非金属管道的受力分析与结构设计

曾文广，杜栋栋*，葛鹏莉，高多龙，肖雯雯，许艳艳

（1. 中国石油化工集团公司碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室，乌鲁木齐830011；2. 山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590；3. 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，乌鲁木齐830011）

0 前言

顺北地区的环境具有特殊性，沙暴天气多且持续性强，沙丘起伏大［1］，顺北地区管线的掩埋物为细沙，由于长时间受到强劲风力的影响，管线会大面积的裸露出来，沙丘流动和侧向挤压会对管道悬空或者侧向变形，并且管道的运输介质是高温、高腐蚀性的井液，因此，对管材的性能提出了较高要求。非金属管道具有具有优异的防腐性能，目前市场上用于井液输送的非金属管道主要是增强热塑性塑料复合管道（Reinforced Thermoplastic Pipe，简称RTP），这类管道的品种很多，如钢骨架塑料复合管［10］、钢丝编织复合管［11］、孔网板钢骨架塑料复合管等［4］，这些管道在顺北地区极端环境下能否满足使用要求，可以利用有限元方法分析内压、拉伸、内压与拉伸下对管道的影响，然后工程实践来验证分析的效果［2］。

本文在课题组前期研究成果的基础上［5-9］，通过对顺北油田的特殊环境和使用要求的分析，提出了玻璃纤维带增强热塑性塑料管材（Glass Fiber Tape Reinforced Thermoplastic Pipe，简称GFT-RTP）的结构和材料，并且依据管材的结构和管道在外力载荷下管体与接头的应力分析，提出了满足使用要求的连接方式。

1 管壁结构

本文所研究的这种GFT-RTP 是一种全新的管道。GFT-RTP 由5 层所组成，结构如图1 所示。外层5 和内层3 是由高密度聚乙烯（PE-HD）作为基体材料，由连续玻璃纤维增强聚乙烯复合带4（Continuous Glass Fiber/PE Reinforced Composite Tape，简称CGFR-PECT）作为增强层按照正反方向缠绕在内层上，功能层1 是以偏聚氟乙烯（PVDF）作为基体材料，内层与功能层之间是将两层黏结起来的黏结剂层2。

图1 GFT-RTP的管结构示意图Fig.1 Structure diagram of GFT-RTP tube

2 模型参数

本文研究的GFT-RTP 具有8种规格，按内径尺寸分别为40、50、65、75、90、102、120、150 mm。PVDF层厚度为1 mm，黏结剂层的厚度为0.23 mm，内、外层是PEHD材料厚度分别为6、2 mm，材料参数如表1所示。

表1 PE100参数Tab.1 Parameters of PE100

增强层为连续玻璃纤维增强聚乙烯复合带（CGF-PECT）［6］，每层复合带为0.5 mm，缠绕角按56.7 °～66.85 °正反交叉缠绕在内层上，共有8 层复合带。玻璃纤维与聚乙烯组成的增强层，不仅继承了2 种成分各自的优良性能，而且还能提高CGFPECT 的强度和韧性，补足缺陷［8］，测得材料参数各向弹性模量E、各向剪切模量G 以及各向泊松比μ 如表2 所示。

表2 CGFR-PECT材料参数Tab.2 Parameters of CGFR-PECT materials

3 管道在惯性载荷作用下的应力分析

GFT-RTP的研究对象是以内径150 mm的管道进行的分析，在ANSYS 中设置梁单元BEAM189 模拟管道与弹簧单元COMBINE14 单元模拟土弹簧进行分析［12］，设置单元的悬空长度分别为5、8、10、12、15 m，地埋段管道的长度取悬空段管道长度的1/2。非岩石类弹性地基系数采用1.5×104kN/m4，沙土密度1.7×103kg/m3，石油密度为800 kg/m3，梁单元采用表1作为材料参数［7］。

3.1 悬空管道自身重力载荷下的挠度分析

惯性载荷最常见的就是重力载荷，就是在管道以及管道内液体重力作用在悬空部分的管道上，进行挠度分析，悬空的长度设置为5、8、10、12、15 m。在ANSYS中设置好密度，施加一个加速度场9.81，求解出的挠度结果。如图2 中可以发现，悬空的长度越长，管道的挠度会越来越大。内径150 mm 悬空5 m 的最大挠度为0.023 m，悬空8 m 的最大挠度为0.11 m，悬空10 m 的最大挠度为0.28 m，悬空12 m 的最大挠度为0.54 m，悬空15 m的最大挠度为1.26 m。

