玻璃鋼復(fù)合材料埋地管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

1、玻璃鋼復(fù)合材料埋地管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究摘要: 玻璃鋼復(fù)合材料管比強(qiáng)度高、重量輕、運(yùn)輸安裝方便、摩擦阻力小、輸運(yùn)能力高、熱應(yīng)力小、耐磨性好、防腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、維修方便、生產(chǎn)效率高、成本低,適用于石油輸送管。為玻璃鋼復(fù)合材料石油輸送管的使用安全，同時(shí)節(jié)約施工開(kāi)支，本文根據(jù)玻璃鋼復(fù)合材料石油輸送管的性能，以及地面壓力對(duì)埋地下管子的角擴(kuò)散理論，對(duì)受卡車的載荷的埋在地下的玻璃鋼石油輸送管,進(jìn)行了不同鋪層層數(shù)建模，并進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)出了合理的管壁厚度，有效的減輕了玻璃鋼復(fù)合材料埋地管的重量。1.概述管道是現(xiàn)代工業(yè)中流體輸送的重要材料。傳統(tǒng)的金屬管、混凝土管或因易銹蝕，或因質(zhì)量大，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要，

2、復(fù)合材料管便應(yīng)運(yùn)而生。1.1 玻璃鋼管的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的鋼管和混凝土管相比，玻璃鋼管具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）耐久性好。金屬和混凝土管的防銹、耐化學(xué)腐蝕性很差。當(dāng)周圍環(huán)境惡劣或輸送酸、堿介質(zhì)時(shí)，很快就會(huì)發(fā)生內(nèi)、外表面腐蝕而遭破壞。玻璃鋼管為三層結(jié)構(gòu)。其內(nèi)、外層可以按使用環(huán)境和使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用相對(duì)應(yīng)的耐腐內(nèi)襯和外表涂層，防止腐蝕介質(zhì)對(duì)管道的浸蝕破壞。這樣，玻璃鋼管道大大延長(zhǎng)了使用壽命，因而能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。（2）摩擦阻力小、輸運(yùn)能力高。玻璃鋼管的內(nèi)表面光滑，遠(yuǎn)小于鋼管和混凝管的表面粗糙度，因而流體阻力小，力學(xué)特性好。若采用泵輸送，在管徑和流量相同時(shí)，較其他材料管道可以節(jié)能30%左右。（3）質(zhì)量輕

3、、運(yùn)輸、安裝方便。玻璃鋼管道的自重只有鋼管的1/4，混凝土管的1/10，因而運(yùn)輸和安裝費(fèi)用均較低。（4）比強(qiáng)度高。玻璃鋼管的縱向和環(huán)向拉伸強(qiáng)度為160MPa和320MPa，比鋼管略低；但由于玻璃鋼的密度是鋼密度的1/4，因此，玻璃鋼的比強(qiáng)度反而比鋼大很多。（5）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)?？筛鶕?jù)玻璃鋼管使用情況，對(duì)其性能及連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)玻璃纖維分配設(shè)計(jì)，使管在軸向和環(huán)向有不同的強(qiáng)度；對(duì)管壁厚度設(shè)計(jì)，可使玻璃鋼管適用于不同外壓或內(nèi)壓工況條件；通過(guò)材料選擇設(shè)計(jì)，可以使玻璃鋼管適用于各種腐蝕介質(zhì)環(huán)境；通過(guò)對(duì)接頭方式設(shè)計(jì)，適用于不同安裝條件。（6）產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)。玻璃鋼管的直徑從253600mm均有；更大的直

