玻璃钢复合材料埋地管结构设计研究.doc

玻璃钢复合材料埋地管结构设计研究
摘要: 玻璃钢复合材料管比强度高、重量轻、运输安装方便、摩擦阻力小、输运能力高、热应力小、耐磨性好、防腐蚀、可设计性强、维修方便、生产效率高、成本低,适用于石油输送管。为玻璃钢复合材料石油输送管的使用安全，同时节约施工开支，本文根据玻璃钢复合材料石油输送管的性能，以及地面压力对埋地下管子的角扩散理论，对受卡车的载荷的埋在地下的玻璃钢石油输送管,进行了不同铺层层数建模，并进行了强度计算，设计出了合理的管壁厚度，有效的减轻了玻璃钢复合材料埋地管的重量。
1.概述
管道是现代工业中流体输送的重要材料。传统的金属管、混凝土管或因易锈蚀，或因质量大，已不能满足现代工业的需要，复合材料管便应运而生。
1.1 玻璃钢管的优点
与传统的钢管和混凝土管相比，玻璃钢管具有以下优点。
（1）耐久性好。金属和混凝土管的防锈、耐化学腐蚀性很差。当周围环境恶劣或输送酸、碱介质时，很快就会发生内、外表面腐蚀而遭破坏。玻璃钢管为三层结构。其内、外层可以按使用环境和使用条件进行设计，采用相对应的耐腐内衬和外表涂层，防止腐蚀介质对管道的浸蚀破坏。这样，玻璃钢管道大大延长了使用寿命，因而能获得较高的经济效益。
（2）摩擦阻力小、输运能力高。玻璃钢管的内表面光滑，远小于钢管和混凝管的表面粗糙度，因而流体阻力小，力学特性好。若采用泵输送，在管径和流量相同时，较其他材料管道可以节能30%左右。
（3）质量轻、运输、安装方便。玻璃钢管道的自重只有钢管的1/4，混凝土管的1/10，因而运输和安装费用均较低。
（4）比强度高。玻璃钢管的纵向和环向拉伸强度为160MPa和320MPa，比钢管略低；但由于玻璃钢的密度是钢密度的1/4，因此，玻璃钢的比强度反而比钢大很多。
（5）可设计性强。可根据玻璃钢管使用情况，对其性能及连接方式进行设计。通过对玻璃纤维分配设计，使管在轴向和环向有不同的强度；对管壁厚度设计，可使玻璃钢管适用于不同外压或内压工况条件；通过材料选择设计，可以使玻璃钢管适用于各种腐蚀介质环境；通过对接头方式设计，适用于不同安装条件。
（6）产品适应性强。玻璃钢管的直径从25～3600mm均有；更大的直径亦可另行设计。玻璃钢管的使用压力可从0.1～30MPa。由于其性能可以设计，故能适应多种使用条件的要求。
（7）无污染。玻璃钢管耐腐、耐磨性好，因而管壁无杂质剥离和脱落、无腐蚀结垢，不会产生微生物，因此在使用中，不会对所输送介质产生污染。
（8）维修方便。由于玻璃钢管无锈蚀、不结垢、耐腐蚀，因此一般情况下无需维修。即便出现损伤，也因其轻巧，使维修十分方便。
（9）经济效益好。玻璃钢管的综合性能优于钢管，特别是用在有腐蚀介质的条件下，玻璃钢管的使用寿命比钢管长几倍，体现出明显的经济效益。
1.2 玻璃钢管的应用
由于玻璃钢管具有很多优越性能，因而促使世界各国都在积极研制、生产和推广使用。目前年产量已超过70万吨。在我国，玻璃钢管道已广泛用于石油、化工、供水、排污、灌溉、供气、污水处理、能源等众多领域。
下面主要来介绍一下玻璃钢管在油田中的应用。
