠加在一起构成。另外，为了实现强化碳纤维布复合层的活动，需要在所述强化碳纤维布复合层的中段留有一条没有粘结剂浸渍的非固化带；构成所述每层强化碳纤维布的每张碳纤维布的抗拉强度需要大于或者等于3000MPa，抗拉模量需要大于或者等于200GPa。

下面给出管道止裂器的结构：包括环状碳纤维层合结构与粘贴在环状碳纤维层合结构外表面的金属保护层，其独特之处在于：所述环状碳纤维层合结构采用通过上面所述方法制造的强化碳纤维布复合层；

其中，环状碳纤维层合结构上的非固化带被称为非预浸渍固化带，位于环状碳纤维层合结构的中部；金属保护层采用镀锌铁板制成，包裹在环状碳纤维层合结构的表面；环状碳纤维层合结构与金属保护层粘合后，成为一个带有两条封闭边的空心未封闭圆筒；所述封闭边由碳纤维层合结构连接外缘和金属保护层连接外缘连接后构成；所述空心未封闭圆筒的左右两端的端口为坡口；所述坡口的坡面的倾斜角度范围在40^o到60^o之间。

下面给出在工厂预制造管道止裂器的方法，该方法由如下步骤构成：

第一步，首先根据管道的直径选择与之相同直径的聚四氟乙烯管道模具；

第二步，裁剪出抗拉方向不同的同形状碳纤维布；裁减中需要确保每层强化碳纤维布的抗拉方向之间按照由上至下的顺序交替存在夹角，根据不同的铺设角度依次铺叠起来；

第三步，在第二步得到的碳纤维布层上的非固化带处缠绕粘贴一条10cm左右宽的透明胶带以防止该处被粘结剂浸渍；

第四步，将第三步中得到的多层碳纤维布的最底层包裹在第一步中制得的聚四氟乙烯管道模具上；碳纤维布上延伸出的用于作为连接外缘的部分使用长条状夹具夹住；避开长条状夹具和透明胶带处涂刷粘结剂进行浸渍；直待最底层固化完成；

第五步，按照第四步的处理方式处理倒数第二层，并依次重复该步骤直到最外层碳纤维布被处理完毕构成管形的碳纤维复合材料层合结构；

第六步，在碳纤维复合材料层合结构外表面涂刷粘结剂，该涂刷过程同样避开粘贴有透明胶带的区域和碳纤维布上延伸出的用于作为连接外缘的部分；

第七步，将与管形的碳纤维复合材料层合结构形状相同且两端伸出作为连接外缘的镀锌铁板包裹在碳纤维复合材料层合结构上；使用夹具夹住镀锌铁板的连接外缘；

第八步，待碳纤维复合材料层合结构与镀锌铁板之间的连接固化后，去掉夹具，浸渍碳纤维布层连接外缘处各层碳纤维布，然后将碳纤维布层连接外缘与作为金属保护层的镀锌铁板的连接外缘通过粘接胶粘为一体，构成上下两条封闭边；

第九步，待整个结构完全固化后，将其从聚四氟乙烯管道模具上取下；撕下透明胶带；使用激光在封闭边上钻孔；再按照所需管道止裂器的长度进行切割。

本发明具有如下有益效果：

本种止裂器环上采用的强化碳纤维布复合层中的每层强化碳纤维布的抗拉方向之间按照由上至下的顺序交替存在夹角，各角度强化碳纤维布层由至少两张主纤维方向一致的强化碳纤维布叠加在一起构成，从而使得各层碳纤维布的抗拉方向不同，这样对管道上各向裂纹均有较强的柔性止裂作用，达到发挥碳纤维布最大限制裂纹延性扩展的效用。从而解决了现有的碳纤维布管道止裂器只对轴向裂纹有限制的缺陷。

另外，由于本发明所述止裂器为一体结构，生产加工完全在室内进行，通过一条非预浸渍固化带使得该止裂器具有可活动性，现场安装十分简便，对施工环境要求低。并且该止裂器结构可实现批量化生产，具有较低的生产成本。本发明所述的止裂器在环状碳纤维层合结构表面设置了一层金属保护层，其材质为镀锌铁板，具有硬度大、强度高、耐腐蚀性好的优点。该金属保护层可较好地保护复合材料层合结构不受外界环境的破坏。

