曾文廣，杜棟棟*，葛鵬莉，高多龍，肖雯雯，許艷艷

（1. 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；2. 山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590；3. 中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，烏魯木齊830011）

0 前言

順北地區(qū)的環(huán)境具有特殊性，沙暴天氣多且持續(xù)性強(qiáng)，沙丘起伏大［1］，順北地區(qū)管線的掩埋物為細(xì)沙，由于長(zhǎng)時(shí)間受到強(qiáng)勁風(fēng)力的影響，管線會(huì)大面積的裸露出來，沙丘流動(dòng)和側(cè)向擠壓會(huì)對(duì)管道懸空或者側(cè)向變形，并且管道的運(yùn)輸介質(zhì)是高溫、高腐蝕性的井液，因此，對(duì)管材的性能提出了較高要求。非金屬管道具有具有優(yōu)異的防腐性能，目前市場(chǎng)上用于井液輸送的非金屬管道主要是增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管道（Reinforced Thermoplastic Pipe，簡(jiǎn)稱RTP），這類管道的品種很多，如鋼骨架塑料復(fù)合管［10］、鋼絲編織復(fù)合管［11］、孔網(wǎng)板鋼骨架塑料復(fù)合管等［4］，這些管道在順北地區(qū)極端環(huán)境下能否滿足使用要求，可以利用有限元方法分析內(nèi)壓、拉伸、內(nèi)壓與拉伸下對(duì)管道的影響，然后工程實(shí)踐來驗(yàn)證分析的效果［2］。

本文在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上［5-9］，通過對(duì)順北油田的特殊環(huán)境和使用要求的分析，提出了玻璃纖維帶增強(qiáng)熱塑性塑料管材（Glass Fiber Tape Reinforced Thermoplastic Pipe，簡(jiǎn)稱GFT-RTP）的結(jié)構(gòu)和材料，并且依據(jù)管材的結(jié)構(gòu)和管道在外力載荷下管體與接頭的應(yīng)力分析，提出了滿足使用要求的連接方式。

1 管壁結(jié)構(gòu)

本文所研究的這種GFT-RTP 是一種全新的管道。GFT-RTP 由5 層所組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。外層5 和內(nèi)層3 是由高密度聚乙烯（PE-HD）作為基體材料，由連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合帶4（Continuous Glass Fiber/PE Reinforced Composite Tape，簡(jiǎn)稱CGFR-PECT）作為增強(qiáng)層按照正反方向纏繞在內(nèi)層上，功能層1 是以偏聚氟乙烯（PVDF）作為基體材料，內(nèi)層與功能層之間是將兩層黏結(jié)起來的黏結(jié)劑層2。

圖1 GFT-RTP的管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of GFT-RTP tube

2 模型參數(shù)

本文研究的GFT-RTP 具有8種規(guī)格，按內(nèi)徑尺寸分別為40、50、65、75、90、102、120、150 mm。PVDF層厚度為1 mm，黏結(jié)劑層的厚度為0.23 mm，內(nèi)、外層是PEHD材料厚度分別為6、2 mm，材料參數(shù)如表1所示。

表1 PE100參數(shù)Tab.1 Parameters of PE100

增強(qiáng)層為連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合帶（CGF-PECT）［6］，每層復(fù)合帶為0.5 mm，纏繞角按56.7 °～66.85 °正反交叉纏繞在內(nèi)層上，共有8 層復(fù)合帶。玻璃纖維與聚乙烯組成的增強(qiáng)層，不僅繼承了2 種成分各自的優(yōu)良性能，而且還能提高CGFPECT 的強(qiáng)度和韌性，補(bǔ)足缺陷［8］，測(cè)得材料參數(shù)各向彈性模量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材料參數(shù)Tab.2 Parameters of CGFR-PECT materials

3 管道在慣性載荷作用下的應(yīng)力分析

GFT-RTP的研究對(duì)象是以內(nèi)徑150 mm的管道進(jìn)行的分析，在ANSYS 中設(shè)置梁?jiǎn)卧狟EAM189 模擬管道與彈簧單元COMBINE14 單元模擬土彈簧進(jìn)行分析［12］，設(shè)置單元的懸空長(zhǎng)度分別為5、8、10、12、15 m，地埋段管道的長(zhǎng)度取懸空段管道長(zhǎng)度的1/2。非巖石類彈性地基系數(shù)采用1.5×104kN/m4，沙土密度1.7×103kg/m3，石油密度為800 kg/m3，梁?jiǎn)卧捎帽?作為材料參數(shù)［7］。

