基于CAESAR Ⅱ下的地热埋地玻璃钢管道应力分析研究

李汪灏，赵 亮，白如雪，胡玮结，张舒晗

(中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 沧州 062550)

随着雄安新区的建立，其丰富的地热资源有条件建立以地热为主的分布式可再生能源系统，利用地热发电、地热供暖实现新区的绿色发展，而其中管道领域对于能源的输送是十分重要的。

现如今，主流管道还是以金属管材为主，但在地热能领域，采用金属管道输送地热水，会加快金属管道腐蚀、结垢，进而降低使用寿命，严重影响经济效益，并且其保温性能差，会造成能源的浪费[1]。随着非金属管道的大量应用，玻璃钢管道的优势逐渐显示出来，其耐腐蚀、寿命长、内壁光滑、保温性能好等特点使其得到广泛应用[2]。但玻璃钢材料本身呈现各向异性，并且其弹性模量低、层间剪切强度低、易损伤断裂的特性，使玻璃钢管道失效破坏形式变得复杂。

因此，在实际工程设计中，玻璃钢管线的性能并不稳定，为保证设计成果的安全性与经济性，对玻璃钢管线进行应力分析是十分必要的。

1 玻璃钢应力分析理论基础

对于普通金属的工艺管线与动力管线而言，进行应力分析需要遵循ASME B31.3、B31.1等相关规范，使金属管线的一次应力、二次应力以及偶然应力可以满足规范要求，论证管线设计的正确性。但因为玻璃钢管线采用的是玻璃纤维中融入树脂，逐层缠绕到模具上进行固化而成[3]，特殊的加工工艺与材质使玻璃钢管线呈现各向异性和非线性的特性。对于正交各向异性复合材料而言，其本构关系[4]表述如下式：

其中，Cij表示刚度系数，是材料的固有特性。

复合材料的性能与失效形式相较于金属而言更加复杂，已经不适用于金属管线应力校核的准则，并且ASME标准中缺少对玻璃钢材质的无因次系数K的定义[5]，所以此标准已经不能使用。

现如今国内并没有具体的玻璃钢管道的应力分析规范，所以对于玻璃钢管线进行应力分析，主要采用ISO 14692规范、BS7159规范以及UKOOA规范。

对于本文所研究的埋地玻璃钢管线，采用BS7159规范对其进行应力校核。BS7159规范采用与钢管应力分析类似的方法和公式计算截面应力，并且其失效的判定是根据等效应力来得到。在管系结构中，因为径向应力的忽略，计算公式将进行简化。

式中：σc-复合应力；

σx-轴向应力；

σsc-扭转应力；

ELAM-层合板弹性模量；

εd-设计应变。

并且，BS7159对无因次系数K定义为温度变化系数，当输送介质为液体时，K取值为0.85，气体介质取值0.8。

2 地热工程中埋地玻璃钢管道应力分析

本文以某地热开发利用项目为案例，通过CAESAR Ⅱ软件对地热埋地玻璃钢管线进行应力校核，其一次网供水设计温度为110℃，设计压力为1.6 MPa，属于GB2类压力管道。

2.1 计算基础参数设置

在进行应力分析之前，需要针对项目自身特性对CAESAR II 进行默认参数设置。如图1为配置文件的设置，其中涉及到所用玻璃钢管道材料的各种参数。

图1 配置文件设置

Fig.1 Profile settings

2.2 模型的建立

玻璃钢材料作为纤维增强复合材料，其制作工艺较为复杂，并且缺乏材料属性的统一标准，致使不同厂家所制作的玻璃钢材料存在一定的差异。根据玻璃钢管道厂商所提供的的材料数据与管道工艺条件，在CAESAR II中进行计算参数的设定，其中包括管道的数据、介质密度、保温数据、温度、压力等计算参数，以及选用BS 7159规范，并设置相应参数。

因为温度对玻璃钢材料的弹性模量与许用应力存在影响，由厂商提供材料真实实验数据设定，进而建立模型文件，图2所示。

图2 模型参数设置

图3 弯头参数设置

基于配管安装图进行建模，添加阀门与非埋地部分的支撑，并依据实际管件壁厚对弯头处进行单独设定，避免应力集中造成应力校核无法通过，如图3所示。

对模型进行埋地设置。在Basic Soil Modeler中的进行管系所在土地土壤参数的设置，本项目所选用的是CAESAR II Basic Model，其中所需设定的参数包括土壤摩擦系数、土壤密度、管顶埋深、土壤摩擦角、压实系数、屈服位移系数、线膨胀系数与温差等，最后并对管系埋地段施加约束，形成埋地模型，如图4所示。

图4 管道模型

2.3 工况设置

在应力分析中，因项目类型的不同与要求不同，使所需进行分析的工况也存在一些区别，并且玻璃钢管道与金属管道相比，不需要进行二次应力分析，而需要进行在操作工况下的应力分析。根据此地热工程项目的要求，埋地玻璃钢管道所需进行的应力校核工况如表1所示。

表1 工况类型

2.4 结果与分析

模型建立完成后，运行错误检查器确认无误，进行管道应力计算，得到持续载荷工况组合(SUS)下的一次应力校核结果，

应力占最大标准规定应力的22.6%，低于百分之百，故一次应力校核通过。

进行设计温度操作状态下的载荷工况组合(OPE)计算，得到模型中各节点的位移与约束反力的数据。其中，X轴向最大位移为4.85 mm，Y轴向最大位移为5.10 mm，Z轴向最大位移为11.50 mm，都小于规范要求的12.5 mm许用值。从数据可以看出，管道在Z轴向的位移最大，其节点位置在非埋地部分，并且此点无支撑，排除了支架脱空的可能。

在约束反力方面，因此项目没有设备，所以不需要进行设备管嘴处的受力校核，并且此项目管道大部分处于埋地状态，所以只对非埋地状态的管道Y轴向受力进行校核即可。通过分析结果可以看出，管道在Y轴向受力最大为6.5 kN，满足支撑的要求。

3 结论

本文在CAESAR II应力分析软件的基础上，以地热项目的埋地玻璃钢管道为例，在BS 7159标准下进行玻璃钢管道的应力分析，细化了埋地玻璃钢管道的应力分析内容和方法。在实际项目的基础上，对玻璃钢材料参数的选择、工况的选择、埋地模型的建立等进行了说明，从而为埋地玻璃钢管道的应力分析研究提供参考和依据，并对实现玻璃钢管道的安全生产具有重要意义。