纤维铺层角度对低压环氧玻璃钢管的影响

文子彦，吴学谦

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

在石油天然气行业中，通过管道运输油气水已经是最常用的方式，不仅经济安全，而且对环境的破坏也是最小的[1]。并且伴随着科学技术的不断发展和开拓，尤其在管线应用领域，因为非金属材料管道有着水力特性优异，输送阻力较小、重量轻、可以延缓结蜡结垢的特点，环氧玻璃钢管道在各大油田得到了广泛的运用。

1 管道铺层角度及力学性能

玻璃管道的生产主要是将浸过环氧树脂胶液的连续玻璃纤维（玻璃布、无捻粗砂）按照一定角度缠绕到芯膜上，再经过固化脱模而成[2]。而玻璃钢是典型的各向异性材料，根据不同的铺层方式和铺层角度，玻璃钢的力学性能有着极大的差别。

本文以低压环氧玻璃钢管道为例，如图1所示。铺层数量为4，单层厚度为0.5mm。E-玻纤/环氧单向层合板力学性能[3]为：

E1=60GPa， E2=13GPa， E3=13GPa， G2=3.4GPa，υ1=0.3，Xt=1800GPa，Xc=650GPa，Yt=40GPa，Yc=90GPa，S=50GPa。

铺层角度如表1所示。

图1 环氧玻璃钢管道

表1 每层铺层角度设计

2 分析模型及分析流程

2.1 模拟建立

本文通过使用商业化有限元软件ABAQUS，对环氧玻璃钢管道进行建模，通过建立管道铺层数、单个铺层厚度、铺层角度及、铺层顺序及材料属性含，得到三种方案的环氧玻璃钢管道模型，如图2所示。

图2 铺层角度及顺序

2.2 分析流程

本模型分析流程简要如下：考虑管道内压2.5MPa的施加造成的管道应力变化，并结合二维平面Hashin破坏准则，主要考虑了纤维拉伸与压缩失效，基体的拉伸与压缩失效四种模式[4]，对管道的运行情况进行评估，了解纤维铺层方式对低压环氧玻璃钢管的影响。

3 参数模拟

当仅有管道内压时，考虑管道的纤维拉伸和基体拉伸两种损伤演化，得到图3所示的5种方案的损伤演化程度图。

图3 损伤演化方案

通过对方案一、方案二和方案三的云图参数对比，不难看出，在受到管道内压作用下的玻璃钢管道均没有达到损伤演化起始。且在纤维拉伸损伤演化程度上和基体拉伸损伤演化程度上：方案四，0°/0°/0°/0°的铺层方式均优于其他方案。

4 结论

通过对上述五种方案的铺层的仿真结果探讨和研究，可以知道：

1）在相同的加载条件下,铺设0°和90°铺层的内压管道，其受压稳定性高于未铺设的。2）在玻璃钢管道仅受内部径向压力时，尽可能接近0°（沿管道径向）的铺层方式的管道，其受压稳定性最佳。