玻璃钢复合材料埋地管结构设计设计研究 12页

'...............玻璃钢复合材料埋地管结构设计研究摘要:玻璃钢复合材料管比强度高、重量轻、运输安装方便、摩擦阻力小、输运能力高、热应力小、耐磨性好、防腐蚀、可设计性强、维修方便、生产效率高、成本低,适用于石油输送管。为玻璃钢复合材料石油输送管的使用安全，同时节约施工开支，本文根据玻璃钢复合材料石油输送管的性能，以及地面压力对埋地下管子的角扩散理论，对受卡车的载荷的埋在地下的玻璃钢石油输送管,进行了不同铺层层数建模，并进行了强度计算，设计出了合理的管壁厚度，有效的减轻了玻璃钢复合材料埋地管的重量。1.概述管道是现代工业中流体输送的重要材料。传统的金属管、混凝土管或因易锈蚀，或因质量大，已不能满足现代工业的需要，复合材料管便应运而生。1.1玻璃钢管的优点与传统的钢管和混凝土管相比，玻璃钢管具有以下优点。（1）耐久性好。金属和混凝土管的防锈、耐化学腐蚀性很差。当周围环境恶劣或输送酸、碱介质时，很快就会发生内、外表面腐蚀而遭破坏。玻璃钢管为三层结构。其内、外层可以按使用环境和使用条件进行设计，采用相对应的耐腐内衬和外表涂层，防止腐蚀介质对管道的浸蚀破坏。这样，玻璃钢管道大大延长了使用寿命，因而能获得较高的经济效益。（2）摩擦阻力小、输运能力高。玻璃钢管的内表面光滑，远小于钢管和混凝管的表面粗糙度，因而流体阻力小，力学特性好。若采用泵输送，在管径和流量相同时，较其他材料管道可以节能30%左右。（3）质量轻、运输、安装方便。玻璃钢管道的自重只有钢管的1/4，混凝土管的1/10，因而运输和安装费用均较低。（4）比强度高。玻璃钢管的纵向和环向拉伸强度为160MPa和320MPa，比钢管略低；但由于玻璃钢的密度是钢密度的1/4，因此，玻璃钢的比强度反而比钢大很多。（5）可设计性强。可根据玻璃钢管使用情况，对其性能及连接方式进行设计。通过对玻璃纤维分配设计，使管在轴向和环向有不同的强度；对管壁厚度设计，可使玻璃钢管适用于不同外压或内压工况条件；通过材料选择设计，可以使玻璃钢管适用于各种腐蚀介质环境；通过对接头方式设计，适用于不同安装条件。技术资料学习必备 ...............（6）产品适应性强。玻璃钢管的直径从25～3600mm均有；更大的直径亦可另行设计。玻璃钢管的使用压力可从0.1～30MPa。由于其性能可以设计，故能适应多种使用条件的要求。（7）无污染。玻璃钢管耐腐、耐磨性好，因而管壁无杂质剥离和脱落、无腐蚀结垢，不会产生微生物，因此在使用中，不会对所输送介质产生污染。（8）维修方便。由于玻璃钢管无锈蚀、不结垢、耐腐蚀，因此一般情况下无需维修。即便出现损伤，也因其轻巧，使维修十分方便。（9）经济效益好。玻璃钢管的综合性能优于钢管，特别是用在有腐蚀介质的条件下，玻璃钢管的使用寿命比钢管长几倍，体现出明显的经济效益。1.2玻璃钢管的应用由于玻璃钢管具有很多优越性能，因而促使世界各国都在积极研制、生产和推广使用。目前年产量已超过70万吨。在我国，玻璃钢管道已广泛用于石油、化工、供水、排污、灌溉、供气、污水处理、能源等众多领域。下面主要来介绍一下玻璃钢管在油田中的应用。（1）高压管道。油田所用的高压管道主要包括注水管和油井管等，管径较小，大多在φ50～φ200mm范围内，压力高，一般介于5～30MPa之间，对玻璃钢而言，条件较苛刻，国产的玻璃纤维性能上很难满足要求，生产此类管道所需玻纤需从国外进口。目前，哈尔滨史密斯玻璃钢制品有限公司等单位在国内生产此类管道，1994年起应用于油田，已先后为大庆油田、中原油田、吉林油田、胜利油田、长庆油田、辽河油田等提供了几十公里的高压玻璃钢管。（2）中、低压玻璃钢管道。缠绕成型中低压玻璃钢管道作为钢管替代品，自20世纪90年代以来，我国油田大批量采用，国内几个大油田，如胜利油田、辽河油田、中原油田、大庆油田、克拉玛依油田、江汉油田等均大量采用了中低压缠绕玻璃钢管，青海的孕斯油田、江苏的江都油田、河北的华北油田，青海的格尔木油田等也不同程度地使用了中低压缠绕玻璃钢管道。青海的孕斯油田仅在1990年就使用了20km，胜利油田在1991-1992年期间，仅地面应用工程就使用了近30km，中原油田自1993年至今以使用170余km，油田是中低压玻璃钢管道的一个非常重要的应用市场。油田目前使用的中低压玻璃钢管道已近千公里，其选用的管径大多介于φ50～φ700mm之间，输送的介质温度最高达78℃左右，压力一般为0.1～1.6MPa。1.3玻璃钢复合材料埋地管的设计要点技术资料学习必备 ...............玻璃钢管复合材料埋地管是在土壤中铺设的，是玻璃钢管道应用的一种铺设形式。它在受到管内液体内压作用的同时，还受到回填土重量引起的外压力，车辆的轮压力或地面堆积物重等活动载荷、管内流速变化而产生的瞬时压力急剧升高或降低所引起的冲击压力（又称水锤压力）、管内出现真空时的负压等。进行玻璃钢管复合材料埋地管的设计时，首先应充分了解其使用要求，根据其所输送的介质的性质选择耐腐蚀层的材料，根据要求流量来确定管的内径，根据管的工作压强和安装条件（如埋设条件及深度）来确定管的结构受力层的厚度。在进行管的力学性能设计时，应分别考虑其各种载荷情况，以及这些载荷的联合作用，由这些载荷情况的管壁应力来确定结构受力层的厚度。