拉伸與扭轉載荷作用下LNG低溫復合軟管的力學性能研究

張 進，安 晨，武昌旭，高 強，魏代鋒

(1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院，北京 102249; 2.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

近幾年來中國LNG(liquid natural gas)需求量增長迅速，于2018年已成為世界第二大液化天然氣進口國[1]。當前，LNG低溫復合軟管是LNG進行卸載的關鍵裝備，不同于傳統的海上非黏結柔性管[2-3]以及黏結型海洋漂浮輸油膠管[4-7]，LNG低溫復合軟管是由非黏結的多層聚合膜和纖維層構成，內外兩層螺旋金屬鋼絲將其夾緊并形成密封的管狀結構[8]。聚合膜層主要起到密封作用，防止LNG的滲漏，纖維層主要提供軟管的強度。由于LNG低溫復合軟管具有柔軟性好、重量輕、兩船間運動補償高等優點，可以滿足惡劣海況下LNG的輸送需求[9]，因此具有很好的應用前景。目前國內外僅有幾家公司具備生產LNG低溫復合軟管的能力[10]，且沒有具體的結構設計規范可以參考。由于試驗花費極其昂貴，僅有國外幾家生產商根據EN 1474-2規范[8]對LNG低溫復合軟管進行了認證試驗，但并未公開詳細的試驗數據。同時由于LNG復合軟管采用多層螺旋纏繞結構，層與層之間存在摩擦非線性等復雜問題，其理論研究也相當復雜，目前國內外對LNG低溫復合軟管的研究幾乎處于空白狀態。

目前，很多學者針對LNG金屬波紋管的力學性能展開了研究。Yang等[11]通過數值模擬對LNG金屬波紋管內襯層在拉伸及內壓載荷作用下的受力情況進行分析，考察了結構尺寸對軟管力學性能的影響規律。楊志勛等[12]考慮LNG波紋管材料非線性以及幾何非線性，基于ANSYS殼模型就波紋管結構尺寸對軟管彎曲力學性能的影響展開了分析，根據相應的靈敏度規律給出了合理的截面尺寸參數。Bardi等[13]研究發現 LNG金屬波紋管在拉伸、彎曲以及內壓載荷下會產生復雜的局部雙軸應力。可見，前人對LNG軟管的力學特性研究主要集中在LNG金屬波紋軟管，針對LNG復合軟管的研究幾乎處于空白狀態。下文首先基于江蘇某公司生產的4英寸LNG低溫復合軟管，利用ANSYS里復合材料ACP專用模塊建立LNG低溫復合軟管精細化有限元模型；其次對LNG低溫復合軟管在拉伸、扭轉兩種軸對稱載荷作用下的力學性能展開深入研究，求解不同芳綸布層、不同材料主方向的應力分布；最后改變芳綸布鋪設層數、芳綸布鋪設角度、鋼絲螺距、鋼絲直徑，對軟管拉伸剛度、扭轉剛度進行參數敏感性分析，得到各參數對于軟管力學性能的影響規律。相關研究成果可以為LNG低溫復合軟管的結構設計及其優化提供參考。

1 數值模型建立及求解

以江蘇某軟管有限公司生產的內徑為4英寸的LNG低溫復合軟管參數為例，建立LNG低溫復合軟管有限元模型，圖1所示為該公司LNG低溫復合軟管的生產制造圖。LNG低溫復合軟管截面形式比較復雜，其結構由內向外依次包括內螺旋鋼絲、6層纖維布、4層密封膜、6層纖維布以及外螺旋鋼絲，單根管體實際長度為10 m，內徑為100 mm，螺旋鋼絲直徑為4 mm，螺距為16 mm，纖維布與密封膜單層厚度分別為0.4 mm 以及0.1 mm。

圖1 LNG低溫復合軟管

1.1 材料參數

LNG低溫復合軟管工作在超低溫環境，內、外螺旋鋼絲要求具有良好的低溫韌性，通常選用ASTM 316L不銹鋼。根據文獻[14-15]設定316L不銹鋼在常溫25 ℃以及低溫-162 ℃條件下的材料屬性，列于表1。