3.1 懸空管道自身重力載荷下的撓度分析

慣性載荷最常見的就是重力載荷，就是在管道以及管道內(nèi)液體重力作用在懸空部分的管道上，進(jìn)行撓度分析，懸空的長(zhǎng)度設(shè)置為5、8、10、12、15 m。在ANSYS中設(shè)置好密度，施加一個(gè)加速度場(chǎng)9.81，求解出的撓度結(jié)果。如圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，懸空的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，管道的撓度會(huì)越來越大。內(nèi)徑150 mm 懸空5 m 的最大撓度為0.023 m，懸空8 m 的最大撓度為0.11 m，懸空10 m 的最大撓度為0.28 m，懸空12 m 的最大撓度為0.54 m，懸空15 m的最大撓度為1.26 m。

3.2 懸空管道自身重力載荷下的應(yīng)力分析

圖3是GFT-RTP 在內(nèi)徑150 mm 慣性載荷作用下的應(yīng)力分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)GFT-RTP 的應(yīng)力極值發(fā)生在埋地段與懸空段交界處、懸空段中心位置處，最大正應(yīng)力位于埋地段與懸空段交界處。應(yīng)力角度來看，埋地段與懸空段交界處最危險(xiǎn)，懸空5 m 的最大應(yīng)力為1.35 MPa，懸空8 m 的最大應(yīng)力為3.26 MPa，懸空10 m 的最大應(yīng)力為5.59 MPa，懸空12 m 的最大應(yīng)力為8.70 MPa，懸空15m 的最大應(yīng)力為13.8 MPa，但懸空段中心位置處同樣需引起注意。

4 管道在風(fēng)力載荷作用下的應(yīng)力分析

4.1 懸空管道風(fēng)力載荷下的撓度分析

順北地區(qū)的最大風(fēng)力可達(dá)23 m/s，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出風(fēng)力作用在管道上的風(fēng)壓［5］，進(jìn)而求出受力載荷，施加邊界條件與約束。根據(jù)圖4中的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，懸空5 m 的最大撓度為0.005 m，懸空8 m 的最大撓度為0.024 m，懸空10 m 的最大撓度為0.054 m，懸空12 m的最大撓度為0.11 m，懸空15 m的撓度為0.24 m。

圖2 內(nèi)徑150 mm的慣性力載荷下的撓度分布Fig.2 Deflection distribution under an inertial load with an inner diameter of 150 mm

圖3 內(nèi)徑150 mm的慣性力載荷下的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution under an inertial load with an inner diameter of 150 mm

圖4 內(nèi)徑150 mm的風(fēng)力載荷下的撓度分布Fig.4 Deflection distribution under wind load with an inner diameter of 150 mm

式中 Wp——風(fēng)壓，MPa

r——空氣重度，kN/m3

v——風(fēng)速，m/s

D——管道直徑，m

g——重力加速度，m/s2

4.2 懸空管道風(fēng)力載荷下的應(yīng)力分析

風(fēng)力載荷作用下的GFT-RTP 的應(yīng)力分析，如圖5所示應(yīng)力極值仍然發(fā)生在埋地段與懸空段交界處、懸空段中心位置處，最大應(yīng)力位于埋地段與懸空段交界處。懸空5 m 的最大應(yīng)力為0.26 MPa，懸空8 m 的最大應(yīng)力0.72 MPa，懸空10 m 的最大應(yīng)力為1.16 MPa，懸空12 m的最大應(yīng)力為1.69 MPa，懸空15m的最大應(yīng)力為2.68 MPa，相對(duì)比起同等直徑大小在重力載荷下懸空15 mm的應(yīng)力，風(fēng)力作用下的應(yīng)力會(huì)小很多。

5 管道在沙丘移動(dòng)載荷作用下的撓度分析

沙丘流動(dòng)形式復(fù)雜，無法明確其對(duì)管道的沖刷載荷大?。?4］。但管道應(yīng)變僅與管道的變形有關(guān)。定義管道變形的最大撓度為滑移距離，管道最大應(yīng)變與滑移距離是一一對(duì)應(yīng)的。此外，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)沖刷載荷大小對(duì)應(yīng)變與滑移距離間的關(guān)系沒有影響。因此，我們可通過測(cè)量滑移距離，判定柔性復(fù)合管所處變形狀態(tài)，如圖6所示。