（1）高压管道。油田所用的高压管道主要包括注水管和油井管等，管径较小，大多在φ50～φ200mm范围内，压力高，一般介于5～30MPa之间，对玻璃钢而言，条件较苛刻，国产的玻璃纤维性能上很难满足要求，生产此类管道所需玻纤需从国外进口。目前，哈尔滨史密斯玻璃钢制品有限公司等单位在国内生产此类管道，1994年起应用于油田，已先后为大庆油田、中原油田、吉林油田、胜利油田、长庆油田、辽河油田等提供了几十公里的高压玻璃钢管。
（2）中、低压玻璃钢管道。缠绕成型中低压玻璃钢管道作为钢管替代品，自20世纪90年代以来，我国油田大批量采用，国内几个大油田，如胜利油田、辽河油田、中原油田、大庆油田、克拉玛依油田、江汉油田等均大量采用了中低压缠绕玻璃钢管，青海的孕斯油田、江苏的江都油田、河北的华北油田，青海的格尔木油田等也不同程度地使用了中低压缠绕玻璃钢管道。青海的孕斯油田仅在1990年就使用了20km，胜利油田在1991-1992年期间，仅地面应用工程就使用了近30km，中原油田自1993年至今以使用170余km，油田是中低压玻璃钢管道的一个非常重要的应用市场。油田目前使用的中低压玻璃钢管道已近千公里，其选用的管径大多介于φ50～φ700mm之间，输送的介质温度最高达78℃左右，压力一般为0.1～1.6MPa。
1.3 玻璃钢复合材料埋地管的设计要点
玻璃钢管复合材料埋地管是在土壤中铺设的，是玻璃钢管道应用的一种铺设形式。它在受到管内液体内压作用的同时，还受到回填土重量引起的外压力，车辆的轮压力或地面堆积物重等活动载荷、管内流速变化而产生的瞬时压力急剧升高或降低所引起的冲击压力（又称水锤压力）、管内出现真空时的负压等。进行玻璃钢管复合材料埋地管的设计时，首先应充分了解其使用要求，根据其所输送的介质的性质选择耐腐蚀层的材料，根据要求流量来确定管的内径，根据管的工作压强和安装条件（如埋设条件及深度）来确定管的结构受力层的厚度。在进行管的力学性能设计时，应分别考虑其各种载荷情况，以及这些载荷的联合作用，由这些载荷情况的管壁应力来确定结构受力层的厚度。玻璃钢管复合材料埋地管设计就是在初步确定其厚度及埋设深度后，要求应力、应变和挠度在许用值以下，并校核外压屈曲，力求合理利用材料、降低成本，使管道安全工作。
1.4 本文主要设计内容
在本文中，主要从力学角度研究埋地管道的设计方法，对玻璃钢复合材料埋地管进行铺层设计，用ANSYS软件对其进行建模，施加载荷（包括工作内压、回填土压力和地面车辆通过时引起的土压力），进行强度校核。并计算出最先一层失效强度和极限强度。
2玻璃钢复合材料埋地管设计条件
设计大庆某批石油输送管，已知管径D＝500mm，覆土层高H＝3m，最大工作内压＝1.0MPa，要求允许通过20t载重汽车。回填土密度＝0.0018，基础支撑角2＝120°。材料用E－玻璃/环氧，强度设计安全系数取n＝2。
3.埋地管外载计算及壁厚计算
埋地管承受的载荷有管道工作内压、埋土压力和汽车行驶产生的载荷。工作内压已知＝1.0MPa，下面来计算埋土压力和汽车行驶产生的载荷。
3.1 埋土压力
当埋土深度大于200cm 时, 埋土的静压力为
（3－1）
式中 ──回填土的密度，
──埋设管道时所挖沟的宽度，cm（管径为500mm时，＝110cm）；
当由式（3－1）计算的值小于0.036MPa时，值仍取0.036MPa。
H为300cm时，则
＝0.247＝0.0247MPa
计算结果小于0.036MPa,故值仍取0.036MPa。
回填土对玻璃钢管壁产生的压力如图3.1所示。