表1 螺旋鋼絲材料屬性

對于LNG低溫復合軟管密封層材料的選擇，要求材料在超低溫工況下具有良好的密封性和柔順度，同時考慮到耐腐蝕性與經濟性，聚四氟乙烯是最佳選擇方案。聚四氟膜作為LNG低溫復合軟管的密封層，對管體力學性能貢獻極低，故將其簡化為線彈性材料，且不考慮溫度對其材料屬性的影響，彈性模量為800 MPa，泊松比為0.3。

LNG低溫復合軟管的纖維布增強層選用芳綸布Kevlar S29，其作為一種復合材料有三個主要方向：縱向“1”(纖維方向)，橫向“2”(垂直于纖維方向)，縱橫方向“3”(沿單層材料厚度方向)。何澤侃[16]通過材料力學性能試驗獲得了常溫下芳綸布的材料參數，如表2所示。芳綸布增強層由芳綸紗線經緯編織而成，可視為橫觀各向同性材料，即E1=E2，G13=G23，μ12=μ13=μ23。

根據文獻[17]可知，溫度對芳綸布材料屬性有著十分顯著的影響，圖2分別為常溫以及低溫工況下芳綸紗線和芳綸布的拉力—位移曲線。由圖2可知，低溫工況下芳綸布彈性模量幾乎是常溫下的兩倍，因此得到芳綸布在超低溫下的材料屬性，列于表3。

圖2 芳綸紗線和芳綸布的拉力—位移曲線

表3 -162 ℃下芳綸布材料參數

1.2 基于ACP模塊的模型建立

基于LNG低溫復合軟管的實際加工工藝，使用ANSYS的復合材料ACP模塊與靜力分析模塊聯合建模分析。

1.2.1 幾何模型建立

根據圣維南原理，截取10個螺距長度的中間段管體進行建模，從而盡可能排除軟管兩端邊界條件對中段應力分布的影響。LNG低溫復合軟管中間層可視為薄壁結構，采用殼體建模；纏繞鋼絲的建模相對于中間層較為簡單，直接創建實體模型即可；軟管幾何模型如圖3所示。

圖3 LNG低溫復合軟管幾何模型

1.2.2 ACP鋪層定義

LNG低溫復合軟管增強層由芳綸布螺旋纏繞而成，通常用兩層鋪設角相反的芳綸布纏繞從而抵消單層的不平衡力，纏繞角度通常設為±45°，以便在壓力作用下除了滿足環向和軸向強度外能夠獲得扭轉平衡。使用軟件中的ACP模塊進行中間層鋪層處理，指定芳綸布和聚四氟膜的鋪層層數、鋪層厚度、鋪層角度等。使用工具坐標系Rosettes來定義鋪層纖維的0°參考方向，如圖4(a)中箭頭所示；使用工具坐標系Oriented Selection Sets來定義芳綸布以及聚四氟膜的鋪層方向，圖4(b)中箭頭所指為芳綸布45°鋪設方向。

圖4 鋪層方向定義

1.2.3 網格劃分

經過網格無關性以及收斂性分析，對于中間層，采用平均尺寸為2 mm的Shell181單元進行網格劃分，共生成225 806個節點，222 896個單元，中間鋪層網格劃分情況如圖5(a)所示。對于內、外螺旋鋼絲，采用平均尺寸為2.5 mm的Solid186單元進行網格劃分，分別生成35 942個節點和40 818個節點，4 686個單元和5 322個單元，內、外螺旋鋼絲網格劃分情況如圖5(b)所示。

圖5 LNG低溫復合軟管網格劃分

1.2.4 邊界條件

邊界條件為一端約束，一端自由，并分別在自由端施加拉伸位移以及扭轉轉角位移來模擬拉伸和扭轉兩種工況。

2 結果與分析

2.1 拉伸作用下軟管的力學響應

為了對LNG低溫復合軟管的拉伸性能進行分析，在軟管的一端施加固定約束，另一端施加2 mm的軸向拉伸位移。提取軟管的整體變形云圖如圖6所示，內、外螺旋鋼絲的von Mises應力云圖如圖7所示，中間鋪層在材料主方向1以及材料主方向2上的各層應力云圖如圖8、9所示。

