本發(fā)明涉及油氣輸送管道斷裂控制領(lǐng)域，主要是涉及一種用于阻止高鋼級(jí)管線鋼管道延性裂紋長程擴(kuò)展的裝置以及制造方法。
背景技術(shù)：
：天然氣作為我國最重要能源資源之一，也是一種易燃、易爆的危險(xiǎn)介質(zhì)，主要依托管道進(jìn)行長距離運(yùn)輸。為降低管線工程的建設(shè)投資，節(jié)省用鋼量，各國的輸氣管線都傾向于使用大口徑、高強(qiáng)度的高鋼級(jí)管道。目前，高強(qiáng)度管線鋼在我國也運(yùn)用廣泛，如西氣東輸二線己全面采用ｘ80管線鋼，ｘ90和ｘ100也處于研制中。高鋼級(jí)管線鋼具有更好的抗拉強(qiáng)度，但由于其屈強(qiáng)比較高，且多采用薄壁設(shè)計(jì)，所以對(duì)止裂韌性有很高的要求。研究表明，ｘ100、x120等超高強(qiáng)度管線鋼在實(shí)際工程環(huán)境下，條件往往超出了延性止裂的上限，管道時(shí)常處于發(fā)生開裂的邊緣，輸氣管道一旦開裂,管內(nèi)高壓氣體并不能立刻排空,而是由斷裂點(diǎn)向兩側(cè)各產(chǎn)生一個(gè)減壓波并向兩遠(yuǎn)端傳播。由于氣體減壓波速低于裂紋擴(kuò)展速度,裂紋尖端就會(huì)持續(xù)的保持高應(yīng)力狀態(tài),裂紋也會(huì)持續(xù)的高速擴(kuò)展,容易導(dǎo)致輸氣管道延性裂紋的長程擴(kuò)展問題,輸氣管道通常呈延性斷裂特征。而延性斷裂很難依靠自身初性達(dá)到止裂。當(dāng)管線鋼自身的韌性不能保證阻止延性裂紋擴(kuò)展時(shí)，需采用一些外部機(jī)械裝置,即止裂器(crackarrestor)來預(yù)防、阻止管道的延性裂紋長距離擴(kuò)展。當(dāng)前存在的止裂器有不同的形態(tài),根據(jù)在輸氣管道上的安裝方法不同可以分為兩類:整體止裂器和非整體止裂器。整體止裂器通常由不同于主管道力學(xué)性能和幾何尺寸的厚壁或高韌性管段或管環(huán)組成,成為管道的一部分。非整體止裂器主要分為鋼套筒止裂器和纖維復(fù)合材料纏繞帶止裂器。在已建成管線上安裝整體止裂器需要對(duì)管線進(jìn)行切割和重新焊接，耗費(fèi)時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本高。鋼套筒止裂器雖被認(rèn)為是非整體止裂器，但是其自重大、強(qiáng)度相比于復(fù)合材料較小、且由于其結(jié)構(gòu)特性的限制，只能對(duì)軸向裂紋有較好的止裂作用。由于鋼套筒的硬度比較大，因此在安裝過程中也容易造成管道的二次損傷?，F(xiàn)存的復(fù)合材料止裂器雖然具有自重輕，強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其僅是采用單向碳纖維布多層纏繞的結(jié)構(gòu)，因此只對(duì)軸向裂紋有足夠的限制而不能較好的控制其他方向的裂紋，且由于其制作安裝都必須在現(xiàn)場進(jìn)行，對(duì)施工環(huán)境和安裝人員具有很高的要求。安裝過程繁瑣，不能批量化生產(chǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決
背景技術(shù)：
中所提到的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種采用新型碳纖維構(gòu)造結(jié)構(gòu)的管道止裂器以及制造該種止裂器的方法，該種止裂器能夠有效阻止管道各類裂紋的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)管線延性斷裂的柔性止裂。本發(fā)明的技術(shù)方案是：首先給出用于制作該種止裂器的強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層的構(gòu)造方法，該方法為：將至少四層具有相同形狀的強(qiáng)化碳纖維布相鋪疊，通過粘結(jié)劑浸漬后固化成強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層；所述每層強(qiáng)化碳纖維布的抗拉方向之間按照由上至下的順序交替存在夾角，所述夾角范圍在15o～60o之間；所述各角度強(qiáng)化碳纖維布由至少兩張主纖維方向一致的強(qiáng)化碳纖維布疊加在一起構(gòu)成。另外，為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層的活動(dòng)，需要在所述強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層的中段留有一條沒有粘結(jié)劑浸漬的非固化帶；構(gòu)成所述每層強(qiáng)化碳纖維布的每張?zhí)祭w維布的抗拉強(qiáng)度需要大于或者等于3000mpa，抗拉模量需要大于或者等于200gpa。