4、徑亦可另行設(shè)計(jì)。玻璃鋼管的使用壓力可從0.130MPa。由于其性能可以設(shè)計(jì)，故能適應(yīng)多種使用條件的要求。（7）無(wú)污染。玻璃鋼管耐腐、耐磨性好，因而管壁無(wú)雜質(zhì)剝離和脫落、無(wú)腐蝕結(jié)垢，不會(huì)產(chǎn)生微生物，因此在使用中，不會(huì)對(duì)所輸送介質(zhì)產(chǎn)生污染。（8）維修方便。由于玻璃鋼管無(wú)銹蝕、不結(jié)垢、耐腐蝕，因此一般情況下無(wú)需維修。即便出現(xiàn)損傷，也因其輕巧，使維修十分方便。（9）經(jīng)濟(jì)效益好。玻璃鋼管的綜合性能優(yōu)于鋼管，特別是用在有腐蝕介質(zhì)的條件下，玻璃鋼管的使用壽命比鋼管長(zhǎng)幾倍，體現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟(jì)效益。1.2 玻璃鋼管的應(yīng)用由于玻璃鋼管具有很多優(yōu)越性能，因而促使世界各國(guó)都在積極研制、生產(chǎn)和推廣使用。目前年產(chǎn)量已超過(guò)7

5、0萬(wàn)噸。在我國(guó)，玻璃鋼管道已廣泛用于石油、化工、供水、排污、灌溉、供氣、污水處理、能源等眾多領(lǐng)域。下面主要來(lái)介紹一下玻璃鋼管在油田中的應(yīng)用。（1）高壓管道。油田所用的高壓管道主要包括注水管和油井管等，管徑較小，大多在50200mm范圍內(nèi)，壓力高，一般介于530MPa之間，對(duì)玻璃鋼而言，條件較苛刻，國(guó)產(chǎn)的玻璃纖維性能上很難滿足要求，生產(chǎn)此類管道所需玻纖需從國(guó)外進(jìn)口。目前，哈爾濱史密斯玻璃鋼制品有限公司等單位在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)此類管道，1994年起應(yīng)用于油田，已先后為大慶油田、中原油田、吉林油田、勝利油田、長(zhǎng)慶油田、遼河油田等提供了幾十公里的高壓玻璃鋼管。（2）中、低壓玻璃鋼管道。纏繞成型中低壓玻璃鋼管道

6、作為鋼管替代品，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)油田大批量采用，國(guó)內(nèi)幾個(gè)大油田，如勝利油田、遼河油田、中原油田、大慶油田、克拉瑪依油田、江漢油田等均大量采用了中低壓纏繞玻璃鋼管，青海的孕斯油田、江蘇的江都油田、河北的華北油田，青海的格爾木油田等也不同程度地使用了中低壓纏繞玻璃鋼管道。青海的孕斯油田僅在1990年就使用了20km，勝利油田在1991-1992年期間，僅地面應(yīng)用工程就使用了近30km，中原油田自1993年至今以使用170余km，油田是中低壓玻璃鋼管道的一個(gè)非常重要的應(yīng)用市場(chǎng)。油田目前使用的中低壓玻璃鋼管道已近千公里，其選用的管徑大多介于50700mm之間，輸送的介質(zhì)溫度最高達(dá)78左右，

7、壓力一般為0.11.6MPa。1.3 玻璃鋼復(fù)合材料埋地管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)玻璃鋼管復(fù)合材料埋地管是在土壤中鋪設(shè)的，是玻璃鋼管道應(yīng)用的一種鋪設(shè)形式。它在受到管內(nèi)液體內(nèi)壓作用的同時(shí)，還受到回填土重量引起的外壓力，車輛的輪壓力或地面堆積物重等活動(dòng)載荷、管內(nèi)流速變化而產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力急劇升高或降低所引起的沖擊壓力（又稱水錘壓力）、管內(nèi)出現(xiàn)真空時(shí)的負(fù)壓等。進(jìn)行玻璃鋼管復(fù)合材料埋地管的設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)充分了解其使用要求，根據(jù)其所輸送的介質(zhì)的性質(zhì)選擇耐腐蝕層的材料，根據(jù)要求流量來(lái)確定管的內(nèi)徑，根據(jù)管的工作壓強(qiáng)和安裝條件（如埋設(shè)條件及深度）來(lái)確定管的結(jié)構(gòu)受力層的厚度。在進(jìn)行管的力學(xué)性能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別考慮其各種載荷情況，