图3.1 回填土静土压分布
计算管壁承受的垂直静土压时，上表面按均匀分布，下表面则作用于基础范围内。向上的垂直土压近似水平方向均匀分布，其值为＝1.155。
管侧水平方向的土压力，能使垂直静土压力作用下趋于扁平的管环，发生部分恢复，对于降低管环截面应力和提高管环抗变形能力都很有利。水平方向静土压力如图3－1所示近似等腰三角形分布，其最大值等于垂直静土压力。
3.2 汽车行驶产生的载荷
不考虑邻近车辆影响时，一个车轮压力传至管顶的压力强度的计算公式为
（3－2）
式中 ──管顶压力强度，；
──后轮轮压，kN；
──与埋深有关的汽车动力系数（管埋设深度≥0.7m时，＝1.0）；
a──汽车轮胎行车方向着地长度，通常取a＝0.2m；
b──汽车轮胎宽度,m；
h──任意深度，m；
──车轮压在土壤中的传播角；按我国1975年公路桥涵设计规范，取＝30°。
20t载重汽车的后轴压力为13t，则单边双轮组压力为
＝6500kg≈65kN
后轮着地宽度b=0.6m，着地长度a=0.2m；汽车动力系数＝1.0。
由式（3－2）计算得到一个双轮组引起的动压力为
＝4.365＝0.004365MPa
3.3 壁厚计算
管壁厚度计算公式为
（3－3）
式中 t──管壁厚度； D──管径；
──工作压力； ──管环向许用应力。
其中环向许用应力为管的环向破坏强度除以安全系数，即。式中n为玻璃钢管的安全系数，一般n取值为2～2.5。
经计算得，本文中所设计的埋地管壁厚t≈10mm
将由环向应力求出的t，作为初选壁厚，进行强度校核。如果也能满足强度要求，则t可以确定为管壁厚度。否则应增加壁厚，直至满足轴向强度为止。
4. 玻璃钢管道有限元分析
对于不同工况下的管道分析，若采用试验方法来分析，则需花费大量的人力、物力，而有限元法在这方面则更优于物理试验，应用有限元理论进行分析，可以有效地对各种荷载条件、地下条件和结构性质情况下的管道进行数学模拟，大大简化了分析过程。本节运用ANSYS对埋地玻璃钢管道在土中的力学性能进行有限元分析。
管道有限元分析主要包括3部分，即前处理模块、分析计算模块和后处理模块，具体可以分为：建模、网格划分、边界处理、施加荷载、结构分析、求解和计算、结果查看等。
4.1 玻璃钢管的结构
本文中玻璃钢管的材料为E－玻璃/环氧，铺层数为80层，采用[0/90]对称铺层，每层厚0.125mm，单层材料性能参数见表1。
表1 玻璃钢材料属性
（GPa）
（GPa）
（GPa）