综上所述，本种止裂器适用于新建设或已投产管道，具有不停输、不动火、简单快捷的特点，为在役不停运、不降压输送管道的断裂控制提供了一种妥善有效的解决方法。

附图说明：

图1为本发明所述管道止裂器安装于管道上后的结构剖视图

图2为本发明所述管道止裂器未安装时的结构示意图。

图3 为本发明所述管道止裂器的俯视图。

图4为展示本发明所述管道止裂器上非固化区域的示意图。

图5是具体实施时，多层强化碳纤维布相铺叠的过程示意图。

图6是具体实施时，裁剪出抗拉方向不同的同形状碳纤维布的结构示意图。

图7是具体实施时若干层同形状碳纤维布固化完毕后，所存在的各种抗拉方向的示意图，以抗拉方向之间交替夹角的角度45^o为例。

图中1-螺栓，2-夹板，3-金属保护层连接外缘，4-碳纤维层合结构连接外缘，5-环状碳纤维层合结构，6-非预浸渍固化带，7-金属保护层，8-连接孔，9-坡口，10-连接板，11-第一层强化碳纤维布层，12-第二层强化碳纤维布层，13-第三层强化碳纤维布层，14-按照不同交替角度铺叠完成并切割成同一形状后的未固化的强化碳纤维布复合层，15-非预浸渍固化带的分界线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先给出用于制作该种止裂器的强化碳纤维布复合层的构造方法，该方法为：将至少四层具有相同形状的强化碳纤维布相铺叠，通过粘结剂浸渍后固化成强化碳纤维布复合层；所述每层强化碳纤维布的抗拉方向之间按照由上至下的顺序交替存在夹角，所述夹角范围在15^o～60^o之间；所述各角度强化碳纤维布由至少两张主纤维方向一致的强化碳纤维布叠加在一起构成。另外，为了实现强化碳纤维布复合层的活动，需要在所述强化碳纤维布复合层的中段留有一条没有粘结剂浸渍的非固化带；构成所述强化碳纤维布的每张碳纤维布的抗拉强度需要≥3000MPa，抗拉模量需要≥200GPa。

具体实施方式可参照图5所示，将第一层强化碳纤维布层11、第二层强化碳纤维布层12和第三层强化碳纤维布层13以及其它依次排列的强化碳纤维布层，由上至下铺叠放置，铺叠时注意要旋转下一层的强化碳纤维布层的摆放角度，使得每层强化碳纤维布的抗拉方向之间按照由上至下的顺序交替存在夹角。如图5所示，A、B、C的方向指向的分别就是第一、二、三层强化碳纤维布层的抗拉方向，旋转后A方向与B方向之间就存在了夹角，C方向与B方向之间也存在了夹角。将按照设计要求的具有交替抗拉方向夹角的若干层强化碳纤维布层铺叠好后，用切刀切成同一形状，如图6所示，然后在强化碳纤维布布面的中部划上两条非预浸渍固化带的分界线15，两条线中间的区域就是非预浸渍固化带6。

图7是具体实施时，以抗拉方向之间交替夹角的角度45^o为例，若干层同形状碳纤维布固化完毕后，所存在的各种抗拉方向的示意图。

如图1至图4所示，下面给出利用上面方法制造的一种管道止裂器的结构：该种管道止裂器包括环状碳纤维层合结构5与粘贴在环状碳纤维层合结构5外表面的金属保护层7，其独特之处在于：所述环状碳纤维层合结构采用强化碳纤维布复合层。

其中，环状碳纤维层合结构5上的非固化带被称为非预浸渍固化带6，位于环状碳纤维层合结构5的中部；金属保护层7采用镀锌铁板制成，包裹在环状碳纤维层合结构5的表面；环状碳纤维层合结构5与金属保护层7结合后，成为一个带有两条封闭边10的空心未封闭圆筒；所述封闭边由碳纤维层合结构连接外缘4和金属保护层连接外缘3连接后构成；

