玻璃鋼復合材料埋地管結構設計研究

玻璃鋼復合材料埋地管結構設計研究玻璃鋼復合材料埋地管結構設計研究12/16玻璃鋼復合材料埋地管結構設計研究玻璃鋼復合材料埋地管結構設計研究摘要:玻璃鋼復合材料管比強度高、重量輕、運輸安裝方便、摩擦阻力小、輸運能力高、熱應力小、耐磨性好、防腐蝕、可設計性強、維修方便、生產(chǎn)效率高、成本低,適用于石油輸送管。為玻璃鋼復合材料石油輸送管的使用安全，同時節(jié)約施工開支，本文根據(jù)玻璃鋼復合材料石油輸送管的性能，以及地面壓力對埋地下管子的角擴散理論，對受卡車的載荷的埋在地下的玻璃鋼石油輸送管,進行了不同鋪層層數(shù)建模，并進行了強度計算，設計出了合理的管壁厚度，有效的減輕了玻璃鋼復合材料埋地管的重量。1.概述管道是現(xiàn)代工業(yè)中流體輸送的重要材料。傳統(tǒng)的金屬管、混凝土管或因易銹蝕，或因質(zhì)量大，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要，復合材料管便應運而生。1.1玻璃鋼管的優(yōu)點與傳統(tǒng)的鋼管和混凝土管相比，玻璃鋼管具有以下優(yōu)點。（1）耐久性好。金屬和混凝土管的防銹、耐化學腐蝕性很差。當周圍環(huán)境惡劣或輸送酸、堿介質(zhì)時，很快就會發(fā)生內(nèi)、外表面腐蝕而遭破壞。玻璃鋼管為三層結構。其內(nèi)、外層可以按使用環(huán)境和使用條件進行設計，采用相對應的耐腐內(nèi)襯和外表涂層，防止腐蝕介質(zhì)對管道的浸蝕破壞。這樣，玻璃鋼管道大大延長了使用壽命，因而能獲得較高的經(jīng)濟效益。（2）摩擦阻力小、輸運能力高。玻璃鋼管的內(nèi)表面光滑，遠小于鋼管和混凝管的表面粗糙度，因而流體阻力小，力學特性好。若采用泵輸送，在管徑和流量相同時，較其他材料管道可以節(jié)能30%左右。（3）質(zhì)量輕、運輸、安裝方便。玻璃鋼管道的自重只有鋼管的1/4，混凝土管的1/10，因而運輸和安裝費用均較低。（4）比強度高。玻璃鋼管的縱向和環(huán)向拉伸強度為160MPa和320MPa，比鋼管略低；但由于玻璃鋼的密度是鋼密度的1/4，因此，玻璃鋼的比強度反而比鋼大很多。（5）可設計性強?？筛鶕?jù)玻璃鋼管使用情況，對其性能及連接方式進行設計。通過對玻璃纖維分配設計，使管在軸向和環(huán)向有不同的強度；對管壁厚度設計，可使玻璃鋼管適用于不同外壓或內(nèi)壓工況條件；通過材料選擇設計，可以使玻璃鋼管適用于各種腐蝕介質(zhì)環(huán)境；通過對接頭方式設計，適用于不同安裝條件。（6）產(chǎn)品適應性強。玻璃鋼管的直徑從25～3600mm均有；更大的直徑亦可另行設計。玻璃鋼管的使用壓力可從0.1～30MPa。由于其性能可以設計，故能適應多種使用條件的要求。（7）無污染。玻璃鋼管耐腐、耐磨性好，因而管壁無雜質(zhì)剝離和脫落、無腐蝕結垢，不會產(chǎn)生微生物，因此在使用中，不會對所輸送介質(zhì)產(chǎn)生污染。（8）維修方便。由于玻璃鋼管無銹蝕、不結垢、耐腐蝕，因此一般情況下無需維修。即便出現(xiàn)損傷，也因其輕巧，使維修十分方便。（9）經(jīng)濟效益好。玻璃鋼管的綜合性能優(yōu)于鋼管，特別是用在有腐蝕介質(zhì)的條件下，玻璃鋼管的使用壽命比鋼管長幾倍，體現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟效益。1.2玻璃鋼管的應用由于玻璃鋼管具有很多優(yōu)越性能，因而促使世界各國都在積極研制、生產(chǎn)和推廣使用。