圖6 LNG低溫復合軟管整體變形

圖7 內、外螺旋鋼絲的von Mises應力

圖8 中間鋪層材料主方向1應力

圖9 中間鋪層材料主方向2應力

由圖8、9可知，除2個端部外，LNG低溫復合軟管內、外螺旋鋼絲以及中間鋪層的應力均沿軸向、周向呈周期性分布，因此提取軟管中段一個波峰、波谷上的應力來進行分析，所取波峰、波谷處8個特征點位置如圖10所示。考慮到聚四氟膜幾乎不承載，因此重點考察芳綸布的應力響應情況。提取1～6層以及11～16層芳綸布沿材料主方向1在8個特征點的應力值，繪制不同層芳綸布應力隨特征點位置的變化曲線，其結果如圖11(a)所示。

圖10 波峰波谷位置標記

由圖11(a)可知，1～6層芳綸布的波峰處受壓，波谷處受拉；而11～16層芳綸布的波峰處受拉，波谷處受壓。這是由于1～6層芳綸布的波峰處緊貼內螺旋鋼絲，當LNG低溫復合軟管承受拉伸載荷時，中間層芳綸布以及內、外螺旋鋼絲都有向內收縮的趨勢，當1～6層芳綸布向內收縮時，受到內螺旋鋼絲的擠壓作用，所以1～6層芳綸布波峰處受壓，而波谷處不受螺旋鋼絲的擠壓作用，所以表現為受拉。同樣的，11～16層芳綸布的波谷處，當軟管承受拉伸載荷時，外螺旋鋼絲以及中間層芳綸布都有向內收縮趨勢，因此11～16層芳綸布在波谷處承受外螺旋鋼絲的擠壓作用，表現為受壓，而波峰處不受螺旋鋼絲的擠壓作用，所以表現為受拉。

提取1～6層以及11～16層芳綸布沿材料主方向2在8個特征點的應力值，繪制不同層芳綸布應力隨特征點位置的變化曲線，其結果如圖11(b)所示。由圖11可知，材料主方向2波峰波谷處的拉壓分布以及應力值的變化趨勢都與材料主方向1的一致。這是由于芳綸布增強層是由芳綸紗線經緯平紋編織而成，在縱向以及橫向其編織密度一致，在軟管承受拉伸載荷時，芳綸布鋪層結構以及載荷形式均基本對稱，因此芳綸布在材料主方向1以及材料主方向2受力情況基本一致。

圖11 鋪層主方向1和2上應力

提取12層芳綸布以及4層聚四氟膜各層沿材料主方向1以及材料主方向2上的最大應力值，繪制中間16層鋪層的最大應力隨層數的變化曲線圖，其結果如圖12所示。由圖12可知，層數7～10層的聚四氟膜鋪層的最大應力非常小，幾乎為0；而1～6層以及11～16層芳綸布鋪層的最大應力均遠大于0；由此可知，聚四氟膜基本不承載，對LNG復合軟管的力學性能貢獻極低，主要用于防止輸送液體的滲漏；而芳綸布是軟管承擔軸向拉伸載荷的主要構件，用于提供軟管的強度；分析結果與LNG復合軟管的初始設計準則一致。另外由圖12可知，1～6層芳綸布沿材料主方向1與沿材料主方向2的最大應力基本均隨層數的增加而增加，而11～16層芳綸布上的最大應力均隨層數的增加而減小。分析結果說明距離內、外螺旋鋼絲越遠，芳綸布鋪層上的最大應力值越大。

圖12 鋪層最大應力

為了分析溫度對LNG復合軟管拉伸性能的影響，計算常溫以及低溫環境下LNG復合軟管在軸向荷載線性加載過程中拉力隨位移的變化曲線，其結果如圖13所示。

圖13 LNG低溫復合軟管拉力—位移曲線

由圖13計算可知，LNG低溫復合軟管的拉伸剛度在常溫以及低溫下均為恒定值，分別為12 798.4 kN和17 664.8 kN。相比于常溫，低溫下LNG復合軟管拉伸剛度增加了約38%，這是由于相比于常溫，芳綸布與316L不銹鋼在低溫環境下的楊氏模量均顯著增加。

