钢塑复合热力管爆破压力的有限元计算分析

王蕾，黄学伟



钢塑复合热力管爆破压力的有限元计算分析

王蕾1，黄学伟2

（1.河南省地质高级技工学校，河南 郑州 450015；2.郑州大学 力学与工程科学学院，河南 郑州 450001）

钢塑复合热力管集钢材和塑料的优点于一体，是一种新型的绿色管道。应用ABAQUS有限元软件，对钢塑复合热力管进行了强度分析，计算了不同规格钢塑复合管在不同温度下的爆破压力，并通过实验验证了有限元计算结果的正确性。研究了钢塑复合管爆破压力与温度的关系曲线，给出了爆破压力的温度折减系数，最后，建立了钢塑复合管在不同温度下爆破压力的估算模型，该模型具有良好的预测精度。

钢塑复合管；爆破压力；有限元分析

孔网钢管复合热力管是以孔网钢管为骨架、内外层一次挤塑成型的新型绿色管道，性能优越，这种复合管道可以将钢材和PE-RT材料很好地组合在一起，具有较高的强度、刚度、防腐蚀性和抗冲击性能，是国家重点扶持发展的新型建材管道[1-3]，因此研究该管道的力学性能具有非常重要的现实意义[4-5]。

钢塑复合管用于直埋供热时，由于管道内部流体压力以及高温的影响，可能会发生爆裂破坏。目前针对钢塑复合管力学性能的研究还多停留在常温条件下[6-8]，对该复合管道在高温下的力学性能研究还不充分。工程中计算高温下钢塑复合热力管的爆破压力时，只能参考钢丝缠绕复合管和塑料管的相关规范[7]进行近似计算，但这些规范的计算方法是否适用于钢塑复合管还需深入探讨。本文以某公司生产的50、110、200三种规格的钢塑复合管为研究对象，研究钢塑复合管的爆破压力随温度的变化规律，建立了复合管爆破压力的估算模型。

1 有限元建模与计算分析

以50钢塑复合管为例，研究管道的爆破压力随温度的变化规律。采用ABAQUS软件建立50复合管的有限元模型，如图1所示，复合管的几何尺寸由表1给出，管长取3个相邻圆孔的孔距长度（3×8.5 mm＝25.5 mm）。实际工程中，与管径相比，管材长度可视为无限长，其轴向位移可忽略，因此在管道有限元模型中约束模型两端的轴向位移，在复合管道上施加内压，采用实体单元对复合管模型进行网格划分。孔网钢带母材Q235和PE-RT的材料属性引用文献[9]给出的试验结果，常温下其屈服强度为220 MPa，抗拉强度为410 MPa。材料模型设置为等向强化模型。常温～90℃范围内，钢材的本构关系近似采用常温下的本构关系，PE-RT材料本构关系随温度的影响较大，因此计算不同温度复合管的爆破压力时需输入PE-RT材料在不同温度下的本构关系。

图1 φ50钢塑复合管的有限元模型

表1 φ50、φ110、φ200孔网钢带复合热力管的有限元模型尺寸

常温下，钢塑复合管道在内压力作用下的应力分布云图如图2所示，可见随着内压的增大，孔网钢管圆孔沿管长的方向上出现了应力集中现象，该处的钢材首先出现屈服现象，此时对于PE-RT塑料管，内表面的应力明显大于外表面，其原因是内表面直接承受内压的作用，并且孔网钢管承受着主要的内压力的作用，所以PE-RT管外表面的应力很小。另外，由于圆孔处的PE-RT材料也承受了一部分内压力的作用，而这部分内压力可以传递到外表面，因此外表面圆孔处的应力明显大于其他位置。

图2 φ50复合管在内压力情况下的应力分布云图

随着内压力的增大，孔网钢管的变形增大，从而使得孔网钢管的局部应力逐渐增大，直到达到钢材的抗拉强度，进而产生裂纹并引起孔网钢管的断裂。相对于钢材，PE-RT材料的延伸率非常大，在孔网钢管断裂前，PE-RT材料还有很大的变形储备，因此当孔网钢管断裂后才会引起PE-RT塑料管产生很大变形，最终导致复合管的整体破坏，但这一过程非常短暂，因此可以将孔网钢管裂纹起始时的内压力作为爆破压力。

管道工程上应用比较广泛的钢材断裂破坏准则是Tresca应力准则，该准则假定当钢材的Tresca等效应力达到其抗拉强度时，钢材发生断裂破坏，即：

式中：1、3分别为材料的第一、第三主应力。

图3给出了钢塑复合管孔网钢带危险位置处的Tresca应力达到抗拉强度时的应力分布云图，结果表明这些危险点位于孔网钢管孔壁沿着管长的位置，裂纹在这些位置处产生，此时的内压力即为钢塑复合管的爆破压力cr。应用有限元分析获得50、110、200规格复合管常温下的爆破压力，与试验结果进行了对比，如表2所示。有限元的计算精度满足工程需要，且有限元计算结果偏于安全，因此采用有限元方法计算钢塑复合管的爆破压力正确可行。