目前年產(chǎn)量已超過70萬噸。在我國，玻璃鋼管道已廣泛用于石油、化工、供水、排污、灌溉、供氣、污水處理、能源等眾多領域。下面主要來介紹一下玻璃鋼管在油田中的應用。（1）高壓管道。油田所用的高壓管道主要包括注水管和油井管等，管徑較小，大多在φ50～φ200mm范圍內(nèi)，壓力高，一般介于5～30MPa之間，對玻璃鋼而言，條件較苛刻，國產(chǎn)的玻璃纖維性能上很難滿足要求，生產(chǎn)此類管道所需玻纖需從國外進口。目前，哈爾濱史密斯玻璃鋼制品有限公司等單位在國內(nèi)生產(chǎn)此類管道，1994年起應用于油田，已先后為大慶油田、中原油田、吉林油田、勝利油田、長慶油田、遼河油田等提供了幾十公里的高壓玻璃鋼管。（2）中、低壓玻璃鋼管道。纏繞成型中低壓玻璃鋼管道作為鋼管替代品，自20世紀90年代以來，我國油田大批量采用，國內(nèi)幾個大油田，如勝利油田、遼河油田、中原油田、大慶油田、克拉瑪依油田、江漢油田等均大量采用了中低壓纏繞玻璃鋼管，青海的孕斯油田、江蘇的江都油田、河北的華北油田，青海的格爾木油田等也不同程度地使用了中低壓纏繞玻璃鋼管道。青海的孕斯油田僅在1990年就使用了20km，勝利油田在1991-1992年期間，僅地面應用工程就使用了近30km，中原油田自1993年至今以使用170余km，油田是中低壓玻璃鋼管道的一個非常重要的應用市場。油田目前使用的中低壓玻璃鋼管道已近千公里，其選用的管徑大多介于φ50～φ700mm之間，輸送的介質(zhì)溫度最高達78℃左右，壓力一般為0.1～1.6MPa。1.3玻璃鋼復合材料埋地管的設計要點玻璃鋼管復合材料埋地管是在土壤中鋪設的，是玻璃鋼管道應用的一種鋪設形式。它在受到管內(nèi)液體內(nèi)壓作用的同時，還受到回填土重量引起的外壓力，車輛的輪壓力或地面堆積物重等活動載荷、管內(nèi)流速變化而產(chǎn)生的瞬時壓力急劇升高或降低所引起的沖擊壓力（又稱水錘壓力）、管內(nèi)出現(xiàn)真空時的負壓等。進行玻璃鋼管復合材料埋地管的設計時，首先應充分了解其使用要求，根據(jù)其所輸送的介質(zhì)的性質(zhì)選擇耐腐蝕層的材料，根據(jù)要求流量來確定管的內(nèi)徑，根據(jù)管的工作壓強和安裝條件（如埋設條件及深度）來確定管的結構受力層的厚度。在進行管的力學性能設計時，應分別考慮其各種載荷情況，以及這些載荷的聯(lián)合作用，由這些載荷情況的管壁應力來確定結構受力層的厚度。玻璃鋼管復合材料埋地管設計就是在初步確定其厚度及埋設深度后，要求應力、應變和撓度在許用值以下，并校核外壓屈曲，力求合理利用材料、降低成本，使管道安全工作。1.4本文主要設計內(nèi)容在本文中，主要從力學角度研究埋地管道的設計方法，對玻璃鋼復合材料埋地管進行鋪層設計，用ANSYS軟件對其進行建模，施加載荷（包括工作內(nèi)壓、回填土壓力和地面車輛通過時引起的土壓力），進行強度校核。并計算出最先一層失效強度和極限強度。2.玻璃鋼復合材料埋地管設計條件設計大慶某批石油輸送管，已知管徑D＝500mm，覆土層高H＝3m，最大工作內(nèi)壓＝1.0MPa，要求允許通過20t載重汽車?；靥钔撩芏龋?.0018，基礎支撐角2＝120°。材料用E－玻璃/環(huán)氧，強度設計安全系數(shù)取n＝2。3.埋地管外載計算及壁厚計算埋地管承受的載荷有管道工作內(nèi)壓、埋土壓力和汽車行駛產(chǎn)生的載荷。工作內(nèi)壓已知＝1.0MPa，下面來計算埋土壓力和汽車行駛產(chǎn)生的載荷。3.1埋土壓力當埋土深度大于200cm時,埋土的靜壓力為（3－1）式中──回填土的密度，；──埋設管道時所挖溝的寬度，cm（管徑為500mm時，＝110cm）；當由式（3－1）計算的值小于0.036MPa時，值仍取0.036MPa。H為300cm時，則＝0.247＝0.0247MPa計算結果小于0.036MPa,故值仍取0.036MPa?；靥钔翆ΣＡт摴鼙诋a(chǎn)生的壓力如圖3.1所示。

