鋼塑復合熱力管爆破壓力的有限元計算分析

王蕾，黃學偉

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鋼塑復合熱力管爆破壓力的有限元計算分析

王蕾1，黃學偉2

（1.河南省地質高級技工學校，河南 鄭州 450015；2.鄭州大學 力學與工程科學學院，河南 鄭州 450001）

鋼塑復合熱力管集鋼材和塑料的優點于一體，是一種新型的綠色管道。應用ABAQUS有限元軟件，對鋼塑復合熱力管進行了強度分析，計算了不同規格鋼塑復合管在不同溫度下的爆破壓力，并通過實驗驗證了有限元計算結果的正確性。研究了鋼塑復合管爆破壓力與溫度的關系曲線，給出了爆破壓力的溫度折減系數，最后，建立了鋼塑復合管在不同溫度下爆破壓力的估算模型，該模型具有良好的預測精度。

鋼塑復合管；爆破壓力；有限元分析

孔網鋼管復合熱力管是以孔網鋼管為骨架、內外層一次擠塑成型的新型綠色管道，性能優越，這種復合管道可以將鋼材和PE-RT材料很好地組合在一起，具有較高的強度、剛度、防腐蝕性和抗沖擊性能，是國家重點扶持發展的新型建材管道[1-3]，因此研究該管道的力學性能具有非常重要的現實意義[4-5]。

鋼塑復合管用于直埋供熱時，由于管道內部流體壓力以及高溫的影響，可能會發生爆裂破壞。目前針對鋼塑復合管力學性能的研究還多停留在常溫條件下[6-8]，對該復合管道在高溫下的力學性能研究還不充分。工程中計算高溫下鋼塑復合熱力管的爆破壓力時，只能參考鋼絲纏繞復合管和塑料管的相關規范[7]進行近似計算，但這些規范的計算方法是否適用于鋼塑復合管還需深入探討。本文以某公司生產的50、110、200三種規格的鋼塑復合管為研究對象，研究鋼塑復合管的爆破壓力隨溫度的變化規律，建立了復合管爆破壓力的估算模型。

1 有限元建模與計算分析

以50鋼塑復合管為例，研究管道的爆破壓力隨溫度的變化規律。采用ABAQUS軟件建立50復合管的有限元模型，如圖1所示，復合管的幾何尺寸由表1給出，管長取3個相鄰圓孔的孔距長度（3×8.5 mm＝25.5 mm）。實際工程中，與管徑相比，管材長度可視為無限長，其軸向位移可忽略，因此在管道有限元模型中約束模型兩端的軸向位移，在復合管道上施加內壓，采用實體單元對復合管模型進行網格劃分。孔網鋼帶母材Q235和PE-RT的材料屬性引用文獻[9]給出的試驗結果，常溫下其屈服強度為220 MPa，抗拉強度為410 MPa。材料模型設置為等向強化模型。常溫～90℃范圍內，鋼材的本構關系近似采用常溫下的本構關系，PE-RT材料本構關系隨溫度的影響較大，因此計算不同溫度復合管的爆破壓力時需輸入PE-RT材料在不同溫度下的本構關系。

圖1 φ50鋼塑復合管的有限元模型

表1 φ50、φ110、φ200孔網鋼帶復合熱力管的有限元模型尺寸

常溫下，鋼塑復合管道在內壓力作用下的應力分布云圖如圖2所示，可見隨著內壓的增大，孔網鋼管圓孔沿管長的方向上出現了應力集中現象，該處的鋼材首先出現屈服現象，此時對于PE-RT塑料管，內表面的應力明顯大于外表面，其原因是內表面直接承受內壓的作用，并且孔網鋼管承受著主要的內壓力的作用，所以PE-RT管外表面的應力很小。另外，由于圓孔處的PE-RT材料也承受了一部分內壓力的作用，而這部分內壓力可以傳遞到外表面，因此外表面圓孔處的應力明顯大于其他位置。

圖2 φ50復合管在內壓力情況下的應力分布云圖

隨著內壓力的增大，孔網鋼管的變形增大，從而使得孔網鋼管的局部應力逐漸增大，直到達到鋼材的抗拉強度，進而產生裂紋并引起孔網鋼管的斷裂。相對于鋼材，PE-RT材料的延伸率非常大，在孔網鋼管斷裂前，PE-RT材料還有很大的變形儲備，因此當孔網鋼管斷裂后才會引起PE-RT塑料管產生很大變形，最終導致復合管的整體破壞，但這一過程非常短暫，因此可以將孔網鋼管裂紋起始時的內壓力作為爆破壓力。

管道工程上應用比較廣泛的鋼材斷裂破壞準則是Tresca應力準則，該準則假定當鋼材的Tresca等效應力達到其抗拉強度時，鋼材發生斷裂破壞，即：

式中：1、3分別為材料的第一、第三主應力。

圖3給出了鋼塑復合管孔網鋼帶危險位置處的Tresca應力達到抗拉強度時的應力分布云圖，結果表明這些危險點位于孔網鋼管孔壁沿著管長的位置，裂紋在這些位置處產生，此時的內壓力即為鋼塑復合管的爆破壓力cr。應用有限元分析獲得50、110、200規格復合管常溫下的爆破壓力，與試驗結果進行了對比，如表2所示。有限元的計算精度滿足工程需要，且有限元計算結果偏于安全，因此采用有限元方法計算鋼塑復合管的爆破壓力正確可行。