圖5 內(nèi)徑150 mm的風(fēng)力載荷下的應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution under a wind load with an inner diameter of 150 mm

假設(shè)沙丘移動(dòng)產(chǎn)生的載荷分別設(shè)置為300、400、500 N·m，在不同沙丘長(zhǎng)度下，計(jì)算其滑移距離，并分析應(yīng)力的變化趨勢(shì)。

圖6 管道受均布載荷作用的有限元變形圖Fig.6 Finite element deformation diagram of the pipeline under uniform load

5.1 管道在沙丘移動(dòng)下的滑移距離與應(yīng)力分布

如圖7～8 可知，沙丘長(zhǎng)度5 m 在內(nèi)徑150 mm 的GFT-RTP 中沙丘移動(dòng)的載荷是300 N·m 受到的最大應(yīng)力為1.34 MPa；沙丘長(zhǎng)度10 m 在沙丘移動(dòng)的載荷是300 N·m 受到的最大應(yīng)力為5.96 MPa；沙丘長(zhǎng)度15 m在沙丘移動(dòng)的載荷是300 N·m 受到的最大應(yīng)力為13.8 MPa。管道最大應(yīng)變達(dá)特征應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的滑移距離與流動(dòng)沙丘長(zhǎng)度呈線性關(guān)系，且呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是因?yàn)榱鲃?dòng)沙丘長(zhǎng)度越長(zhǎng)，發(fā)生彎曲變形的管道范圍越大，變形曲線相對(duì)越平滑，因而最大應(yīng)變達(dá)到某特征值時(shí)對(duì)應(yīng)的最大撓度越大。

圖7 內(nèi)徑150 mm在沙丘移動(dòng)300 N·m時(shí)的滑移距離分布Fig.7 Slip distance distribution of the inner diameter of 150 mm under 300 N·m of sand dune movement

圖8 內(nèi)徑150 mm在沙丘移動(dòng)300 N·m時(shí)的應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of an inner diameter of 150 mm under sand dune movement of 300 N·m

圖9 所示為不同內(nèi)徑GFT-RTP 懸空長(zhǎng)度在不同在外部載荷下的應(yīng)力分布情況?？梢钥闯觯珿FT-RTP在慣性載荷下的最大斜率為2.009，其他內(nèi)徑的斜率依次遞減為1.822、1.644、1.564、1.468、1.416、1.330、1.256；而GFT-RTP 在風(fēng)力載荷下的擬合曲線的最大斜率為1.464，其他內(nèi)徑的斜率依次遞減為1.161、0.892、0.769、0.635、0.556、0.448、0.368，慣性載荷對(duì)管道的影響要大于風(fēng)力載荷。而沙丘移動(dòng)對(duì)管道的影響，因無法準(zhǔn)確測(cè)得對(duì)管道的沖擊載荷，根據(jù)前面所假設(shè)的數(shù)據(jù)，GFT-RTP在沙丘移動(dòng)下的擬合曲線最大斜率為2.076，又大于慣性載荷對(duì)管道的影響，因此對(duì)沙丘移動(dòng)的管道危害需要進(jìn)一步的評(píng)估與試驗(yàn)。

圖9 在不同載荷條件下GFT-RTP的應(yīng)力分布曲線Fig.9 Stress distribution curve of GFT-RTP under different load conditions

圖10所示是不同內(nèi)徑GFT-RTP懸空長(zhǎng)度不同在外部載荷下的撓度分布情況。可以看出，GFT-RTP在慣性載荷下的擬合曲線最大斜率為0.469，其他內(nèi)徑的斜率依次遞減為0.383、0.292、0.252、0.209、0.184、0.151、0.127；在風(fēng)力載荷下的擬合曲線最大斜率為0.342，其他內(nèi)徑的斜率依次遞減為0.245、0.158、0.124、0.090、0.072、0.051、0.037。根據(jù)前面所設(shè)置的沙丘移動(dòng)對(duì)GFT-RTP的沖擊數(shù)據(jù)，得出擬合曲線最大斜率為0.545，沙漠中的沙丘有整體流動(dòng)現(xiàn)象，這個(gè)對(duì)管道的危害極大，根據(jù)流動(dòng)沙丘的長(zhǎng)度與滑移距離呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，流動(dòng)沙丘的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，發(fā)生彎曲變形的管道范圍越大［14］，因此最大應(yīng)變達(dá)到某特征值時(shí)對(duì)應(yīng)的最大撓度越大。

