基于CAESAR Ⅱ下的地熱埋地玻璃鋼管道應力分析研究

李汪灝，趙 亮，白如雪，胡瑋結，張舒晗

(中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 滄州 062550)

隨著雄安新區的建立，其豐富的地熱資源有條件建立以地熱為主的分布式可再生能源系統，利用地熱發電、地熱供暖實現新區的綠色發展，而其中管道領域對于能源的輸送是十分重要的。

現如今，主流管道還是以金屬管材為主，但在地熱能領域，采用金屬管道輸送地熱水，會加快金屬管道腐蝕、結垢，進而降低使用壽命，嚴重影響經濟效益，并且其保溫性能差，會造成能源的浪費[1]。隨著非金屬管道的大量應用，玻璃鋼管道的優勢逐漸顯示出來，其耐腐蝕、壽命長、內壁光滑、保溫性能好等特點使其得到廣泛應用[2]。但玻璃鋼材料本身呈現各向異性，并且其彈性模量低、層間剪切強度低、易損傷斷裂的特性，使玻璃鋼管道失效破壞形式變得復雜。

因此，在實際工程設計中，玻璃鋼管線的性能并不穩定，為保證設計成果的安全性與經濟性，對玻璃鋼管線進行應力分析是十分必要的。

1 玻璃鋼應力分析理論基礎

對于普通金屬的工藝管線與動力管線而言，進行應力分析需要遵循ASME B31.3、B31.1等相關規范，使金屬管線的一次應力、二次應力以及偶然應力可以滿足規范要求，論證管線設計的正確性。但因為玻璃鋼管線采用的是玻璃纖維中融入樹脂，逐層纏繞到模具上進行固化而成[3]，特殊的加工工藝與材質使玻璃鋼管線呈現各向異性和非線性的特性。對于正交各向異性復合材料而言，其本構關系[4]表述如下式：

其中，Cij表示剛度系數，是材料的固有特性。

復合材料的性能與失效形式相較于金屬而言更加復雜，已經不適用于金屬管線應力校核的準則，并且ASME標準中缺少對玻璃鋼材質的無因次系數K的定義[5]，所以此標準已經不能使用。

現如今國內并沒有具體的玻璃鋼管道的應力分析規范，所以對于玻璃鋼管線進行應力分析，主要采用ISO 14692規范、BS7159規范以及UKOOA規范。

對于本文所研究的埋地玻璃鋼管線，采用BS7159規范對其進行應力校核。BS7159規范采用與鋼管應力分析類似的方法和公式計算截面應力，并且其失效的判定是根據等效應力來得到。在管系結構中，因為徑向應力的忽略，計算公式將進行簡化。

式中：σc-復合應力；

σx-軸向應力；

σsc-扭轉應力；

ELAM-層合板彈性模量；

εd-設計應變。

并且，BS7159對無因次系數K定義為溫度變化系數，當輸送介質為液體時，K取值為0.85，氣體介質取值0.8。

2 地熱工程中埋地玻璃鋼管道應力分析

本文以某地熱開發利用項目為案例，通過CAESAR Ⅱ軟件對地熱埋地玻璃鋼管線進行應力校核，其一次網供水設計溫度為110℃，設計壓力為1.6 MPa，屬于GB2類壓力管道。

2.1 計算基礎參數設置

在進行應力分析之前，需要針對項目自身特性對CAESAR II 進行默認參數設置。如圖1為配置文件的設置，其中涉及到所用玻璃鋼管道材料的各種參數。

圖1 配置文件設置

Fig.1 Profile settings

2.2 模型的建立

玻璃鋼材料作為纖維增強復合材料，其制作工藝較為復雜，并且缺乏材料屬性的統一標準，致使不同廠家所制作的玻璃鋼材料存在一定的差異。根據玻璃鋼管道廠商所提供的的材料數據與管道工藝條件，在CAESAR II中進行計算參數的設定，其中包括管道的數據、介質密度、保溫數據、溫度、壓力等計算參數，以及選用BS 7159規范，并設置相應參數。

因為溫度對玻璃鋼材料的彈性模量與許用應力存在影響，由廠商提供材料真實實驗數據設定，進而建立模型文件，圖2所示。

圖2 模型參數設置

圖3 彎頭參數設置

基于配管安裝圖進行建模，添加閥門與非埋地部分的支撐，并依據實際管件壁厚對彎頭處進行單獨設定，避免應力集中造成應力校核無法通過，如圖3所示。

對模型進行埋地設置。在Basic Soil Modeler中的進行管系所在土地土壤參數的設置，本項目所選用的是CAESAR II Basic Model，其中所需設定的參數包括土壤摩擦系數、土壤密度、管頂埋深、土壤摩擦角、壓實系數、屈服位移系數、線膨脹系數與溫差等，最后并對管系埋地段施加約束，形成埋地模型，如圖4所示。

圖4 管道模型

2.3 工況設置

在應力分析中，因項目類型的不同與要求不同，使所需進行分析的工況也存在一些區別，并且玻璃鋼管道與金屬管道相比，不需要進行二次應力分析，而需要進行在操作工況下的應力分析。根據此地熱工程項目的要求，埋地玻璃鋼管道所需進行的應力校核工況如表1所示。

表1 工況類型

2.4 結果與分析

模型建立完成后，運行錯誤檢查器確認無誤，進行管道應力計算，得到持續載荷工況組合(SUS)下的一次應力校核結果，

應力占最大標準規定應力的22.6%，低于百分之百，故一次應力校核通過。

進行設計溫度操作狀態下的載荷工況組合(OPE)計算，得到模型中各節點的位移與約束反力的數據。其中，X軸向最大位移為4.85 mm，Y軸向最大位移為5.10 mm，Z軸向最大位移為11.50 mm，都小于規范要求的12.5 mm許用值。從數據可以看出，管道在Z軸向的位移最大，其節點位置在非埋地部分，并且此點無支撐，排除了支架脫空的可能。

在約束反力方面，因此項目沒有設備，所以不需要進行設備管嘴處的受力校核，并且此項目管道大部分處于埋地狀態，所以只對非埋地狀態的管道Y軸向受力進行校核即可。通過分析結果可以看出，管道在Y軸向受力最大為6.5 kN，滿足支撐的要求。

3 結論

本文在CAESAR II應力分析軟件的基礎上，以地熱項目的埋地玻璃鋼管道為例，在BS 7159標準下進行玻璃鋼管道的應力分析，細化了埋地玻璃鋼管道的應力分析內容和方法。在實際項目的基礎上，對玻璃鋼材料參數的選擇、工況的選擇、埋地模型的建立等進行了說明，從而為埋地玻璃鋼管道的應力分析研究提供參考和依據，并對實現玻璃鋼管道的安全生產具有重要意義。