8、以及這些載荷的聯(lián)合作用，由這些載荷情況的管壁應(yīng)力來(lái)確定結(jié)構(gòu)受力層的厚度。玻璃鋼管復(fù)合材料埋地管設(shè)計(jì)就是在初步確定其厚度及埋設(shè)深度后，要求應(yīng)力、應(yīng)變和撓度在許用值以下，并校核外壓屈曲，力求合理利用材料、降低成本，使管道安全工作。1.4 本文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容在本文中，主要從力學(xué)角度研究埋地管道的設(shè)計(jì)方法，對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料埋地管進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行建模，施加載荷（包括工作內(nèi)壓、回填土壓力和地面車輛通過(guò)時(shí)引起的土壓力），進(jìn)行強(qiáng)度校核。并計(jì)算出最先一層失效強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。2.玻璃鋼復(fù)合材料埋地管設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)大慶某批石油輸送管，已知管徑D500mm，覆土層高H3m，最大工作內(nèi)壓1.0MPa，

9、要求允許通過(guò)20t載重汽車。回填土密度0.0018，基礎(chǔ)支撐角2120°。材料用E玻璃/環(huán)氧，強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)取n2。3.埋地管外載計(jì)算及壁厚計(jì)算埋地管承受的載荷有管道工作內(nèi)壓、埋土壓力和汽車行駛產(chǎn)生的載荷。工作內(nèi)壓已知1.0MPa，下面來(lái)計(jì)算埋土壓力和汽車行駛產(chǎn)生的載荷。3.1 埋土壓力當(dāng)埋土深度大于200cm 時(shí), 埋土的靜壓力為 （31）式中 回填土的密度，； 埋設(shè)管道時(shí)所挖溝的寬度，cm（管徑為500mm時(shí)，110cm）；當(dāng)由式（31）計(jì)算的值小于0.036MPa時(shí)，值仍取0.036MPa。H為300cm時(shí)，則0.2470.0247MPa計(jì)算結(jié)果小于0.036MPa,故值仍取

10、0.036MPa?；靥钔翆?duì)玻璃鋼管壁產(chǎn)生的壓力如圖3.1所示。 圖3.1 回填土靜土壓分布計(jì)算管壁承受的垂直靜土壓時(shí)，上表面按均勻分布，下表面則作用于基礎(chǔ)范圍內(nèi)。向上的垂直土壓近似水平方向均勻分布，其值為1.155。管側(cè)水平方向的土壓力，能使垂直靜土壓力作用下趨于扁平的管環(huán)，發(fā)生部分恢復(fù)，對(duì)于降低管環(huán)截面應(yīng)力和提高管環(huán)抗變形能力都很有利。水平方向靜土壓力如圖31所示近似等腰三角形分布，其最大值等于垂直靜土壓力。3.2 汽車行駛產(chǎn)生的載荷不考慮鄰近車輛影響時(shí)，一個(gè)車輪壓力傳至管頂?shù)膲毫?qiáng)度的計(jì)算公式為 （32）式中 管頂壓力強(qiáng)度，； 后輪輪壓，kN； 與埋深有關(guān)的汽車動(dòng)力系數(shù)（管埋設(shè)深度0.7m

11、時(shí)，1.0）； a汽車輪胎行車方向著地長(zhǎng)度，通常取a0.2m； b汽車輪胎寬度,m； h任意深度，m； 車輪壓在土壤中的傳播角；按我國(guó)1975年公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，取30°。20t載重汽車的后軸壓力為13t，則單邊雙輪組壓力為6500kg65kN后輪著地寬度b=0.6m，著地長(zhǎng)度a=0.2m；汽車動(dòng)力系數(shù)1.0。由式（32）計(jì)算得到一個(gè)雙輪組引起的動(dòng)壓力為4.3650.004365MPa3.3 壁厚計(jì)算管壁厚度計(jì)算公式為 （33）式中 t管壁厚度； D管徑； 工作壓力； 管環(huán)向許用應(yīng)力。其中環(huán)向許用應(yīng)力為管的環(huán)向破壞強(qiáng)度除以安全系數(shù)，即。式中n為玻璃鋼管的安全系數(shù)，一般n取值為22.5

