论文总字数：13309字

摘 要

弯头是管路中一种常用的连接管件，连接两根公称直径相同或者不同的管子，使馆路做一定角度的转弯。在役工业管道由于外腐蚀，经常会使管道的外壁出现凹坑，腐蚀凹坑是石油与天然气输送及石化管道常见的缺陷之一 ,会使管道产生应力集中 ,抗疲劳载荷能力降低，从而影响管道的正常使用，甚至使整个工艺流程受到安全隐患的威胁。因此解决管道的凹坑问题已经刻不容缓。

碳纤维复合材料补强修复技术是20世纪90年代以后发展起来的一种高效快捷的新型补强技术。碳纤维修复补强技术是保证管道完整性和延长管道使用寿命的重要手段，其基本思路是利用碳纤维材料在纤维方向的高强度特性，依靠热固性树脂基体增强，采用湿铺工艺在服役管道外包覆一个复合材料修复层，与管道形成一体，分担管道承受的内压，降低含缺陷处管道的应力水平，从而达到对管道补强的目的，以恢复管道的正常承载能力。

为了探究碳纤维对缺陷的修复效果，本文中建立了若干弯头模型，不含缺陷的模型极限载荷为18.12MPa，缺陷最深的弯头极限载荷为5.17MPa，承载能力下降了71.46%。经过一系列的模拟和实验，最终确定的碳纤维补强的具体方案使得在不浪费碳纤维的情况下，弯头的承载能力基本恢复如初。

利用碳纤维复合材料对含缺陷管道进行在线修复以提高管道安全运行指数为目的的补强技术，是我国近年来在长输管道和燃气管道中运用较多较为成功的新型技术，虽然这类技术还在起步阶段但必将在未来的工业生产中起到重要作用。

关键词： 碳纤维补强 有限元 弯头 极限载荷

ABSTRACT

Elbow which is the regular connecting component of pipeline is used to connect the pipes which have same or different nominal diameters so as to achieve curve of pipeline in certain angle. Due to the external corrosion of pipeline in the industry, the exterior of pipeline usually appears pit. Corrosion pit is one of the usual defects of oilamp; gas transmission and petroleum pipeline. It easily causes stress concentration of pipeline and the anti-fatigue capacity will be lowered down and then it’ll impact the use of pipeline. What’s worse, it may cause safety threat to the whole process. Therefore, it’s quite vital to solve the pit issue of pipeline.

The reinforcement repair technology of carbon fiber composite materials is a quick, efficient new reinforcement technology which has been developed since 1990s. It’s an important method to guarantee the completeness of pipeline and extend the life of pipeline. The basic idea is as below: a. carbon fiber materials have high intensity; b. the matrix of the hot-setting resin is strengthened; c. The surface of the pipeline is covered by a composite renovated film by wet lay-up technique. It’ll share the internal pressure with pipeline and then decrease the stress on the defect position. Therefore, it’ll achieve the reinforcement effect and recover the normal loading capacity of pipeline.

In order to study the remediation effect of carbon fiber upon defects, this article establishes several elbow models. The limited loading of model without any defects is 18.12MPa, and meanwhile, the limited loading of elbow model with the deepest defects is 5.17MPa and bearing capacity has fallen by 71.46%. After series of simulations and tests, the concrete proposal of carbon fiber reinforcement confirmed at last can basically make elbow's bearing capacity recover to the same level as the one without any defects in the case of 0 wasting of carbon fiber. 

The reinforcement technology, which renovates the defective pipelines online by utlizing the carbon fiber composite materials to improve the safety operation index of pipelines, is a new technology widely and successful applicated in long-distance pipelines and gas pipelines in recent years in our country. This kind of technologies will certainly play an important role in future industrial production, though they are still in 

the initial stage.

Keywords: elbow finite element limit load carbon fiber

目 录

第一章 绪论 2

1.1 碳纤维修复技术的简述和原理 2

1.2 各种补强方法介简介与比较 3

1.3 碳纤维材料在具体应用中的表现 3

1.4 小 结 4

第二章 无缺陷模型的建立 4

2.1 有限元简介 4

2.2 弯头的尺寸和材料的确定 4

2.3 弯头模型的初步建立 5

2.4 求极限载荷 6

第三章 有缺陷模型的建立 7

3.1 正交试验法 7

3.2缺陷的具体尺寸与模型的建立 8

3.3数据的处理与分析 24

第四章 碳纤维修复含缺陷模型 26

4.1碳纤维的性能简介 26

4.2确定补强方案 26

4.3实施补强方案 28

第五章 结论 36

参考文献 40

第一章 绪论

在役工业管道由于制造缺陷、机械损伤、内外腐蚀等因素，存在着减薄、变形、泄漏、破裂等影响安全运行的隐患，一旦发生爆炸可能会带来巨大的经济损失和灾难性的后果。为确保含缺陷管道不发生因强度不足而导致破裂泄漏，可以采用补强的方式对其进行修复，从而满足管道安全运行压力，有效减少非计划停车，延长管道的使用寿命^[1]。管道修复补强的技术很多，主要分为焊接、夹具和纤维复合材料三大类，其中纤维复合材料主要是指玻璃纤维和碳纤维。腐蚀凹坑是石油与天然气输送及石化管道常见的缺陷之一，会使管道产生应力集中 ,抗疲劳载荷能力降低。为寻求腐蚀球形凹坑对压力管道极限载荷的影响，用有限元弹塑性分析法和试验方法，对含腐蚀球形凹坑缺陷的压力管道进行研究，得到了含不同球形腐蚀凹坑缺陷压力管道在内压和弯矩联合作用下的极限载荷。试验研究证明，在内压和外弯矩作用下，腐蚀球形凹坑底部应变值最大，并首先屈服。试验测定载荷-应变曲线与有限元计算的基本一致，最大误差为732%^[2]。腐蚀凹坑半径相同时，管道的极限载荷随凹坑深度的增加而降低；而凹坑深度相同时，极限载荷随凹坑半径的加大而降低。弯头是油气管网中的重要管件，由于其几何形状相对复杂，使其成为最容易失效的管件之一。由弯头腐蚀缺陷引起的失效已经成为压力管道安全技术研究的重要内容。因此针对对弯头腐蚀的修复也迫在眉睫。

1.1碳纤维修复技术的简述和原理

碳纤维复合材料补强修复技术是20世纪90年代以后发展起来的一种高效快捷的新型补强技术。因其综合性能最优近年来在国外管道修补方面有很多成功应用的案例，我国目前已在长输油气管道和城镇燃气管道中得到应用^[3]。碳纤维修复补强技术是保证管道完整性和延长管道使用寿命的重要手段，其基本思路是利用碳纤维材料在纤维方向的高强度特性，依靠热固性树脂基体增强，采用湿铺工艺在服役管道外包覆一个复合材料修复层，与管道形成一体，分担管道承受的内压，降低含缺陷处管道的应力水平，从而达到对管道补强的目的，以恢复管道的正常承载能力。

1.2各种补强方法介简介与比较

（1）焊接法

对于中、低压燃气管线，可以在管道降压或停输之后采用焊接修复或换管，实施取决于管道能否停输及停输造成的社会影响^[3]。采用焊接方法对中高压燃气管道修复具有很大的危险性。由焊接引起的燃气管道安全事故屡见不鲜。换管的经济成本和社会成本都非常高，在交通流量较大或人口稠密地区受到严重制约。 

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