圖3.1回填土靜土壓分布計算管壁承受的垂直靜土壓時，上表面按均勻分布，下表面則作用于基礎范圍內(nèi)。向上的垂直土壓近似水平方向均勻分布，其值為＝1.155。管側水平方向的土壓力，能使垂直靜土壓力作用下趨于扁平的管環(huán)，發(fā)生部分恢復，對于降低管環(huán)截面應力和提高管環(huán)抗變形能力都很有利。水平方向靜土壓力如圖3－1所示近似等腰三角形分布，其最大值等于垂直靜土壓力。3.2汽車行駛產(chǎn)生的載荷不考慮鄰近車輛影響時，一個車輪壓力傳至管頂?shù)膲毫姸鹊挠嬎愎綖椋?－2）式中──管頂壓力強度，；──后輪輪壓，kN；──與埋深有關的汽車動力系數(shù)（管埋設深度≥0.7m時，＝1.0）；a──汽車輪胎行車方向著地長度，通常取a＝0.2m；b──汽車輪胎寬度,m；h──任意深度，m；──車輪壓在土壤中的傳播角；按我國1975年公路橋涵設計規(guī)范，取＝30°。20t載重汽車的后軸壓力為13t，則單邊雙輪組壓力為＝6500kg≈65kN后輪著地寬度b=0.6m，著地長度a=0.2m；汽車動力系數(shù)＝1.0。由式（3－2）計算得到一個雙輪組引起的動壓力為＝4.365＝0.004365MPa3.3壁厚計算管壁厚度計算公式為（3－3）式中t──管壁厚度；D──管徑；──工作壓力；──管環(huán)向許用應力。其中環(huán)向許用應力為管的環(huán)向破壞強度除以安全系數(shù)，即。式中n為玻璃鋼管的安全系數(shù)，一般n取值為2～2.5。經(jīng)計算得，本文中所設計的埋地管壁厚t≈10mm將由環(huán)向應力求出的t，作為初選壁厚，進行強度校核。如果也能滿足強度要求，則t可以確定為管壁厚度。否則應增加壁厚，直至滿足軸向強度為止。4.玻璃鋼管道有限元分析對于不同工況下的管道分析，若采用試驗方法來分析，則需花費大量的人力、物力，而有限元法在這方面則更優(yōu)于物理試驗，應用有限元理論進行分析，可以有效地對各種荷載條件、地下條件和結構性質(zhì)情況下的管道進行數(shù)學模擬，大大簡化了分析過程。本節(jié)運用ANSYS對埋地玻璃鋼管道在土中的力學性能進行有限元分析。管道有限元分析主要包括3部分，即前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊，具體可以分為：建模、網(wǎng)格劃分、邊界處理、施加荷載、結構分析、求解和計算、結果查看等。4.1玻璃鋼管的結構本文中玻璃鋼管的材料為E－玻璃/環(huán)氧，鋪層數(shù)為80層，采用[0/90]對稱鋪層，每層厚0.125mm，單層材料性能參數(shù)見表1。表1玻璃鋼材料屬性（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）38.68.278.270.260.20.24.142.054.144.2玻璃鋼管的有限元分析本文要分析的玻璃鋼復合材料管道采用ANSYS單元庫中SOLID46單元對其進行網(wǎng)格劃分。SOLID46是8節(jié)點3D實體單元的一種疊層形式，它的每個節(jié)點有3個自由度。它可以用來建立疊層殼或實體的有限元模型，每個單元允許250層的等厚度材料層，同樣允許125層的厚度在單元面內(nèi)成雙線性變化的不等厚材料層。SOLID46單元有一個等效的橫向剛度，允許在橫向上存在非零應力、應變和位移。它可以指定失效準則。在ANSYS中建立玻璃鋼復合材料埋地管有限元模型。