所述空心未封闭圆筒的左右两端的端口为坡口9；所述坡口的坡面的倾斜角度范围在40^o到60^o之间。

下面给出制造管道止裂器的方法，该方法由如下步骤构成：

第一步，首先根据管道的直径选择与之相同直径的聚四氟乙烯管道模具；

第二步，裁剪出抗拉方向不同的同形状碳纤维布；裁减中需要确保每层强化碳纤维布的抗拉方向之间按照由上至下的顺序交替存在夹角，根据不同的铺设角度依次铺叠起来；

第三步，在第二步得到的碳纤维布层上的非固化带处缠绕粘贴一条10cm左右宽的透明胶带以防止该处被粘结剂浸渍；

第四步，将第三步中得到的多层碳纤维布的最底层包裹在第一步中制得的聚四氟乙烯管道模具上；碳纤维布上延伸出的用于作为连接外缘的部分使用长条状夹具夹住；避开长条状夹具和透明胶带处涂刷粘结剂进行浸渍；直待最底层固化完成；

第五步，按照第四步的处理方式处理倒数第二层，并依次重复该步骤直到最外层碳纤维布被处理完毕构成管形的碳纤维复合材料层合结构；

第六步，在碳纤维复合材料层合结构外表面涂刷粘结剂，该涂刷过程同样避开粘贴有透明胶带的区域和碳纤维布上延伸出的用于作为连接外缘的部分；

第七步，将与管形的碳纤维复合材料层合结构形状相同且两端伸出作为连接外缘的镀锌铁板包裹在碳纤维复合材料层合结构上；使用夹具夹住镀锌铁板的连接外缘；

第八步，待碳纤维复合材料层合结构与镀锌铁板之间的连接固化后，去掉夹具，浸渍碳纤维布层连接外缘处各层碳纤维布，然后将碳纤维布层连接外缘与作为金属保护层的镀锌铁板的连接外缘通过粘接胶粘为一体，构成上下两条封闭边；

第九步，待整个结构完全固化后，将其从聚四氟乙烯管道模具上取下；撕下透明胶带；使用激光在封闭边上钻孔；再按照所需管道止裂器的长度进行切割。

具体实施时，可按照止裂器的长度为管道壁厚的1.5-2.5倍确定。其中环状碳纤维复合材料层合结构厚度为0.8～3mm，内径与管道外径相同，且不得有正偏差。金属保护层厚度为3～10mm。

止裂器的金属保护层与碳纤维层合结构之间通过粘结剂粘贴为一体。

本发明中所述浸渍固化所用胶为胶结剂A或胶结剂B或胶结剂C，其拉伸强度≥50MPa，剪切强度≥10MPa，正拉黏结强度MPa≥5MPa。

表1本发明所用胶结剂的配方

表1

表2本发明所采用粘贴剂的力学性能

拉伸强度MPa剪切强度MPa正拉黏结强度MPa≥50≥10≥5

表2

表3本发明所采用粘贴剂的固化时间

表3

参照表3，粘贴胶C的固化速度最慢，使用时间最长，可用于夏季高环境温度(30^oC以上)的条件。粘贴胶A、B的固化速度较快，允许操作的时间最短，可用于冬季的低环境温度(5^oC左右)条件。

下面给出本发明所述止裂器的安装方法为：

具体步骤为:

1.确定需施工的部位和止裂器所要包裹的范围，用粉笔作出标记。然后进行表面清洁、打磨、补洞处理；在待施工的管道范围表面均匀涂刷一层找平胶，形成光滑表面。本发明以粘贴剂A为找平胶。

2.待步骤1中所述找平胶风干后再进行涂刷底胶，本发明以粘贴剂B为底胶。底胶应在容器中搅拌均匀。底胶搅拌均匀后使用干净的毛刷、辊子或其它一些机械方法喷涂。涂刷在止裂器上的底漆应无漏涂、无气泡、凝块和流挂等缺陷，应形成均匀的薄膜。厚度应大于或等于30 um。

3.待步骤2中所述底胶完全固化后，在管道待处理表面涂抹配套胶结剂，涂抹均匀后，将止裂器的非预浸渍固化带内各层碳纤维布和环状复合材料连接板内侧使用胶结剂浸渍，然后将止裂器包裹在待处理管段上（此过程应该在半小时之内完成）。

4.通过螺栓连接止裂器的连接板。

该止裂器可使用在X80以上级别的管线钢制成的管道上，由于层合结构由不同方向的碳纤维布浸渍固化而成，对管道上各向裂纹均有较强的柔性止裂作用。且该止裂器制作加工完全在室内进行，具有容易实现批量化生产、结构一体化，安装使用方便、耐腐蚀能力强的优点。