玻璃钢管复合材料埋地管设计就是在初步确定其厚度及埋设深度后，要求应力、应变和挠度在许用值以下，并校核外压屈曲，力求合理利用材料、降低成本，使管道安全工作。1.4本文主要设计内容在本文中，主要从力学角度研究埋地管道的设计方法，对玻璃钢复合材料埋地管进行铺层设计，用ANSYS软件对其进行建模，施加载荷（包括工作内压、回填土压力和地面车辆通过时引起的土压力），进行强度校核。并计算出最先一层失效强度和极限强度。2.玻璃钢复合材料埋地管设计条件设计大庆某批石油输送管，已知管径D＝500mm，覆土层高H＝3m，最大工作内压＝1.0MPa，要求允许通过20t载重汽车。回填土密度＝0.0018，基础支撑角2＝120°。材料用E－玻璃/环氧，强度设计安全系数取n＝2。3.埋地管外载计算及壁厚计算埋地管承受的载荷有管道工作内压、埋土压力和汽车行驶产生的载荷。工作内压已知＝1.0MPa，下面来计算埋土压力和汽车行驶产生的载荷。3.1埋土压力当埋土深度大于200cm时,埋土的静压力为（3－1）式中──回填土的密度，；──埋设管道时所挖沟的宽度，cm（管径为500mm时，＝110cm）；当由式（3－1）计算的值小于0.036MPa时，值仍取0.036MPa。H为300cm时，则＝0.247＝0.0247MPa技术资料学习必备 ...............计算结果小于0.036MPa,故值仍取0.036MPa。回填土对玻璃钢管壁产生的压力如图3.1所示。图3.1回填土静土压分布计算管壁承受的垂直静土压时，上表面按均匀分布，下表面则作用于基础范围内。向上的垂直土压近似水平方向均匀分布，其值为＝1.155。管侧水平方向的土压力，能使垂直静土压力作用下趋于扁平的管环，发生部分恢复，对于降低管环截面应力和提高管环抗变形能力都很有利。水平方向静土压力如图3－1所示近似等腰三角形分布，其最大值等于垂直静土压力。3.2汽车行驶产生的载荷不考虑邻近车辆影响时，一个车轮压力传至管顶的压力强度的计算公式为（3－2）式中──管顶压力强度，；──后轮轮压，kN；──与埋深有关的汽车动力系数（管埋设深度≥0.7m时，＝1.0）；a──汽车轮胎行车方向着地长度，通常取a＝0.2m；b──汽车轮胎宽度,m；h──任意深度，m；──车轮压在土壤中的传播角；按我国1975年公路桥涵设计规范，取＝30°。20t载重汽车的后轴压力为13t，则单边双轮组压力为＝6500kg≈65kN技术资料学习必备 ...............后轮着地宽度b=0.6m，着地长度a=0.2m；汽车动力系数＝1.0。由式（3－2）计算得到一个双轮组引起的动压力为＝4.365＝0.004365MPa3.3壁厚计算管壁厚度计算公式为（3－3）式中t──管壁厚度；D──管径；──工作压力；──管环向许用应力。其中环向许用应力为管的环向破坏强度除以安全系数，即。式中n为玻璃钢管的安全系数，一般n取值为2～2.5。经计算得，本文中所设计的埋地管壁厚t≈10mm将由环向应力求出的t，作为初选壁厚，进行强度校核。如果也能满足强度要求，则t可以确定为管壁厚度。否则应增加壁厚，直至满足轴向强度为止。4.玻璃钢管道有限元分析对于不同工况下的管道分析，若采用试验方法来分析，则需花费大量的人力、物力，而有限元法在这方面则更优于物理试验，应用有限元理论进行分析，可以有效地对各种荷载条件、地下条件和结构性质情况下的管道进行数学模拟，大大简化了分析过程。本节运用ANSYS对埋地玻璃钢管道在土中的力学性能进行有限元分析。管道有限元分析主要包括3部分，即前处理模块、分析计算模块和后处理模块，具体可以分为：建模、网格划分、边界处理、施加荷载、结构分析、求解和计算、结果查看等。4.1玻璃钢管的结构本文中玻璃钢管的材料为E－玻璃/环氧，铺层数为80层，采用[0/90]对称铺层，每层厚0.125mm，单层材料性能参数见表1。表1玻璃钢材料属性（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）38.68.278.270.260.20.24.142.054.14技术资料学习必备 ...............4.2玻璃钢管的有限元分析本文要分析的玻璃钢复合材料管道采用ANSYS单元库中SOLID46单元对其进行网格划分。SOLID46是8节点3D实体单元的一种叠层形式，它的每个节点有3个自由度。它可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元允许250层的等厚度材料层，同样允许125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。SOLID46单元有一个等效的横向刚度，允许在横向上存在非零应力、应变和位移。它可以指定失效准则。在ANSYS中建立玻璃钢复合材料埋地管有限元模型。图4.1玻璃钢复合材料埋地管模型技术资料学习必备 ...............图4.2铺层情况在管右端面处施加约束。在圆筒外侧上表面施加载荷，为－0.040365MPa。在圆筒外侧下表面施加载荷q，为0.036MPa。在圆筒内侧施加内压，为1.0MPa。经过ANSYS进行求解分析，用最大应力准则校核强度。玻璃钢材料强度属性见表2。