3.2 悬空管道自身重力载荷下的应力分析

图3是GFT-RTP 在内径150 mm 惯性载荷作用下的应力分析结果，发现GFT-RTP 的应力极值发生在埋地段与悬空段交界处、悬空段中心位置处，最大正应力位于埋地段与悬空段交界处。应力角度来看，埋地段与悬空段交界处最危险，悬空5 m 的最大应力为1.35 MPa，悬空8 m 的最大应力为3.26 MPa，悬空10 m 的最大应力为5.59 MPa，悬空12 m 的最大应力为8.70 MPa，悬空15m 的最大应力为13.8 MPa，但悬空段中心位置处同样需引起注意。

4 管道在风力载荷作用下的应力分析

4.1 悬空管道风力载荷下的挠度分析

顺北地区的最大风力可达23 m/s，根据式（1）可以计算出风力作用在管道上的风压［5］，进而求出受力载荷，施加边界条件与约束。根据图4中的计算结果发现，悬空5 m 的最大挠度为0.005 m，悬空8 m 的最大挠度为0.024 m，悬空10 m 的最大挠度为0.054 m，悬空12 m的最大挠度为0.11 m，悬空15 m的挠度为0.24 m。

图2 内径150 mm的惯性力载荷下的挠度分布Fig.2 Deflection distribution under an inertial load with an inner diameter of 150 mm

图3 内径150 mm的惯性力载荷下的应力分布Fig.3 Stress distribution under an inertial load with an inner diameter of 150 mm

图4 内径150 mm的风力载荷下的挠度分布Fig.4 Deflection distribution under wind load with an inner diameter of 150 mm

式中 Wp——风压，MPa

r——空气重度，kN/m3

v——风速，m/s

D——管道直径，m

g——重力加速度，m/s2

4.2 悬空管道风力载荷下的应力分析

风力载荷作用下的GFT-RTP 的应力分析，如图5所示应力极值仍然发生在埋地段与悬空段交界处、悬空段中心位置处，最大应力位于埋地段与悬空段交界处。悬空5 m 的最大应力为0.26 MPa，悬空8 m 的最大应力0.72 MPa，悬空10 m 的最大应力为1.16 MPa，悬空12 m的最大应力为1.69 MPa，悬空15m的最大应力为2.68 MPa，相对比起同等直径大小在重力载荷下悬空15 mm的应力，风力作用下的应力会小很多。

5 管道在沙丘移动载荷作用下的挠度分析

沙丘流动形式复杂，无法明确其对管道的冲刷载荷大小［14］。但管道应变仅与管道的变形有关。定义管道变形的最大挠度为滑移距离，管道最大应变与滑移距离是一一对应的。此外，通过对比发现冲刷载荷大小对应变与滑移距离间的关系没有影响。因此，我们可通过测量滑移距离，判定柔性复合管所处变形状态，如图6所示。

图5 内径150 mm的风力载荷下的应力分布Fig.5 Stress distribution under a wind load with an inner diameter of 150 mm

假设沙丘移动产生的载荷分别设置为300、400、500 N·m，在不同沙丘长度下，计算其滑移距离，并分析应力的变化趋势。

图6 管道受均布载荷作用的有限元变形图Fig.6 Finite element deformation diagram of the pipeline under uniform load

5.1 管道在沙丘移动下的滑移距离与应力分布

如图7～8 可知，沙丘长度5 m 在内径150 mm 的GFT-RTP 中沙丘移动的载荷是300 N·m 受到的最大应力为1.34 MPa；沙丘长度10 m 在沙丘移动的载荷是300 N·m 受到的最大应力为5.96 MPa；沙丘长度15 m在沙丘移动的载荷是300 N·m 受到的最大应力为13.8 MPa。管道最大应变达特征应变时对应的滑移距离与流动沙丘长度呈线性关系，且呈线性增长趋势。这是因为流动沙丘长度越长，发生弯曲变形的管道范围越大，变形曲线相对越平滑，因而最大应变达到某特征值时对应的最大挠度越大。

图7 内径150 mm在沙丘移动300 N·m时的滑移距离分布Fig.7 Slip distance distribution of the inner diameter of 150 mm under 300 N·m of sand dune movement

图8 内径150 mm在沙丘移动300 N·m时的应力分布Fig.8 Stress distribution of an inner diameter of 150 mm under sand dune movement of 300 N·m