2.2 扭轉作用下軟管的力學響應

為了對LNG低溫復合軟管在扭轉載荷下的力學性能進行分析，在軟管的一端施加固定約束，在另一端施加5°扭轉角。計算得到軟管在扭轉工況下中間鋪層在材料主方向1以及材料主方向2上的各層應力如圖14、15所示。由圖可知，在扭轉載荷作用下，LNG低溫復合軟管的扭轉應力沿管道軸向、周向均呈周期性分布，所以采用與分析拉伸作用下軟管力學性能一致的方法，即提取軟管中段一個波峰、波谷來進行應力分析。提取1～6層以及11～16層芳綸布沿材料主方向1在8個特征點的應力值，繪制不同層芳綸布應力隨特征點位置的變化曲線，其結果如圖16(a)所示。可以發現，奇數層芳綸布應力為負，偶數層芳綸布應力為正。這是由于奇數層芳綸布鋪層方向與扭轉角方向相反，芳綸布材料主方向1上纖維承受的是壓縮載荷；而偶數層芳綸布鋪層方向與扭轉角方向相同，芳綸布材料主方向1上纖維承受的是拉伸載荷；所以奇數層芳綸布應力為負，偶數層芳綸布應力為正。由此可知，對于成對出現的螺旋纏繞芳綸布，由于鋪層方向相反，其材料主方向1上不同纖維層受拉受壓情況相反。因此，在實際LNG低溫復合軟管結構設計中，應對不同扭轉載荷施加方向下的結構抗扭剛度分別進行考慮。

圖14 中間鋪層材料主方向1應力

圖15 中間鋪層材料主方向2應力

圖16 鋪層主方向1和2上應力

提取1～6層以及11～16層芳綸布在材料主方向2上8個特征點的應力值，如圖16(b)所示。可以發現，奇數層芳綸布應力為正，偶數層芳綸布應力為負。這是因為對于經緯編織的芳綸布，其材料主方向1與材料主方向2成90°夾角，所以若扭轉角施加方向與材料主方向1相同，則必然與材料主方向2相反，因此奇數層芳綸布材料主方向2與扭轉角方向相同，承受的是拉伸載荷，應力為正，而偶數層芳綸布材料主方向2與扭轉角方向相反，承受的是壓縮載荷，應力為負。

提取12層芳綸布以及4層聚四氟膜各層沿材料主方向1以及材料主方向2上的最大應力值，繪制中間16層鋪層的最大應力隨層數的變化曲線圖，其結果如圖17所示。可以發現，與軟管在拉伸載荷作用下的情況相似，聚四氟膜基本不承載，芳綸布是軟管承載的主要構件。同時，從圖中可以發現，12層芳綸布在材料主方向1上的每層最大應力值隨著層數增加呈現出減小—增加—減小—增加的循環變化趨勢，同樣的，12層芳綸布在材料主方向2上的每層最大應力值隨著層數增加呈現出增加—減小—增加—減小的循環變化趨勢，并且奇數層芳綸布上各層沿著材料主方向1的最大應力值大于沿著材料主方向2的最大應力值，而偶數層芳綸布上各層沿著材料主方向1的最大應力值小于沿著材料主方向2的最大應力值。

圖17 鋪層最大應力

為了分析溫度對LNG復合軟管扭轉性能的影響，計算常溫以及低溫環境下LNG復合軟管的扭矩隨扭轉角度的變化曲線，計算結果如圖18所示。由圖可知，LNG低溫復合軟管的扭轉剛度在常溫以及低溫下均為恒定值，相比于常溫，低溫下軟管扭轉剛度增加了約79%，這是因為當溫度降低時，管材的楊氏模量都顯著增加。

圖18 LNG低溫復合軟管扭矩—扭轉角度曲線

3 結構尺寸敏感性分析

為了研究LNG低溫復合軟管結構尺寸對其力學性能的影響，重點考察芳綸布鋪設角度、芳綸布鋪設層數、鋼絲螺距以及鋼絲直徑對軟管力學性能的影響規律，各參數取值如表4所示。

表4 LNG復合軟管結構參數值

3.1 芳綸布鋪設角度影響分析

保持軟管芳綸布鋪設層數12層、鋼絲螺距16 mm、鋼絲直徑4 mm不變，芳綸布鋪設角度由30°增至60°(間隔為5°)，計算不同芳綸布鋪設角度對應的軟管拉伸、扭轉剛度，計算結果如圖19(a)所示。由圖可知，隨著芳綸布鋪設角度的增加，其拉伸剛度先減小后增加，扭轉剛度先增大后減小，兩者變化規律恰好相反。LNG復合軟管的拉伸以及扭轉剛度與軟管的位移補償能力相關，軟管剛度越大，其柔性越低，對應的位移補償能力越小，軟管的疲勞壽命也就越差。因此在LNG復合軟管結構設計時，需綜合考慮芳綸布鋪設角度對軟管拉伸以及扭轉性能的影響從而確定芳綸布的最佳纏繞角。