圖4.1玻璃鋼復合材料埋地管模型

圖4.2鋪層情況在管右端面處施加約束。在圓筒外側上表面施加載荷，為－0.040365MPa。在圓筒外側下表面施加載荷q，為0.036MPa。在圓筒內(nèi)側施加內(nèi)壓，為1.0MPa。經(jīng)過ANSYS進行求解分析，用最大應力準則校核強度。玻璃鋼材料強度屬性見表2。表2玻璃鋼材料強度屬性（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）S（MPa）10626103111872等效應力等值線圖為：

（a）沿X軸等效應力等值線圖（b）沿Y軸等效應力等值線圖

（c）沿Z軸等效應力等值線圖（d）等效應力等值線圖圖4.3應力等值線圖4.3對復合材料玻璃鋼管進行強度校核當壁厚為10mm時：許用應力為＝/n＝1062/2＝531(MPa),＝/n＝610/2=305(MPa)＝/n＝31/2＝15.5(MPa),＝/n＝118/2＝59(MPa)用ANSYS計算可得：（1）0°單層＝41.2(MPa)＜（安全）＝8.52(MPa)＜（安全）（2）90°單層＝36.9(MPa)＜（安全）＝13.1(MPa)＜（安全）所以此玻璃鋼管結構是安全的。4.4計算最先一層失效強度為使結構達到最輕重量，逐漸減少鋪層層數(shù)，以減小壁厚，當鋪層層數(shù)為40層，壁厚為5mm時，用ANSYS計算可得：（1）0°單層＝106(MPa)＜（安全）＝21.4(MPa)＜（安全）（2）90°單層＝94.3(MPa)＜（安全）＝32.7(MPa)＞（破壞）90°單層剛好發(fā)生破壞，90°單層首先失效。4.5計算極限強度繼續(xù)減少鋪層層數(shù)，計算玻璃鋼復合材料埋地管極限強度。當鋪層層數(shù)為24層，壁厚為3mm時，用ANSYS計算可得：0°單層＝568(MPa)＜（安全）＝119.3(MPa)＞（破壞）此時0°單層和90°單層都發(fā)生了破壞。5.結論本文以玻璃鋼復合材料埋地管為研究對象，應用ANSYS軟件對玻璃鋼復合材料埋地管進行建模分析，校核強度。最后得出本文所設計的結構壁厚為10mm是安全的。為使玻璃鋼復合材料埋地管的重量達到最輕，在保證結構安全的前提下，通過改變鋪層層數(shù)，使埋地管壁厚減小，當鋪層層數(shù)為40層時，埋地管壁厚為5mm時，90°單層剛好發(fā)生破壞，所以90°單層首先失效。所以為使結構重量達到最輕，壁厚可在大于5mm的范圍內(nèi)合理的減小。當鋪層層數(shù)為24層，壁厚減小到3mm時，0°單層和90°單層都發(fā)生了破壞，達到了極限強度。由此可得出，在設計玻璃鋼復合材料埋地管結構時，管壁厚度可在大于5mm的范圍內(nèi)合理的減小，并且適當?shù)脑黾?°層的鋪層比例，從而使玻璃鋼復合材料埋地管結構重量達到最輕，并且保證玻璃鋼管的結構強度達到最優(yōu)。附錄以下是用ANSYS對玻璃鋼復合材料埋地管進行建模、加載、分析命令流：（進入前處理）/PREP7（定義單元、材料屬性）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,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,