表2玻璃钢材料强度属性（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）S（MPa）10626103111872等效应力等值线图为：（a）沿X轴等效应力等值线图（b）沿Y轴等效应力等值线图（c）沿Z轴等效应力等值线图（d）等效应力等值线图图4.3应力等值线图技术资料学习必备 ...............4.3对复合材料玻璃钢管进行强度校核当壁厚为10mm时：许用应力为＝/n＝1062/2＝531(MPa),＝/n＝610/2=305(MPa)＝/n＝31/2＝15.5(MPa),＝/n＝118/2＝59(MPa)用ANSYS计算可得：（1）0°单层＝41.2(MPa)＜（安全）＝8.52(MPa)＜（安全）（2）90°单层＝36.9(MPa)＜（安全）＝13.1(MPa)＜（安全）所以此玻璃钢管结构是安全的。4.4计算最先一层失效强度为使结构达到最轻重量，逐渐减少铺层层数，以减小壁厚，当铺层层数为40层，壁厚为5mm时，用ANSYS计算可得：（1）0°单层＝106(MPa)＜（安全）＝21.4(MPa)＜（安全）（2）90°单层＝94.3(MPa)＜（安全）＝32.7(MPa)＞（破坏）90°单层刚好发生破坏，90°单层首先失效。4.5计算极限强度继续减少铺层层数，计算玻璃钢复合材料埋地管极限强度。当铺层层数为24层，壁厚为3mm时，用ANSYS计算可得：0°单层＝568(MPa)＜（安全）＝119.3(MPa)＞（破坏）此时0°单层和90°单层都发生了破坏。技术资料学习必备 ...............5.结论本文以玻璃钢复合材料埋地管为研究对象，应用ANSYS软件对玻璃钢复合材料埋地管进行建模分析，校核强度。最后得出本文所设计的结构壁厚为10mm是安全的。为使玻璃钢复合材料埋地管的重量达到最轻，在保证结构安全的前提下，通过改变铺层层数，使埋地管壁厚减小，当铺层层数为40层时，埋地管壁厚为5mm时，90°单层刚好发生破坏，所以90°单层首先失效。所以为使结构重量达到最轻，壁厚可在大于5mm的范围内合理的减小。当铺层层数为24层，壁厚减小到3mm时，0°单层和90°单层都发生了破坏，达到了极限强度。由此可得出，在设计玻璃钢复合材料埋地管结构时，管壁厚度可在大于5mm的范围内合理的减小，并且适当的增加0°层的铺层比例，从而使玻璃钢复合材料埋地管结构重量达到最轻，并且保证玻璃钢管的结构强度达到最优。技术资料学习必备 ...............附录以下是用ANSYS对玻璃钢复合材料埋地管进行建模、加载、分析命令流：（进入前处理）/PREP7（定义单元、材料属性）ET,1,SOLID46KEYOPT,1,2,0KEYOPT,1,1,0KEYOPT,1,3,0KEYOPT,1,4,0KEYOPT,1,5,0KEYOPT,1,6,0KEYOPT,1,8,1KEYOPT,1,9,0KEYOPT,1,10,0R,1RMODIF,1,1,80,0,0,0,0,0RMODIF,1,13,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,19,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,25,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,31,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,37,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,43,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,49,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,55,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,61,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,67,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,73,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,79,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,85,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,91,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,97,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,103,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,109,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,115,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,121,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