图9 所示为不同内径GFT-RTP 悬空长度在不同在外部载荷下的应力分布情况。可以看出，GFT-RTP在惯性载荷下的最大斜率为2.009，其他内径的斜率依次递减为1.822、1.644、1.564、1.468、1.416、1.330、1.256；而GFT-RTP 在风力载荷下的拟合曲线的最大斜率为1.464，其他内径的斜率依次递减为1.161、0.892、0.769、0.635、0.556、0.448、0.368，惯性载荷对管道的影响要大于风力载荷。而沙丘移动对管道的影响，因无法准确测得对管道的冲击载荷，根据前面所假设的数据，GFT-RTP在沙丘移动下的拟合曲线最大斜率为2.076，又大于惯性载荷对管道的影响，因此对沙丘移动的管道危害需要进一步的评估与试验。

图9 在不同载荷条件下GFT-RTP的应力分布曲线Fig.9 Stress distribution curve of GFT-RTP under different load conditions

图10所示是不同内径GFT-RTP悬空长度不同在外部载荷下的挠度分布情况。可以看出，GFT-RTP在惯性载荷下的拟合曲线最大斜率为0.469，其他内径的斜率依次递减为0.383、0.292、0.252、0.209、0.184、0.151、0.127；在风力载荷下的拟合曲线最大斜率为0.342，其他内径的斜率依次递减为0.245、0.158、0.124、0.090、0.072、0.051、0.037。根据前面所设置的沙丘移动对GFT-RTP的冲击数据，得出拟合曲线最大斜率为0.545，沙漠中的沙丘有整体流动现象，这个对管道的危害极大，根据流动沙丘的长度与滑移距离呈线性增长关系，流动沙丘的长度越长，发生弯曲变形的管道范围越大［14］，因此最大应变达到某特征值时对应的最大挠度越大。

图10 在不同载荷条件下GFT-RTP的位移滑移距离曲线Fig.10 GFT-RTP displacement distance curves under different load conditions

6 管道连接的应力分析

6.1 管道分析预处理

进行GFT-RTP 的对焊连接的数值分析时，需要设置4 种材料属性，分别为GFT-RTP 内层与外层的PE-HD 材料（参数见表1），GFT-RTP 增强层的连续玻璃纤维复合带（参数见表2），封端与扩径使用的PEHD 与PVDF 的混合材料（PE-HD∶PVDF=70∶30，质量比），以及GFT-RTP 的两端的封端采用45#钢，设置好弹性模量、泊松比、屈服强度等参数［13］，分析结构效果如图11所示。

图11 管道连接截面示意图Fig.11 Schematic diagram of pipe connection section

6.2 建模与划分网格

ANSYS 建模与网格划分如图12 所示，扩径的厚度为5 mm，长度为120 mm，封端的厚度为10 mm，管道模拟的长度为400 mm。在轴向上划分80个单元，圆周方向上划分了10个单元，进行计算模拟结果。

6.3 计算结果

如图13所示为内径65 mm 的GFT-RTP 对焊连接在27.4 MPa下的每层的应力分析情况。截面3部分的应力是逐层递减的，截面1 与截面2 的应力随管道受到的内压载荷时的应力分布相同。增强层的对焊接头部分的应力比左右两端的应力要小，而内层与外层应力比左右两端的应力要大一些［16］，因为PE-HD 与PVDF混合材料的弹性模量比PE-HD 的要小，弹性模量越小，材料越容易变形，硬度越小［15］。

图12 模型与网格划分Fig.12 Model and meshing

图13 内径65 mm的GFT-RTP每层的应力分布Fig.13 Stress distribution of each layer of GFT-RTP with an inner diameter of 65 mm

7 结论

（1）GFT-RTP在承受小压力时PE-HD处于弹性变形阶段，且内、外层能够承受住管道的变形；当承受压力继续增大时，CGFR-PECT具有抵抗大变形的能力，从而保持高强度的特性；增强层是根据管道规格设有8～14层，增强层的第一层的CGFR-PECT时最主要的承压层，然后依次递减，最外层的CGFR-PECT的承压能力远大于内、外层PE-HD，而且管道在内压的影响下，管道的挠度与应力会进一步减小；运输的介质为高温高腐蚀的油液，因此GFT-RTP的功能层采用PVDF，且PVDF能够很好地满足运输介质的特性，根据有限元分析管材的挠度与应力的结果，管道结构设计合理且能够满足其使用要求；

（2）对GFT-RTP的对焊连接在内压载荷下的应力分析发现，截面1、2的增强层应力大于截面3的应力，而截面1、2的内、外层的应力小于截面3；由于截面2是在管道的外径上又扩了一定高度的PE-HD与PVDF混合材料，改善了其受力情况，管材的连接失效主要发生在是增强层的连接处，因此GFT-RTP 的对焊连接后，进行铠装连接，铠装可以将管道的轴向力通过螺纹的强度来抵消掉，铠装的厚度将GFT-RTP的环向力抵消掉。