12、。經(jīng)計(jì)算得，本文中所設(shè)計(jì)的埋地管壁厚t10mm 將由環(huán)向應(yīng)力求出的t，作為初選壁厚，進(jìn)行強(qiáng)度校核。如果也能滿足強(qiáng)度要求，則t可以確定為管壁厚度。否則應(yīng)增加壁厚，直至滿足軸向強(qiáng)度為止。4. 玻璃鋼管道有限元分析對(duì)于不同工況下的管道分析，若采用試驗(yàn)方法來(lái)分析，則需花費(fèi)大量的人力、物力，而有限元法在這方面則更優(yōu)于物理試驗(yàn)，應(yīng)用有限元理論進(jìn)行分析，可以有效地對(duì)各種荷載條件、地下條件和結(jié)構(gòu)性質(zhì)情況下的管道進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，大大簡(jiǎn)化了分析過(guò)程。本節(jié)運(yùn)用ANSYS對(duì)埋地玻璃鋼管道在土中的力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析。管道有限元分析主要包括3部分，即前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊，具體可以分為：建模、網(wǎng)格劃分、邊

13、界處理、施加荷載、結(jié)構(gòu)分析、求解和計(jì)算、結(jié)果查看等。4.1 玻璃鋼管的結(jié)構(gòu)本文中玻璃鋼管的材料為E玻璃/環(huán)氧，鋪層數(shù)為80層，采用0/90對(duì)稱鋪層，每層厚0.125mm，單層材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。表1 玻璃鋼材料屬性（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）（GPa）38.68.278.270.260.20.24.142.054.144.2 玻璃鋼管的有限元分析本文要分析的玻璃鋼復(fù)合材料管道采用ANSYS單元庫(kù)中SOLID 46單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。SOLID 46是8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元的一種疊層形式，它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。它可以用來(lái)建立疊層殼或?qū)嶓w的有限元模型，每個(gè)單元允許250層的

14、等厚度材料層，同樣允許125層的厚度在單元面內(nèi)成雙線性變化的不等厚材料層。SOLID 46單元有一個(gè)等效的橫向剛度，允許在橫向上存在非零應(yīng)力、應(yīng)變和位移。它可以指定失效準(zhǔn)則。在ANSYS中建立玻璃鋼復(fù)合材料埋地管有限元模型。圖 4.1 玻璃鋼復(fù)合材料埋地管模型圖 4.2 鋪層情況在管右端面處施加約束。在圓筒外側(cè)上表面施加載荷，為0.040365MPa。在圓筒外側(cè)下表面施加載荷q，為0.036MPa。在圓筒內(nèi)側(cè)施加內(nèi)壓，為1.0MPa。經(jīng)過(guò)ANSYS進(jìn)行求解分析，用最大應(yīng)力準(zhǔn)則校核強(qiáng)度。玻璃鋼材料強(qiáng)度屬性見(jiàn)表2。表2 玻璃鋼材料強(qiáng)度屬性（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）S（MPa）1062

15、6103111872等效應(yīng)力等值線圖為：（a）沿X軸等效應(yīng)力等值線圖 （b）沿Y軸等效應(yīng)力等值線圖（c）沿Z軸等效應(yīng)力等值線圖 （d）等效應(yīng)力等值線圖圖 4.3 應(yīng)力等值線圖4.3 對(duì)復(fù)合材料玻璃鋼管進(jìn)行強(qiáng)度校核當(dāng)壁厚為10mm時(shí)：許用應(yīng)力為/n1062/2531(MPa), /n610/2=305(MPa)/n31/215.5(MPa), /n118/259(MPa)用ANSYS計(jì)算可得：（1）0°單層41.2(MPa) （安全）8.52(MPa) （安全）（2）90°單層36.9(MPa) （安全）13.1(MPa) （安全）所以此玻璃鋼管結(jié)構(gòu)是安全的。4.4 計(jì)算最先