圖19 芳綸布鋪設角度、鋪設層數、鋼絲螺距以及鋼絲直徑對軟管力學性能影響

3.2 芳綸布鋪設層數影響分析

LNG復合軟管增強層通常由兩層鋪設角度相反的芳綸布纏繞而成，保持芳綸布鋪設角度45°、鋼絲螺距16 mm、鋼絲直徑4 mm不變，芳綸布鋪設層數由10層增至16層(間隔為2層)，計算不同芳綸布鋪設層數對應的軟管拉伸、扭轉剛度，計算結果如圖19(b)所示。從圖中可以看出，軟管軸向拉伸剛度以及扭轉剛度均隨著芳綸布鋪設層數的增加而增大。在實際生產中，過多的芳綸布鋪設層數不利于軟管的成型，同時會增加軟管的制造成本，因此在軟管滿足強度性能要求的前提下，可以通過減小芳綸布鋪設層數來有效降低制造成本和改善軟管的柔性。

3.3 鋼絲螺距影響分析

保持芳綸布鋪設角度45°、芳綸布鋪設層數12層、鋼絲直徑4 mm不變，鋼絲螺距由12 mm增至24 mm(間隔為2 mm)，計算不同鋼絲螺距對應的軟管拉伸、扭轉剛度，計算結果如圖19(c)所示。由圖可知，當鋼絲螺距逐漸增大時，軟管的拉伸剛度以及扭轉剛度逐漸減小，并且這種減小的趨勢是非線性的。這種拉伸剛度隨鋼絲螺距的非線性變化規律，主要是由于LNG復合軟管的幾何非線性引起的。因此對于LNG復合軟管的設計，在合理范圍內增大鋼絲螺距有助于減小軟管的拉伸以及扭轉剛度，改善其柔性；但當鋼絲螺距超過一定值時，繼續增大鋼絲螺距不僅對其力學性能改善不大，反而不利于軟管密封形成管狀結構。

3.4 鋼絲直徑影響分析

保持芳綸布鋪設角度45°、芳綸布鋪設層數12層、鋼絲螺距16 mm不變，鋼絲直徑由3 mm增至7 mm(間隔為1 mm)，計算不同鋼絲直徑對應的軟管拉伸、扭轉剛度，計算結果如圖19(d)所示。由圖可知，軟管的拉伸、扭轉剛度均隨鋼絲直徑的增大而增大，并且這種增大趨勢同樣呈現非線性的變化關系。當鋼絲直徑較大時，可以通過減小鋼絲直徑的方式來改善軟管的柔性以適應惡劣海況下的輸送要求；但當鋼絲直徑較小時，則不宜再減小鋼絲直徑來減小軟管的剛度，因為會影響螺旋鋼絲對中間層的夾緊作用，不利于軟管密封形成管狀結構。因此設計軟管的鋼絲直徑時，應從鋼絲對中間層的夾緊作用、軟管柔性、軟管強度、制造成本等多方面考慮。

4 結 語

1)在拉伸載荷下，LNG復合軟管中芳綸布在材料主方向1以及材料主方向2上的應力分布情況相一致，均為1～6層芳綸布在波峰處受壓，波谷處受拉；11～16層芳綸布在波峰處受拉，波谷處受壓。并且相比于常溫，低溫工況下LNG復合軟管的拉伸剛度顯著增加。

2)在扭轉載荷作用下，芳綸布在材料主方向1上，奇數層芳綸布應力為負，偶數層芳綸布應力為正；在材料主方向2上，奇數層芳綸布應力為正，偶數層芳綸布應力為負。相比于常溫，低溫工況下LNG復合軟管的扭轉剛度顯著增加。

3)芳綸布鋪設角度在30°～60°范圍內變化時，軟管拉伸剛度隨著鋪設角度的增加先減小后增大，而軟管的扭轉剛度隨著鋪設角度的增加先增大后減小；軟管的拉伸剛度以及扭轉剛度均隨著芳綸布鋪設層數的增加而顯著增大，且二者與鋼絲螺距的大小成反比，與鋼絲直徑的大小成正比。