圖10 在不同載荷條件下GFT-RTP的位移滑移距離曲線Fig.10 GFT-RTP displacement distance curves under different load conditions

6 管道連接的應(yīng)力分析

6.1 管道分析預(yù)處理

進(jìn)行GFT-RTP 的對(duì)焊連接的數(shù)值分析時(shí)，需要設(shè)置4 種材料屬性，分別為GFT-RTP 內(nèi)層與外層的PE-HD 材料（參數(shù)見表1），GFT-RTP 增強(qiáng)層的連續(xù)玻璃纖維復(fù)合帶（參數(shù)見表2），封端與擴(kuò)徑使用的PEHD 與PVDF 的混合材料（PE-HD∶PVDF=70∶30，質(zhì)量比），以及GFT-RTP 的兩端的封端采用45#鋼，設(shè)置好彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等參數(shù)［13］，分析結(jié)構(gòu)效果如圖11所示。

圖11 管道連接截面示意圖Fig.11 Schematic diagram of pipe connection section

6.2 建模與劃分網(wǎng)格

ANSYS 建模與網(wǎng)格劃分如圖12 所示，擴(kuò)徑的厚度為5 mm，長(zhǎng)度為120 mm，封端的厚度為10 mm，管道模擬的長(zhǎng)度為400 mm。在軸向上劃分80個(gè)單元，圓周方向上劃分了10個(gè)單元，進(jìn)行計(jì)算模擬結(jié)果。

6.3 計(jì)算結(jié)果

如圖13所示為內(nèi)徑65 mm 的GFT-RTP 對(duì)焊連接在27.4 MPa下的每層的應(yīng)力分析情況。截面3部分的應(yīng)力是逐層遞減的，截面1 與截面2 的應(yīng)力隨管道受到的內(nèi)壓載荷時(shí)的應(yīng)力分布相同。增強(qiáng)層的對(duì)焊接頭部分的應(yīng)力比左右兩端的應(yīng)力要小，而內(nèi)層與外層應(yīng)力比左右兩端的應(yīng)力要大一些［16］，因?yàn)镻E-HD 與PVDF混合材料的彈性模量比PE-HD 的要小，彈性模量越小，材料越容易變形，硬度越?。?5］。

圖12 模型與網(wǎng)格劃分Fig.12 Model and meshing

圖13 內(nèi)徑65 mm的GFT-RTP每層的應(yīng)力分布Fig.13 Stress distribution of each layer of GFT-RTP with an inner diameter of 65 mm

7 結(jié)論

（1）GFT-RTP在承受小壓力時(shí)PE-HD處于彈性變形階段，且內(nèi)、外層能夠承受住管道的變形；當(dāng)承受壓力繼續(xù)增大時(shí)，CGFR-PECT具有抵抗大變形的能力，從而保持高強(qiáng)度的特性；增強(qiáng)層是根據(jù)管道規(guī)格設(shè)有8～14層，增強(qiáng)層的第一層的CGFR-PECT時(shí)最主要的承壓層，然后依次遞減，最外層的CGFR-PECT的承壓能力遠(yuǎn)大于內(nèi)、外層PE-HD，而且管道在內(nèi)壓的影響下，管道的撓度與應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步減??；運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)為高溫高腐蝕的油液，因此GFT-RTP的功能層采用PVDF，且PVDF能夠很好地滿足運(yùn)輸介質(zhì)的特性，根據(jù)有限元分析管材的撓度與應(yīng)力的結(jié)果，管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且能夠滿足其使用要求；

（2）對(duì)GFT-RTP的對(duì)焊連接在內(nèi)壓載荷下的應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，截面1、2的增強(qiáng)層應(yīng)力大于截面3的應(yīng)力，而截面1、2的內(nèi)、外層的應(yīng)力小于截面3；由于截面2是在管道的外徑上又?jǐn)U了一定高度的PE-HD與PVDF混合材料，改善了其受力情況，管材的連接失效主要發(fā)生在是增強(qiáng)層的連接處，因此GFT-RTP 的對(duì)焊連接后，進(jìn)行鎧裝連接，鎧裝可以將管道的軸向力通過螺紋的強(qiáng)度來抵消掉，鎧裝的厚度將GFT-RTP的環(huán)向力抵消掉。