下面給出管道止裂器的結(jié)構(gòu)：包括環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)與粘貼在環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)外表面的金屬保護(hù)層，其獨(dú)特之處在于：所述環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)采用通過上面所述方法制造的強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層；其中，環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)上的非固化帶被稱為非預(yù)浸漬固化帶，位于環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)的中部；金屬保護(hù)層采用鍍鋅鐵板制成，包裹在環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)的表面；環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)與金屬保護(hù)層粘合后，成為一個(gè)帶有兩條封閉邊的空心未封閉圓筒；所述封閉邊由碳纖維層合結(jié)構(gòu)連接外緣和金屬保護(hù)層連接外緣連接后構(gòu)成；所述空心未封閉圓筒的左右兩端的端口為坡口；所述坡口的坡面的傾斜角度范圍在40o到60o之間。下面給出在工廠預(yù)制造管道止裂器的方法，該方法由如下步驟構(gòu)成：第一步，首先根據(jù)管道的直徑選擇與之相同直徑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狀碳纖維布；裁減中需要確保每層強(qiáng)化碳纖維布的抗拉方向之間按照由上至下的順序交替存在夾角，根據(jù)不同的鋪設(shè)角度依次鋪疊起來；第三步，在第二步得到的碳纖維布層上的非固化帶處纏繞粘貼一條10cm左右寬的透明膠帶以防止該處被粘結(jié)劑浸漬；第四步，將第三步中得到的多層碳纖維布的最底層包裹在第一步中制得的聚四氟乙烯管道模具上；碳纖維布上延伸出的用于作為連接外緣的部分使用長條狀?yuàn)A具夾?。槐荛_長條狀?yuàn)A具和透明膠帶處涂刷粘結(jié)劑進(jìn)行浸漬；直待最底層固化完成；第五步，按照第四步的處理方式處理倒數(shù)第二層，并依次重復(fù)該步驟直到最外層碳纖維布被處理完畢構(gòu)成管形的碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)；第六步，在碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)外表面涂刷粘結(jié)劑，該涂刷過程同樣避開粘貼有透明膠帶的區(qū)域和碳纖維布上延伸出的用于作為連接外緣的部分；第七步，將與管形的碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)形狀相同且兩端伸出作為連接外緣的鍍鋅鐵板包裹在碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)上；使用夾具夾住鍍鋅鐵板的連接外緣；第八步，待碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)與鍍鋅鐵板之間的連接固化后，去掉夾具，浸漬碳纖維布層連接外緣處各層碳纖維布，然后將碳纖維布層連接外緣與作為金屬保護(hù)層的鍍鋅鐵板的連接外緣通過粘接膠粘為一體，構(gòu)成上下兩條封閉邊；第九步，待整個(gè)結(jié)構(gòu)完全固化后，將其從聚四氟乙烯管道模具上取下；撕下透明膠帶；使用激光在封閉邊上鉆孔；再按照所需管道止裂器的長度進(jìn)行切割。本發(fā)明具有如下有益效果：本種止裂器環(huán)上采用的強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層中的每層強(qiáng)化碳纖維布的抗拉方向之間按照由上至下的順序交替存在夾角，各角度強(qiáng)化碳纖維布層由至少兩張主纖維方向一致的強(qiáng)化碳纖維布疊加在一起構(gòu)成，從而使得各層碳纖維布的抗拉方向不同，這樣對(duì)管道上各向裂紋均有較強(qiáng)的柔性止裂作用，達(dá)到發(fā)揮碳纖維布最大限制裂紋延性擴(kuò)展的效用。從而解決了現(xiàn)有的碳纖維布管道止裂器只對(duì)軸向裂紋有限制的缺陷。另外，由于本發(fā)明所述止裂器為一體結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)加工完全在室內(nèi)進(jìn)行，通過一條非預(yù)浸漬固化帶使得該止裂器具有可活動(dòng)性，現(xiàn)場安裝十分簡便，對(duì)施工環(huán)境要求低。并且該止裂器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，具有較低的生產(chǎn)成本。本發(fā)明所述的止裂器在環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)表面設(shè)置了一層金屬保護(hù)層，其材質(zhì)為鍍鋅鐵板，具有硬度大、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)。該金屬保護(hù)層可較好地保護(hù)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)不受外界環(huán)境的破壞。綜上所述，本種止裂器適用于新建設(shè)或已投產(chǎn)管道，具有不停輸、不動(dòng)火、簡單快捷的特點(diǎn)，為在役不停運(yùn)、不降壓輸送管道的斷裂控制提供了一種妥善有效的解決方法。