,127,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,133,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,139,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,145,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,151,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,157,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,163,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,169,1,90,0.000125,1,0,0.000125,技术资料学习必备 ...............RMODIF,1,175,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,181,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,187,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,193,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,199,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,205,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,211,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,217,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,223,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,229,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,235,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,241,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,247,1,90,0.000125,1,0,0.000125,MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,38.6E9MPDATA,EY,1,,8.27E9MPDATA,EZ,1,,8.27E9MPDATA,PRXY,1,,0.26MPDATA,PRYZ,1,,0.2MPDATA,PRXZ,1,,0.2MPDATA,GXY,1,,4.14E9MPDATA,GYZ,1,,2.05E9MPDATA,GXZ,1,,4.14E9（建立模型）CYL4,0,0,0.24,,0.25,,5SAVE（网格划分）SMRT,6SMRT,10MSHAPE,1,3DMSHKEY,0CM,_Y,VOLUVSEL,,,,1CM,_Y1,VOLUCHKMSH,"VOLU"CMSEL,S,_YVMESH,_Y1CMDELE,_YCMDELE,_Y1CMDELE,_Y2FINISH（定义失效准则）/POST1FC,1,S,XTEN,1062E6FC,1,S,XCMP,-610E6技术资料学习必备 ...............FC,1,S,YTEN,31E6FC,1,S,YCMP,-118E6FC,1,S,ZTEN,31E6FC,1,S,ZCMP,-118E6FC,1,S,XZ,72E6FINISH（施加约束）/SOLUFLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,1/GODA,P51X,ALL,0（施加载荷）FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,3/GOSFA,P51X,1,PRES,40365FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,4/GOFLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,4/GOSFA,P51X,1,PRES,36000FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,5/GOSFA,P51X,1,PRES,1000000FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,6/GOSFA,P51X,1,PRES,1000000（求解）/STATUS,SOLUSOLVE技术资料学习必备'