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摘 要

油气输送管道在服役过程中由于机械碰撞及外部荷载等原因常常造成管道沟槽、减薄、孔洞等局部缺陷损伤，这些损伤将会导致管道的可靠性和耐久性降低。在内压及管道应力的作用下，三通相贯线部位容易产生应力集中的现象，当缺陷处的应力大于母材的抗拉强度时，该部位将发生泄漏及破裂失效等问题。如何修复缺陷损伤的管道是油气输送部门的一个重要课题。由于碳纤维复合材料(CFRP)具有抗拉强度高、弹性模量高、耐高温、厚度薄、操作简单等特点，用它来修复缺陷管道不仅可以降低管道的更换费用，而且节约时间、工艺简单，是当前管道加固行业比较认可的一种加固方法。因此文章采用ABAQUS软件对无缺陷、含缺陷、用碳纤维修复过的三通管道进行有限元分析。确定碳纤维复合材料修复腐蚀缺陷管道能够满足修复要求，包括恢复管道的失效压力和对附近管体应力状态的影响。运用正交试验的方法分析缺陷的深度、周向长度、轴向长度对管道极限应力的影响，以及碳纤维复合材料的不同铺设方案对缺陷管道的极限应力的影响。结果表明，缺陷的深度影响最大，缺陷的轴向长度次之，缺陷的周向长度影响较小。

关键词：三通油气输送管道 缺陷 碳纤维修复 有限元分析

The study of using carbon fiber to repair the pipe tee with internal corrosion pits

ABSTRACT

Oil and gas pipelines arise some local drawback damages including grooves, thinning, holes in the service frequently, which dues to mechanical collision and external load. And these damages can reduce the reliability and durability of the pipe. The stress concentration happens in the local defect area of the pipeline, and the site will leak and rupture failure when the stress is greater than the tensile strength of the base metal. Thus, how to repair the damage of pipeline is an important object in the oil and gas transportation sector. Reinforcement with carbon fiber composite has been recognized as a reinforcement method in pipeline reinforcement industry, because of its low cost of pipeline replacement, saving time and simply process. This is due to that carbon fiber composite has high tensile strength, high elastic modulus, thin thickness, simple operation and it can endure high temperature. Therefore, building the models of pipe tee without defect, with different defects and carbon fiber restored by ABAQUS. It has determined that using carbon fiber composite repair the corrosion pipe can meet the rehabilitation requirements, including the restoration of the failure pressure and the stress state in the vicinity of the pipe. Using the orthogonal method to analyze the depth, the angle and the length of defect models. As well as different programs laid carbon fiber composite material effect on defects in the pipeline ultimate stress. The results show that the depth is the most important factor, followed by length. And the angle has less effect on ultimate stress.

Keywords: Pipe tee of oil and gas; Defect; Carbon fiber composite repair; Finite element analysis

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

目录 III

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 管道修补的主要技术 1

1.3 碳纤维材料修复技术国内外发展现状 3

第二章 无缺陷三通有限元分析 7

2.1 有限元法的应用 7

2.2 三通模型简介 7

2.3 材料模式和单元格划分 8

2.4 施加载荷与约束 10

2.5 结果与分析 11

第三章 含内腐蚀三通有限元分析 13

3.1 正交试验设计 13

3.2 正交试验的结果 14

3.3结果与分析 16

第四章 缺陷管道加固有限元分析 18

4.1 碳纤维补强技术简介 18

4.2 计算模型的建立 18

4.3 计算结论 20

第五章 结论与展望 21

5.1 结论 21

5.2 展望 22

参考文献 23

第一章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

随着当今社会的快速发展，石油、天然气成为必不可少的战略资源，大到国民经济，小到日常生活。当前，社会乃至整个国家对油气资源需求量大，而石油、天然气主要是通过管道方式来进行运输的。全国人大常委会副委员长华建敏指出，我国现有 70%的石油和 99%的天然气都是通过管道方式来进行运输的。管道运输已具有百余年的历史，它是目前世界运输油气资源最重要和最普遍的方式，具有运量大、占地少、建设周期短、费用低、耗能少、效益好、安全可靠、连续性强等优点。

油气输送管道不可能一出现缺陷和损伤就停止使用，为了增加缺陷管道的使用寿命，减少资源的浪费，就必须对缺陷管道进行加固与修复。当前，针对含缺陷旧管道的修复补强技术的研究，已开发出多种方法，大致可归结为焊接类型、夹具类型、纤维复合材料类型。这些众多的修复方法中施工工艺各不相同，有的甚至还存在一定的局限性。因此，寻求经济合理的管道修复方法是管道维修补强领域亟待解决的问题。

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