增强层气泡缺陷对CRLP 承载能力影响分析

2021-10-25张冬娜刘沛杭

石油化工应用 2021年9期

任旭，张冬娜，樊恒，刘沛杭

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安 710077；3.西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

近年来，随着世界经济快速发展，人类社会对石油天然气资源的需求不断增长，管输行业对管道性能提出了更高要求[1-6]。为了提高输送效率和增大管道输送量，人们将研究目标逐渐转移到提高管线承载能力上[7]。但传统管线钢管提高承载能力的方法有限：增加壁厚会造成管线质量的增长，提高管材钢级又会受制于材料工业的发展[8，9]。因此，人们对于新型管道的开发有着现实的需求。而复合材料因其质量轻、强度高等特点，成为一种理想的材料选择[10]。

复合材料管线钢管是在现有管线钢管外以特定角度缠绕连续纤维型复合材料，使得管体的承压能力能够得到有效提高[11]。但在缠绕成型过程中，结构层中间可能会出现气泡等缺陷，缺陷处的应力集中会使该位置的复合材料提前发生破坏，进而影响管材的整体性能。因此，探究纤维层缺陷与管线承载能力之间的关系显得尤为重要。

结合有限元软件对圆球缺陷CRLP[12-14]进行建模，从纤维层厚度及轴向两个角度，探讨增强层气泡缺陷对CRLP 承载能力的影响，能够为CRLP 设计提供更好的指导作用。

1 复材钢管极限载荷分析

1.1 CSA Z662 设计方法

对处于常温下的直管段，CSA Z662 规范[15]中关于CRLP 的最大容许操作压力的计算公式为：

式中：P-管道最大设计压力，MPa；D-管径，mm；t-金属管壁厚，mm；W-复合材料层厚度，mm；S-管线钢最小屈服强度，MPa；Th-复合材料纤维方向抗拉强度，MPa；Fr-CRLP 的设计系数；L-位置系数，取1[16]。

CSA Z662 标准中规定Fr=0.5，L 取值与建筑物密度等因素有关，且说明CRLP 爆破压力应该大于设计压力的2 倍[17]。

1.2 失效准则

在内压载荷条件下，当管材最大Mises 应力满足畸变能理论，即达到材料的拉伸强度时，管材发生失效；当缠绕层的主应力达到材料拉伸强度时，管材发生失效[18]。表达式如下：

式中：σ4-Mises 应力，MPa；σ1-1 方向主应力，MPa；σ2-2 方向主应力，MPa；σ3-3 方向主应力，MPa；[σ ]-许用应力，MPa。

2 CRLP 增强层缺陷有限元模型

2.1 建模基础数据（见表1、表2）

表1 模型几何参数

表2 材料参数

在不同加载阶段（见图1），X80 管线钢和复合材料的应力-应变之间的变化关系不同，管线钢管随应力增加会先出现屈服，屈服后钢管发生变形，之后随应力增加至最终破裂；而复合材料则是线性变化，不会出现屈服现象。

图1 材料应力-应变关系曲线

2.2 有限元模拟合理性验证

根据上述基础数据选择相关参数代入式（1），通过数值计算得出管径为1 219 mm 的CRLP 设计压力为14.12 MPa。根据CSA Z662 标准规定，该尺寸CRLP 的爆破压力[15]至少应大于28.24 MPa。

建立完整状态CRLP 有限元模型，施加内压至管体爆破（见图2，图3），模拟结果表明当管体运行压力为35.0 MPa 时，复合材料层内表面发生损坏，当管体运行压力为35.4 MPa 时，复合材料层外表面发生损坏，二者数值均大于28.24 MPa，满足CSA Z662 标准中对于爆破安全系数的有关规定。故说明运用有限元软件通过模拟相关工况来探究CRLP 承载能力具有一定的合理性。

图2 内压35 MPa 时复材层应力云图

图3 内压35.4 MPa 时复材层应力云图

2.3 计算模型简化

按照图4 中（a）、（b）所示的简化示意图建立5 种厚度方向单一圆球缺陷计算模型和5 种轴向双圆球缺陷计算模型（见表3，表4）。划分网格时选取C3D10 单元，并使用默认算法（见图5）。

表3 单一圆球缺陷模型信息

表4 双圆球缺陷模型信息

图4 含圆球缺陷管材简化示意图

图5 复材钢管模型及网格划分图

2.4 数值模拟结果分析

为得到增强层气泡缺陷对CRLP 承载能力的影响规律，首先建立相应计算模型，然后进行有限元分析。在原有失效准则基础上引入复合材料层内、外表面失效时的极限强度变化进行对比，探究不同基准下CRLP承载能力的变化情况（见图6）。

图6 复材增强层失效云图

列出纤维层厚度方向不同位置处单一圆球缺陷应力云图（见图7），可以看出管材失效首先位于缺陷位置处，当缺陷所处位置不变时，随着管体内压载荷的逐渐增大，复材层的失效面积会逐渐扩大，直至最终破坏。

图7 厚度方向单一圆球缺陷应力云图

分别提取不同工况下管线内、外表面损坏以及整体应力达到材料拉伸强度时所对应的内压载荷进行计算结果汇总（见表5、表6）；通过绘制相应的折线图与直方图来更好了解其变化规律。

表5 单一圆球缺陷不同位置计算结果

表6 轴向分布双圆球缺陷计算结果

含纤维层厚度方向单一圆球缺陷的CRLP 承载能力变化图（见图8），可以看出：对于厚度方向存在单一圆球缺陷的状况，若以外表面损坏作为管体失效判别基准，随着缺陷位置的不断外移，其极限运行压力变化趋势为先上升后逐渐降低；若以内表面损坏作为管体失效判别基准，随着缺陷位置的不断外移，其极限运行压力变化趋势与外表面变化趋势相同。当缺陷位于纤维层中部位置时，极限强度下降速率较快。

图8 单一圆球缺陷不同位置管材承载能力变化图

纤维层轴向双圆球缺陷应力云图（见图9）。选取三组不同内压载荷时的应力状态进行比对，依据图9可以看出，当两缺陷间隔距离很近时，缺陷之间会产生相互干扰，从而对管线承载能力造成影响。随着缺陷间隔距离不断增大，这种相互干扰会逐渐减弱。

图9 轴向双圆球缺陷应力云图

由图10 可知：对于存在轴向分布不同间隔距离的双圆球缺陷状况，若以外表面损坏作为管体失效判别基准，随着间隔距离不断增大，其极限强度呈缓慢递增趋势，且当间隔距离大于8 mm 后递减；若以内表面损坏作为管体失效判别基准，其变化趋势与外表面失效时管线极限强度变化趋势相同，在轴向间隔6 mm 和10 mm 位置处复材层内外表面失效的极限运行压力值一致，即内外表面同时发生失效。