图3 φ50复合管在爆破压力下的应力分布云图

表2 常温下复合管爆破压力的有限元结果与试验结果对比

表中：cr-FEA为爆破压力有限元计算值；cr-Test为爆破压力试验值[10]。

应用有限元方法，计算50规格的钢塑复合管在50℃、70℃和90℃下的爆破压力，得到复合管爆破压力cr随温度的变化规律，如图4所示，可见随着温度的增大，复合管的爆破压力逐渐减小，并且减小的幅度随温度的增大而逐渐趋缓。90℃温度下钢塑复合管的爆破压力比常温下降了12%。采用同样的有限元分析方法，可分别获得110、200规格的钢塑复合热力管在不同温度下的爆破压力。

2 钢塑复合管爆破压力温度影响分析

为研究钢塑复合管爆破压力随温度的变化规律，定义复合管道爆破压力的温度折减系数cr-T为：

式中：cr-常温、cr-T分别为常温和温度下的爆破压力；cr-T表征了温度下钢塑复合管的爆破压力相对于常温下的退化程度。

基于有限元计算结果，将50、110和200钢塑复合管的温度折减系数与温度的关系绘入图5中。在常温至90℃范围内，本文用式（3）来描述cr-T与温度的关系：

公式的相关系数达到0.93，说明式（3）很好地反映了温度折减系数与温度的关系。

图5 温度折减系数hcr-T随温度T的变化规律

3 钢塑复合管爆破压力的估算模型

由于直缝焊钢塑复合管的断裂破坏发生在圆孔沿管长的方向上，因此选取相邻孔间距管长的复合管进行分析，再截取一半复合管作为研究对象，如图6所示。

图6 钢塑复合管受力分析简图

在内压作用下，钢板和PE-RT材料承受的内力为：

式中：steel、PE分别为横截面上钢材和PE-RT材料承受的应力；steel、PE分别为横截面上钢材和PE-RT材料的面积。

根据图6所示的钢塑复合管分离体，建立平衡方程：

式中：、分别为钢塑复合管的管长和内径；为内压。

当钢塑复合管爆破时，为简化计算，本文假设钢材和PE-RT材料都达到其最大应力。另外，对于上述三种规格的钢塑复合管，有限元的计算结果表明当复合管爆破时，其内径在原始内径的基础上增大约1.2%，可忽略，因此式（6）可以改写为：

式中：-steel、-PE分别为钢材和PE-RT在不同温度下的抗拉强度，式（7）即为钢塑复合管爆破压力的估算模型。

采用式（7）计算50、110、200规格钢塑复合热力管分别在不同温度下的爆破压力。图7给出了式（7）的计算结果与有限元结果的对比，由图可见估算模型的计算结果与有限元结果的误差都在20%误差因子线内，满足工程要求，因此可以将式（7）用于钢塑复合管爆破压力的初步估算。

图7 钢塑复合管爆破压力估算模型的预测精度

4 结论

（1）对常温下50、110、200钢塑复合管内压作用下的受力进行有限元分析，基于Tresca应力准则获得的复合管爆破压力与试验结果吻合，因此可采用有限元方法计算钢塑复合管的爆破压力。

（2）钢塑复合管的有限元计算结果表明，孔网钢管裂纹起始于孔壁沿着管长的位置；随着温度的增大，钢塑复合管的爆破压力逐渐减小，并给出了复合管爆破压力的温度折减系数计算公式。

（3）构建了钢塑复合管爆破压力的估算模型，该模型用于复合管道爆破压力预测有较好的精度。

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Analysis of Temperature Effect on the Strength of Spiral Welded Mesh Steel Polyethylene Composite Pipe

WANG Lei1，HUANG Xuewei2

( 1.Geological Senior Technical School of Henan Province, Zhengzhou 450015, China; 2.School of Mechanics and Engineering Science, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China )

Steel-plastic composite pipe combines the advantages of steel and polyethylene, which is a new green pipe. Strength analysis of steel-plastic composite pipe is carried out by using of ABAQUS finite element software, the burst pressure of composite pipe under different temperature is calculated and the finite element results were verified by the experimental results. The relationship between burst pressure and temperature is investigated, and temperature reduction factor is obtained. Finally, the predicted model for the burst pressure of the composite pipe is developed, which has good prediction accuracy.

steel-plastic composited pipe；burst pressure；finite element analysis

TQ320.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.012

1006－0316 (2018) 02－0045－04

2017－06－30

河南省高等学校重点科研项目计划（17A130002）

王蕾（1985－），女，河南平顶山人，硕士，工程师，主要研究方向为结构强度分析。