圖3 φ50復合管在爆破壓力下的應力分布云圖

表2 常溫下復合管爆破壓力的有限元結果與試驗結果對比

表中：cr-FEA為爆破壓力有限元計算值；cr-Test為爆破壓力試驗值[10]。

應用有限元方法，計算50規格的鋼塑復合管在50℃、70℃和90℃下的爆破壓力，得到復合管爆破壓力cr隨溫度的變化規律，如圖4所示，可見隨著溫度的增大，復合管的爆破壓力逐漸減小，并且減小的幅度隨溫度的增大而逐漸趨緩。90℃溫度下鋼塑復合管的爆破壓力比常溫下降了12%。采用同樣的有限元分析方法，可分別獲得110、200規格的鋼塑復合熱力管在不同溫度下的爆破壓力。

2 鋼塑復合管爆破壓力溫度影響分析

為研究鋼塑復合管爆破壓力隨溫度的變化規律，定義復合管道爆破壓力的溫度折減系數cr-T為：

式中：cr-常溫、cr-T分別為常溫和溫度下的爆破壓力；cr-T表征了溫度下鋼塑復合管的爆破壓力相對于常溫下的退化程度。

基于有限元計算結果，將50、110和200鋼塑復合管的溫度折減系數與溫度的關系繪入圖5中。在常溫至90℃范圍內，本文用式（3）來描述cr-T與溫度的關系：

公式的相關系數達到0.93，說明式（3）很好地反映了溫度折減系數與溫度的關系。

圖5 溫度折減系數hcr-T隨溫度T的變化規律

3 鋼塑復合管爆破壓力的估算模型

由于直縫焊鋼塑復合管的斷裂破壞發生在圓孔沿管長的方向上，因此選取相鄰孔間距管長的復合管進行分析，再截取一半復合管作為研究對象，如圖6所示。

圖6 鋼塑復合管受力分析簡圖

在內壓作用下，鋼板和PE-RT材料承受的內力為：

式中：steel、PE分別為橫截面上鋼材和PE-RT材料承受的應力；steel、PE分別為橫截面上鋼材和PE-RT材料的面積。

根據圖6所示的鋼塑復合管分離體，建立平衡方程：

式中：、分別為鋼塑復合管的管長和內徑；為內壓。

當鋼塑復合管爆破時，為簡化計算，本文假設鋼材和PE-RT材料都達到其最大應力。另外，對于上述三種規格的鋼塑復合管，有限元的計算結果表明當復合管爆破時，其內徑在原始內徑的基礎上增大約1.2%，可忽略，因此式（6）可以改寫為：

式中：-steel、-PE分別為鋼材和PE-RT在不同溫度下的抗拉強度，式（7）即為鋼塑復合管爆破壓力的估算模型。

采用式（7）計算50、110、200規格鋼塑復合熱力管分別在不同溫度下的爆破壓力。圖7給出了式（7）的計算結果與有限元結果的對比，由圖可見估算模型的計算結果與有限元結果的誤差都在20%誤差因子線內，滿足工程要求，因此可以將式（7）用于鋼塑復合管爆破壓力的初步估算。

圖7 鋼塑復合管爆破壓力估算模型的預測精度

4 結論

（1）對常溫下50、110、200鋼塑復合管內壓作用下的受力進行有限元分析，基于Tresca應力準則獲得的復合管爆破壓力與試驗結果吻合，因此可采用有限元方法計算鋼塑復合管的爆破壓力。

（2）鋼塑復合管的有限元計算結果表明，孔網鋼管裂紋起始于孔壁沿著管長的位置；隨著溫度的增大，鋼塑復合管的爆破壓力逐漸減小，并給出了復合管爆破壓力的溫度折減系數計算公式。

（3）構建了鋼塑復合管爆破壓力的估算模型，該模型用于復合管道爆破壓力預測有較好的精度。

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Analysis of Temperature Effect on the Strength of Spiral Welded Mesh Steel Polyethylene Composite Pipe

WANG Lei1，HUANG Xuewei2

( 1.Geological Senior Technical School of Henan Province, Zhengzhou 450015, China; 2.School of Mechanics and Engineering Science, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China )

Steel-plastic composite pipe combines the advantages of steel and polyethylene, which is a new green pipe. Strength analysis of steel-plastic composite pipe is carried out by using of ABAQUS finite element software, the burst pressure of composite pipe under different temperature is calculated and the finite element results were verified by the experimental results. The relationship between burst pressure and temperature is investigated, and temperature reduction factor is obtained. Finally, the predicted model for the burst pressure of the composite pipe is developed, which has good prediction accuracy.

steel-plastic composited pipe；burst pressure；finite element analysis

TQ320.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.012

1006－0316 (2018) 02－0045－04

2017－06－30

河南省高等學校重點科研項目計劃（17A130002）

王蕾（1985－），女，河南平頂山人，碩士，工程師，主要研究方向為結構強度分析。