附圖說明：圖1為本發(fā)明所述管道止裂器安裝于管道上后的結(jié)構(gòu)剖視圖圖2為本發(fā)明所述管道止裂器未安裝時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述管道止裂器的俯視圖。圖4為展示本發(fā)明所述管道止裂器上非固化區(qū)域的示意圖。圖5是具體實(shí)施時(shí)，多層強(qiáng)化碳纖維布相鋪疊的過程示意圖。圖6是具體實(shí)施時(shí)，裁剪出抗拉方向不同的同形狀碳纖維布的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是具體實(shí)施時(shí)若干層同形狀碳纖維布固化完畢后，所存在的各種抗拉方向的示意圖，以抗拉方向之間交替夾角的角度45o為例。圖中1-螺栓，2-夾板，3-金屬保護(hù)層連接外緣，4-碳纖維層合結(jié)構(gòu)連接外緣，5-環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)，6-非預(yù)浸漬固化帶，7-金屬保護(hù)層，8-連接孔，9-坡口，10-連接板，11-第一層強(qiáng)化碳纖維布層，12-第二層強(qiáng)化碳纖維布層，13-第三層強(qiáng)化碳纖維布層，14-按照不同交替角度鋪疊完成并切割成同一形狀后的未固化的強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層，15-非預(yù)浸漬固化帶的分界線。具體實(shí)施方式：下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：首先給出用于制作該種止裂器的強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層的構(gòu)造方法，該方法為：將至少四層具有相同形狀的強(qiáng)化碳纖維布相鋪疊，通過粘結(jié)劑浸漬后固化成強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層；所述每層強(qiáng)化碳纖維布的抗拉方向之間按照由上至下的順序交替存在夾角，所述夾角范圍在15o～60o之間；所述各角度強(qiáng)化碳纖維布由至少兩張主纖維方向一致的強(qiáng)化碳纖維布疊加在一起構(gòu)成。另外，為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層的活動(dòng)，需要在所述強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層的中段留有一條沒有粘結(jié)劑浸漬的非固化帶；構(gòu)成所述強(qiáng)化碳纖維布的每張?zhí)祭w維布的抗拉強(qiáng)度需要≥3000mpa，抗拉模量需要≥200gpa。具體實(shí)施方式可參照圖5所示，將第一層強(qiáng)化碳纖維布層11、第二層強(qiáng)化碳纖維布層12和第三層強(qiáng)化碳纖維布層13以及其它依次排列的強(qiáng)化碳纖維布層，由上至下鋪疊放置，鋪疊時(shí)注意要旋轉(zhuǎn)下一層的強(qiáng)化碳纖維布層的擺放角度，使得每層強(qiáng)化碳纖維布的抗拉方向之間按照由上至下的順序交替存在夾角。如圖5所示，a、b、c的方向指向的分別就是第一、二、三層強(qiáng)化碳纖維布層的抗拉方向，旋轉(zhuǎn)后a方向與b方向之間就存在了夾角，c方向與b方向之間也存在了夾角。將按照設(shè)計(jì)要求的具有交替抗拉方向夾角的若干層強(qiáng)化碳纖維布層鋪疊好后，用切刀切成同一形狀，如圖6所示，然后在強(qiáng)化碳纖維布布面的中部劃上兩條非預(yù)浸漬固化帶的分界線15，兩條線中間的區(qū)域就是非預(yù)浸漬固化帶6。圖7是具體實(shí)施時(shí)，以抗拉方向之間交替夾角的角度45o為例，若干層同形狀碳纖維布固化完畢后，所存在的各種抗拉方向的示意圖。如圖1至圖4所示，下面給出利用上面方法制造的一種管道止裂器的結(jié)構(gòu)：該種管道止裂器包括環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)5與粘貼在環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)5外表面的金屬保護(hù)層7，其獨(dú)特之處在于：所述環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)化碳纖維布復(fù)合層。其中，環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)5上的非固化帶被稱為非預(yù)浸漬固化帶6，位于環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)5的中部；金屬保護(hù)層7采用鍍鋅鐵板制成，包裹在環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)5的表面；環(huán)狀碳纖維層合結(jié)構(gòu)5與金屬保護(hù)層7結(jié)合后，成為一個(gè)帶有兩條封閉邊10的空心未封閉圓筒；所述封閉邊由碳纖維層合結(jié)構(gòu)連接外緣4和金屬保護(hù)層連接外緣3連接后構(gòu)成；所述空心未封閉圓筒的左右兩端的端口為坡口9；所述坡口的坡面的傾斜角度范圍在40o到60o之間。