（GPa）
（GPa）
（GPa）
38.6
8.27
8.27
0.26
0.2
0.2
4.14
2.05
4.14

4.2 玻璃钢管的有限元分析
本文要分析的玻璃钢复合材料管道采用ANSYS单元库中SOLID 46单元对其进行网格划分。
SOLID 46是8节点3D实体单元的一种叠层形式，它的每个节点有3个自由度。它可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元允许250层的等厚度材料层，同样允许125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。SOLID 46单元有一个等效的横向刚度，允许在横向上存在非零应力、应变和位移。它可以指定失效准则。
在ANSYS中建立玻璃钢复合材料埋地管有限元模型。

图 4.1 玻璃钢复合材料埋地管模型

图 4.2 铺层情况
在管右端面处施加约束。
在圆筒外侧上表面施加载荷，为－0.040365MPa。在圆筒外侧下表面施加载荷q，为0.036MPa。在圆筒内侧施加内压，为1.0MPa。
经过ANSYS进行求解分析，用最大应力准则校核强度。
玻璃钢材料强度属性见表2。
表2 玻璃钢材料强度属性
（MPa）
（MPa）
（MPa）
（MPa）
S（MPa）
1062
610
31
118
72

等效应力等值线图为：

（a）沿X轴等效应力等值线图 （b）沿Y轴等效应力等值线图

（c）沿Z轴等效应力等值线图 （d）等效应力等值线图
图 4.3 应力等值线图

4.3 对复合材料玻璃钢管进行强度校核
当壁厚为10mm时：
许用应力为
＝/n＝1062/2＝531(MPa), ＝/n＝610/2=305(MPa)
＝/n＝31/2＝15.5(MPa), ＝/n＝118/2＝59(MPa)
用ANSYS计算可得：
（1）0°单层
＝41.2(MPa)＜ （安全）
＝8.52(MPa)＜ （安全）
（2）90°单层
＝36.9(MPa)＜ （安全）
＝13.1(MPa)＜ （安全）
所以此玻璃钢管结构是安全的。
4.4 计算最先一层失效强度
为使结构达到最轻重量，逐渐减少铺层层数，以减小壁厚，当铺层层数为40层，壁厚为5mm时，用ANSYS计算可得：
（1）0°单层
＝106(MPa)＜ （安全）
＝21.4(MPa)＜ （安全）
（2）90°单层
＝94.3(MPa)＜ （安全）
＝32.7(MPa)＞ （破坏）
90°单层刚好发生破坏，90°单层首先失效。
4.5 计算极限强度
继续减少铺层层数，计算玻璃钢复合材料埋地管极限强度。当铺层层数为24层，壁厚为3mm时，用ANSYS计算可得：
0°单层
＝568(MPa)＜ （安全）
＝119.3(MPa)＞ （破坏）
此时0°单层和90°单层都发生了破坏。
5. 结论
本文以玻璃钢复合材料埋地管为研究对象，应用ANSYS软件对玻璃钢复合材料埋地管进行建模分析，校核强度。最后得出本文所设计的结构壁厚为10mm是安全的。为使玻璃钢复合材料埋地管的重量达到最轻，在保证结构安全的前提下，通过改变铺层层数，使埋地管壁厚减小，当铺层层数为40层时，埋地管壁厚为5mm时，90°单层刚好发生破坏，所以90°单层首先失效。所以为使结构重量达到最轻，壁厚可在大于5mm的范围内合理的减小。当铺层层数为24层，壁厚减小到3mm时，0°单层和90°单层都发生了破坏，达到了极限强度。由此可得出，在设计玻璃钢复合材料埋地管结构时，管壁厚度可在大于5mm的范围内合理的减小，并且适当的增加0°层的铺层比例，从而使玻璃钢复合材料埋地管结构重量达到最轻，并且保证玻璃钢管的结构强度达到最优。
附 录
以下是用ANSYS对玻璃钢复合材料埋地管进行建模、加载、分析命令流：
（进入前处理）
/PREP7
（定义单元、材料属性）
ET,1,SOLID46
KEYOPT,1,2,0
KEYOPT,1,1,0
KEYOPT,1,3,0
KEYOPT,1,4,0
KEYOPT,1,5,0
KEYOPT,1,6,0
KEYOPT,1,8,1
KEYOPT,1,9,0
KEYOPT,1,10,0
R,1
RMODIF,1,1,80,0,0,0,0,0
RMODIF,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,1,55,1,0,0.000125,1,90,0.000125,
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,1,85,1,0,0.000125,190,0.000125,
RMODIF,1,91,1,0,0.000125,1,90,0.000125,
RMODIF,1,97,1,0,0.000125,1,90,0.000125,
RMODIF,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,1,127,1,0,0.000125,1,90,0000125,
RMODIF,1,133,1,90,0.000125,1,0,0.000125,
RMODIF,1,139,1,90,0.000125,1,0,0.000125,
RMODIF,1,145,1,90,0.000125,1,0,0.000125,
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,
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,,8.27E9
MPDATA,PRXY,1,,0.26
MPDATA,PRYZ,1,,0.2
MPDATA,PRXZ,1,,0.2
MPDATA,GXY,1,,4.14E9
MPDATA,GYZ,1,,2.05E9
MPDATA,GXZ,1,,4.14E9
（建立模型）
CYL4,0,0,0.24, ,0.25, ,5
SAVE
（网格划分）
SMRT,6
SMRT,10
MSHAPE,1,3D
MSHKEY,0
CM,_Y,VOLU
VSEL, , , 1
CM,_Y1,VOLU
CHKMSH,'VOLU'
CMSEL,S,_Y
VMESH,_Y1
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
CMDELE,_Y2
FINISH
（定义失效准则）
/POST1
FC,1,S,XTEN,1062E6
FC,1,S,XCMP,-610E6
FC,1,S,YTEN,31E6
FC,1,S,YCMP,-118E6
FC,1,S,ZTEN,31E6
FC,1,S,ZCMP,-118E6
FC,1,S,XZ,72E6
FINISH
（施加约束）
/SOLU
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,1
/GO
DA,P51X,ALL,0
（施加载荷）
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,3
/GO
SFA,P51X,1,PRES,40365
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,4
/GO
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,4
/GO
SFA,P51X,1,PRES,36000
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,5
/GO
SFA,P51X,1,PRES,1000000
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,6
/GO
SFA,P51X,1,PRES,1000000
（求解）
/STATUS,SOLU
SOLVE
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