16、一層失效強(qiáng)度為使結(jié)構(gòu)達(dá)到最輕重量，逐漸減少鋪層層數(shù)，以減小壁厚，當(dāng)鋪層層數(shù)為40層，壁厚為5mm時(shí)，用ANSYS計(jì)算可得：（1）0°單層106(MPa) （安全）21.4(MPa) （安全）（2）90°單層94.3(MPa) （安全）32.7(MPa) （破壞）90°單層剛好發(fā)生破壞，90°單層首先失效。4.5 計(jì)算極限強(qiáng)度繼續(xù)減少鋪層層數(shù)，計(jì)算玻璃鋼復(fù)合材料埋地管極限強(qiáng)度。當(dāng)鋪層層數(shù)為24層，壁厚為3mm時(shí)，用ANSYS計(jì)算可得：0°單層568(MPa) （安全）119.3(MPa) （破壞）此時(shí)0°單層和90°單層都發(fā)生

17、了破壞。5. 結(jié)論本文以玻璃鋼復(fù)合材料埋地管為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料埋地管進(jìn)行建模分析，校核強(qiáng)度。最后得出本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)壁厚為10mm是安全的。為使玻璃鋼復(fù)合材料埋地管的重量達(dá)到最輕，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過(guò)改變鋪層層數(shù)，使埋地管壁厚減小，當(dāng)鋪層層數(shù)為40層時(shí)，埋地管壁厚為5mm時(shí)，90°單層剛好發(fā)生破壞，所以90°單層首先失效。所以為使結(jié)構(gòu)重量達(dá)到最輕，壁厚可在大于5mm的范圍內(nèi)合理的減小。當(dāng)鋪層層數(shù)為24層，壁厚減小到3mm時(shí)，0°單層和90°單層都發(fā)生了破壞，達(dá)到了極限強(qiáng)度。由此可得出，在設(shè)計(jì)玻璃鋼復(fù)合材料埋地管結(jié)構(gòu)時(shí)，

18、管壁厚度可在大于5mm的范圍內(nèi)合理的減小，并且適當(dāng)?shù)脑黾?°層的鋪層比例，從而使玻璃鋼復(fù)合材料埋地管結(jié)構(gòu)重量達(dá)到最輕，并且保證玻璃鋼管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。附 錄以下是用ANSYS對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料埋地管進(jìn)行建模、加載、分析命令流：（進(jìn)入前處理）/PREP7 （定義單元、材料屬性）ET,1,SOLID46KEYOPT,1,2,0KEYOPT,1,1,0KEYOPT,1,3,0KEYOPT,1,4,0KEYOPT,1,5,0KEYOPT,1,6,0KEYOPT,1,8,1KEYOPT,1,9,0KEYOPT,1,10,0 R,1 RMODIF,1,1,80,0,0,0,0,0 RMODIF

19、,1,13,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,19,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,25,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,31,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,37,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,43,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,49,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,55,1,0,0.000125,1

20、,90,0.000125, RMODIF,1,61,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,67,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,73,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,79,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,85,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,91,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF,1,97,1,0,0.000125,1,90,0.000125, RMODIF

21、,1,103,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,109,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,115,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,121,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,127,1,0,0.000125,1,90,0.000125,RMODIF,1,133,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,139,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,145,1,90,0.000125

22、,1,0,0.000125,RMODIF,1,151,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,157,1,90,0.000125,1,0,0.000125, RMODIF,1,163,1,90,0.000125,1,0,0.000125, RMODIF,1,169,1,90,0.000125,1,0,0.000125, RMODIF,1,175,1,90,0.000125,1,0,0.000125, RMODIF,1,181,1,90,0.000125,1,0,0.000125, RMODIF,1,187,1,90,0.000125,1,0,0.000125,

23、RMODIF,1,193,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,199,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,205,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,211,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,217,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,223,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,229,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,235,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,241,1,90,0.000125,1,0,0.000125,RMODIF,1,247,1,90,0.000125,1,0,0.000125,MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,38.6E9 MPDATA,EY,1,8.27E9 MPDATA,EZ,1,8.27E