预应力FRP加固腐蚀缺陷压力钢管线的机理研究

Pressure steel pipeline is widely applied in the field of energy resource, transportation, petrochemical engineering, mechanical engineering etc., which causes corrosion of pipelines inevitably, so it is necessary to reinforce defects of corroded steel pipeline to ensure the safe operation of the pipeline. Based on present techniques of reinforce stress steel pipes, the project proposes new pattern methods of reinforcement of corrosion defects steel pipeline by prestressed FRP after referring to prestress theories, and carries out relevant theoretical researches ,including: ① stress mechanism : The research reveals the load-transferring mechanism of prestressed FRP reinforce defects in pipes , and obtains mechanical behavior of prestressed FRP reinforcing pipelines under internal pressure ; ② theory of computation : The research establishes prestressing-loss theories and effective-prestress computing methods of prestressed FRP reinforcement corrosion defects in pipes , and obtains stress state of pipes and FRP story in each stage; ③ design theory : After obtaining the formation of failure types of prestressed FRP reinforcement corrosion defects and the judgment methods of them, formulas of extreme pressure-bearing of reinforced pipes will be inferred and regularity of its sensitivity to various parameters will be concluded. The results of research project will provide a theoretical basis for achieving prestressed FRP reinforce steel pipelines, which can complete reinforce methods and theories of FRP, providing new technical means in order to improve anti-disaster abilities of engineering structure.

压力钢管线广泛应用于能源交通、石油化工、机械工程等领域，其腐蚀破坏不可避免，安全经济地进行腐蚀钢管线加固是保证管道安全运行的有效手段。本项目基于已有的外缠绕FRP加固压力钢管线技术，引入预应力原理，提出预应力FRP加固腐蚀缺陷压力钢管线的新型方法，并以此开展相关理论研究，包括：①受力机理：揭示预应力FRP加固缺陷管道负载转移机理，获得预应力FRP加固管道在内压作用下的力学行为；②计算理论：建立预应力FRP加固缺陷管道的预应力损失理论及有效加固预应力计算方法，获得管道及FRP层在各阶段的应力状态；③设计理论：形成预应力FRP加固腐蚀缺陷压力钢管线的失效类型及其判断方法，推导管道极限承压的计算公式并归纳其对各种参数的敏感性规律。本项目研究成果将为实现预应力FRP加固压力钢管线提供理论依据，完善FRP加固方法和理论，为提高我国工程结构抗灾能力提供新型的技术手段。

本项目基于已有的外缠绕FRP加固压力钢管线技术，引入预应力原理，提出预应力FRP加固腐蚀缺陷压力钢管线的新型方法，并以此开展相关理论研究。首先，基于ASME B31G准则，结合腐蚀缺陷尺寸和形态特征提出了腐蚀缺陷4种主要典型形状以建立三维腐蚀缺陷几何模型，构建了“三维实体—接触—壳元”有限元模拟计算技术并完成系列数值计算分析，建立了缺陷形貌、尺寸等因素对缺陷区域、附近管体的应力状态变化规律。同时，通过系列FRP加固缺陷钢板试验获得了FRP加固不同缺陷钢板的典型破坏特征及加固位置的变化对缺陷钢板受力性能及破坏形态的影响规律，最终形成了FRP加固腐蚀缺陷压力钢管线敏感性参数及规律。其次，研发了适用于管道FRP加固的预应力张拉锚固一体式装置，在理论分析和试验验证基础上，形成了摩擦力预应力损失、锚具预应力损失、FRP应力松弛预应力损失等预应力损失规律。同时，基于FRP加固管道力学模型，给出了管道在环向预应力和内压耦合作用下，周向分布的环向应力、径向分布的径向应力的理论公式，并建立了管线塑性临界屈曲变形及塑性临界屈曲应变计算方法。最后，建立了预应力FRP加固管道的补强厚度、层数以及缺陷管线剩余承载力之间的关系式，确定了张拉控制应力的取值范围，以保证预应力加固的有效性和管道安全运行，并给出了预应力FRP加固缺陷钢管的设计计算实例。另外，以含球阀的输油气钢管线实际工程受力条件为背景，分别进行了内压及内压+弯矩共同作用下的CFRP布加固含球阀的钢管道的水压爆破试验，获得试件加固区域与未加固区域的典型变形特征，建立了CFRP布对管壁环形及轴向应变的影响规律，形成了CFRP布与钢管在荷载作用下的协同受力机理。本项目研究成果将为实现预应力FRP加固压力钢管线提供理论依据，完善FRP加固方法和理论，丰富现有预应力设计理论，且可推广到液化气储罐、压力容器以及一般钢结构修复加固中，具有很强的实用价值。