纖維鋪層角度對低壓環(huán)氧玻璃鋼管的影響

文子彥，吳學謙

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

在石油天然氣行業(yè)中，通過管道運輸油氣水已經(jīng)是最常用的方式，不僅經(jīng)濟安全，而且對環(huán)境的破壞也是最小的[1]。并且伴隨著科學技術的不斷發(fā)展和開拓，尤其在管線應用領域，因為非金屬材料管道有著水力特性優(yōu)異，輸送阻力較小、重量輕、可以延緩結蠟結垢的特點，環(huán)氧玻璃鋼管道在各大油田得到了廣泛的運用。

1 管道鋪層角度及力學性能

玻璃管道的生產(chǎn)主要是將浸過環(huán)氧樹脂膠液的連續(xù)玻璃纖維（玻璃布、無捻粗砂）按照一定角度纏繞到芯膜上，再經(jīng)過固化脫模而成[2]。而玻璃鋼是典型的各向異性材料，根據(jù)不同的鋪層方式和鋪層角度，玻璃鋼的力學性能有著極大的差別。

本文以低壓環(huán)氧玻璃鋼管道為例，如圖1所示。鋪層數(shù)量為4，單層厚度為0.5mm。E-玻纖/環(huán)氧單向層合板力學性能[3]為：

E1=60GPa， E2=13GPa， E3=13GPa， G2=3.4GPa，υ1=0.3，Xt=1800GPa，Xc=650GPa，Yt=40GPa，Yc=90GPa，S=50GPa。

鋪層角度如表1所示。

圖1 環(huán)氧玻璃鋼管道

表1 每層鋪層角度設計

2 分析模型及分析流程

2.1 模擬建立

本文通過使用商業(yè)化有限元軟件ABAQUS，對環(huán)氧玻璃鋼管道進行建模，通過建立管道鋪層數(shù)、單個鋪層厚度、鋪層角度及、鋪層順序及材料屬性含，得到三種方案的環(huán)氧玻璃鋼管道模型，如圖2所示。

圖2 鋪層角度及順序

2.2 分析流程

本模型分析流程簡要如下：考慮管道內(nèi)壓2.5MPa的施加造成的管道應力變化，并結合二維平面Hashin破壞準則，主要考慮了纖維拉伸與壓縮失效，基體的拉伸與壓縮失效四種模式[4]，對管道的運行情況進行評估，了解纖維鋪層方式對低壓環(huán)氧玻璃鋼管的影響。

3 參數(shù)模擬

當僅有管道內(nèi)壓時，考慮管道的纖維拉伸和基體拉伸兩種損傷演化，得到圖3所示的5種方案的損傷演化程度圖。

圖3 損傷演化方案

通過對方案一、方案二和方案三的云圖參數(shù)對比，不難看出，在受到管道內(nèi)壓作用下的玻璃鋼管道均沒有達到損傷演化起始。且在纖維拉伸損傷演化程度上和基體拉伸損傷演化程度上：方案四，0°/0°/0°/0°的鋪層方式均優(yōu)于其他方案。

4 結論

通過對上述五種方案的鋪層的仿真結果探討和研究，可以知道：

1）在相同的加載條件下,鋪設0°和90°鋪層的內(nèi)壓管道，其受壓穩(wěn)定性高于未鋪設的。2）在玻璃鋼管道僅受內(nèi)部徑向壓力時，盡可能接近0°（沿管道徑向）的鋪層方式的管道，其受壓穩(wěn)定性最佳。