近年來海洋復(fù)合柔性管道逐漸在海洋工程中嶄露頭角。相對于鋼管,復(fù)合柔性管憑借其彎曲性能好、重量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)等一系列優(yōu)異的性能在油氣開采領(lǐng)域不斷受到青睞。本文研究對象為一種三層粘結(jié)型玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合柔性管,該類型管道包含外保護(hù)層(高密度聚乙烯HDPE)、中間復(fù)合材料增強(qiáng)層以及內(nèi)襯層(高密度聚乙烯HDPE)。研究內(nèi)容主要基于三維彈性理論和復(fù)合材料層合板理論,建立了玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合柔性管的理論計(jì)算模型,推導(dǎo)了復(fù)合柔性管在軸對稱載荷作用下的平衡微分方程,主要分析了管體在內(nèi)壓載荷作用下的應(yīng)力與變形規(guī)律,并將理論計(jì)算結(jié)果與ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析,結(jié)論表明理論計(jì)算與數(shù)值仿真結(jié)果具有較好的一致性。最后基于該理論模型,研究了內(nèi)襯層(外保護(hù)層)與增強(qiáng)層相對厚度對柔性管應(yīng)力和變形的影響規(guī)律,結(jié)果表明管道的增強(qiáng)層為主要承載構(gòu)件,在增強(qiáng)層纖維方向的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他方向的應(yīng)力,隨著增強(qiáng)層從內(nèi)向外擴(kuò)展,纖維方向的應(yīng)力逐漸減小,且內(nèi)襯層(外保護(hù)層)厚度對管道整體的力學(xué)性能幾乎沒有影響。 

【文章來源】：中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020年06期 北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

玻璃纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層

粘結(jié)型玻纖增強(qiáng)復(fù)合柔性管是一種新型熱塑性復(fù)合增強(qiáng)管(RTP)[2],管體結(jié)構(gòu)一般由三部分組成:內(nèi)襯層、增強(qiáng)層與外保護(hù)層,如圖1所示。層與層之間通過擠壓粘結(jié),沒有相互滑動,且各層都具有相應(yīng)的承載保護(hù)功能。內(nèi)襯層是與管道運(yùn)輸介質(zhì)直接接觸的部分,海水、石油等都有較強(qiáng)的腐蝕性,因此內(nèi)襯層必須具有較強(qiáng)的防腐蝕性能、抗老化性能,同時還要能夠防滲透防磨損。該層多由熱塑性樹脂基體或熱固性基體加熱定型而成,基體材料主要有環(huán)氧、聚乙烯、聚酰胺等。管道中間增強(qiáng)層是整個管道受力的主要承載構(gòu)件,由纖維層按特定的角度在內(nèi)襯層上纏繞鋪設(shè)而成,且在纏繞過程中必須施加一定的預(yù)緊力,以保證每層纖維層緊密粘結(jié)在一起,最終形成中間增強(qiáng)層。每層纖維層由纖維與基體材料構(gòu)成,常用纖維材料有玻璃纖維、碳纖維等,基體多采用高密度聚乙烯(HDPE)。管道的外保護(hù)層是與海底外部環(huán)境直接接觸的部分,不僅需要一定的防腐蝕性、抗磨損性,還需要一定的剛度以保證管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。外保護(hù)層的材料一般與內(nèi)襯層材料相同。目前,國內(nèi)外已有不少專家學(xué)者對復(fù)合管道的力學(xué)性能進(jìn)行了理論研究分析。余彬彬[3]對纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管的非線性屈曲理論進(jìn)行了研究,基于非線性環(huán)理論,建立了管道在彎曲、彎曲和軸向拉力組合載荷作用下的屈曲理論模型,最后進(jìn)行數(shù)值求解,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對比,得到了較好的驗(yàn)證。張?jiān)降萚4]采用彈性理論,考慮管道的內(nèi)部工作壓力及層間粘結(jié)壓力,建立了復(fù)合管道的力學(xué)模型,推導(dǎo)出各層界面上法向應(yīng)力的方程組。Chouchaoui等[5]將復(fù)合管道簡化成各向異性板材組成的結(jié)構(gòu),同時對內(nèi)壓、外壓、拉伸、扭轉(zhuǎn)等載荷作用下的多層管道進(jìn)行了應(yīng)力求解。Xia[6]基于經(jīng)典層合板理論,對不同載荷作用下的纖維纏繞管進(jìn)行了理論求解分析,并對不同纏繞角度時的管道力學(xué)性能進(jìn)行了對比,得出了力學(xué)性能較優(yōu)的纖維纏繞角度。Xing等[7]對承受軸向拉力、內(nèi)壓、外壓載荷共同作用下的纖維纏繞管進(jìn)行了變形與應(yīng)力研究分析,并將研究結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比,雖然結(jié)果驗(yàn)證具有較好的一致性,但是其研究忽略了切向應(yīng)力、應(yīng)變的影響。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]玻纖增強(qiáng)柔性管等效簡化模型研究[J]. 孟祥劍,王樹青,姚潞.  海洋工程. 2017(06)
[2]世界海洋油氣資源分布[J]. 舟丹.  中外能源. 2017(11)
[3]復(fù)合層合管力學(xué)模型的研究[J]. 張?jiān)?樊新民,孔德仁.  南京理工大學(xué)學(xué)報(bào). 1999(05)

碩士論文
[1]纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管外壓及組合荷載下的屈曲性能研究[D]. 王諾思.浙江大學(xué) 2013
[2]纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管鋪設(shè)中的非線性屈曲分析與研究[D]. 余彬彬.浙江大學(xué) 2013



本文編號：2914540