下面給出制造管道止裂器的方法，該方法由如下步驟構(gòu)成：第一步，首先根據(jù)管道的直徑選擇與之相同直徑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狀碳纖維布；裁減中需要確保每層強(qiáng)化碳纖維布的抗拉方向之間按照由上至下的順序交替存在夾角，根據(jù)不同的鋪設(shè)角度依次鋪疊起來；第三步，在第二步得到的碳纖維布層上的非固化帶處纏繞粘貼一條10cm左右寬的透明膠帶以防止該處被粘結(jié)劑浸漬；第四步，將第三步中得到的多層碳纖維布的最底層包裹在第一步中制得的聚四氟乙烯管道模具上；碳纖維布上延伸出的用于作為連接外緣的部分使用長條狀?yuàn)A具夾?。槐荛_長條狀?yuàn)A具和透明膠帶處涂刷粘結(jié)劑進(jìn)行浸漬；直待最底層固化完成；第五步，按照第四步的處理方式處理倒數(shù)第二層，并依次重復(fù)該步驟直到最外層碳纖維布被處理完畢構(gòu)成管形的碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)；第六步，在碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)外表面涂刷粘結(jié)劑，該涂刷過程同樣避開粘貼有透明膠帶的區(qū)域和碳纖維布上延伸出的用于作為連接外緣的部分；第七步，將與管形的碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)形狀相同且兩端伸出作為連接外緣的鍍鋅鐵板包裹在碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)上；使用夾具夾住鍍鋅鐵板的連接外緣；第八步，待碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)與鍍鋅鐵板之間的連接固化后，去掉夾具，浸漬碳纖維布層連接外緣處各層碳纖維布，然后將碳纖維布層連接外緣與作為金屬保護(hù)層的鍍鋅鐵板的連接外緣通過粘接膠粘為一體，構(gòu)成上下兩條封閉邊；第九步，待整個(gè)結(jié)構(gòu)完全固化后，將其從聚四氟乙烯管道模具上取下；撕下透明膠帶；使用激光在封閉邊上鉆孔；再按照所需管道止裂器的長度進(jìn)行切割。具體實(shí)施時(shí)，可按照止裂器的長度為管道壁厚的1.5-2.5倍確定。其中環(huán)狀碳纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)厚度為0.8～3mm，內(nèi)徑與管道外徑相同，且不得有正偏差。金屬保護(hù)層厚度為3～10mm。止裂器的金屬保護(hù)層與碳纖維層合結(jié)構(gòu)之間通過粘結(jié)劑粘貼為一體。本發(fā)明中所述浸漬固化所用膠為膠結(jié)劑a或膠結(jié)劑b或膠結(jié)劑c，其拉伸強(qiáng)度≥50mpa，剪切強(qiáng)度≥10mpa，正拉黏結(jié)強(qiáng)度mpa≥5mpa。表1本發(fā)明所用膠結(jié)劑的配方表1表2本發(fā)明所采用粘貼劑的力學(xué)性能拉伸強(qiáng)度mpa剪切強(qiáng)度mpa正拉黏結(jié)強(qiáng)度mpa≥50≥10≥5表2表3本發(fā)明所采用粘貼劑的固化時(shí)間表3參照表3，粘貼膠c的固化速度最慢，使用時(shí)間最長，可用于夏季高環(huán)境溫度(30oc以上)的條件。粘貼膠a、b的固化速度較快，允許操作的時(shí)間最短，可用于冬季的低環(huán)境溫度(5oc左右)條件。下面給出本發(fā)明所述止裂器的安裝方法為：具體步驟為:1.確定需施工的部位和止裂器所要包裹的范圍，用粉筆作出標(biāo)記。然后進(jìn)行表面清潔、打磨、補(bǔ)洞處理；在待施工的管道范圍表面均勻涂刷一層找平膠，形成光滑表面。本發(fā)明以粘貼劑a為找平膠。2.待步驟1中所述找平膠風(fēng)干后再進(jìn)行涂刷底膠，本發(fā)明以粘貼劑b為底膠。底膠應(yīng)在容器中攪拌均勻。底膠攪拌均勻后使用干凈的毛刷、輥?zhàn)踊蚱渌恍C(jī)械方法噴涂。涂刷在止裂器上的底漆應(yīng)無漏涂、無氣泡、凝塊和流掛等缺陷，應(yīng)形成均勻的薄膜。厚度應(yīng)大于或等于30um。3.待步驟2中所述底膠完全固化后，在管道待處理表面涂抹配套膠結(jié)劑，涂抹均勻后，將止裂器的非預(yù)浸漬固化帶內(nèi)各層碳纖維布和環(huán)狀復(fù)合材料連接板內(nèi)側(cè)使用膠結(jié)劑浸漬，然后將止裂器包裹在待處理管段上（此過程應(yīng)該在半小時(shí)之內(nèi)完成）。4.通過螺栓連接止裂器的連接板。該止裂器可使用在x80以上級(jí)別的管線鋼制成的管道上，由于層合結(jié)構(gòu)由不同方向的碳纖維布浸漬固化而成，對(duì)管道上各向裂紋均有較強(qiáng)的柔性止裂作用。且該止裂器制作加工完全在室內(nèi)進(jìn)行，具有容易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)一體化，安裝使用方便、耐腐蝕能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前第1頁12