基于CAESAR Ⅱ下的地?zé)崧竦夭Ａт摴艿缿?yīng)力分析研究

李汪灝，趙 亮，白如雪，胡瑋結(jié)，張舒晗

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 滄州 062550)

隨著雄安新區(qū)的建立，其豐富的地?zé)豳Y源有條件建立以地?zé)釣橹鞯姆植际娇稍偕茉聪到y(tǒng)，利用地?zé)岚l(fā)電、地?zé)峁┡瘜?shí)現(xiàn)新區(qū)的綠色發(fā)展，而其中管道領(lǐng)域?qū)τ谀茉吹妮斔褪鞘种匾摹?/p>

現(xiàn)如今，主流管道還是以金屬管材為主，但在地?zé)崮茴I(lǐng)域，采用金屬管道輸送地?zé)崴瑫?huì)加快金屬管道腐蝕、結(jié)垢，進(jìn)而降低使用壽命，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益，并且其保溫性能差，會(huì)造成能源的浪費(fèi)[1]。隨著非金屬管道的大量應(yīng)用，玻璃鋼管道的優(yōu)勢(shì)逐漸顯示出來，其耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、內(nèi)壁光滑、保溫性能好等特點(diǎn)使其得到廣泛應(yīng)用[2]。但玻璃鋼材料本身呈現(xiàn)各向異性，并且其彈性模量低、層間剪切強(qiáng)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(fù)雜。

因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，玻璃鋼管線的性能并不穩(wěn)定，為保證設(shè)計(jì)成果的安全性與經(jīng)濟(jì)性，對(duì)玻璃鋼管線進(jìn)行應(yīng)力分析是十分必要的。

1 玻璃鋼應(yīng)力分析理論基礎(chǔ)

對(duì)于普通金屬的工藝管線與動(dòng)力管線而言，進(jìn)行應(yīng)力分析需要遵循ASME B31.3、B31.1等相關(guān)規(guī)范，使金屬管線的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及偶然應(yīng)力可以滿足規(guī)范要求，論證管線設(shè)計(jì)的正確性。但因?yàn)椴Ａт摴芫€采用的是玻璃纖維中融入樹脂，逐層纏繞到模具上進(jìn)行固化而成[3]，特殊的加工工藝與材質(zhì)使玻璃鋼管線呈現(xiàn)各向異性和非線性的特性。對(duì)于正交各向異性復(fù)合材料而言，其本構(gòu)關(guān)系[4]表述如下式：

其中，Cij表示剛度系數(shù)，是材料的固有特性。

復(fù)合材料的性能與失效形式相較于金屬而言更加復(fù)雜，已經(jīng)不適用于金屬管線應(yīng)力校核的準(zhǔn)則，并且ASME標(biāo)準(zhǔn)中缺少對(duì)玻璃鋼材質(zhì)的無因次系數(shù)K的定義[5]，所以此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能使用。

現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)并沒有具體的玻璃鋼管道的應(yīng)力分析規(guī)范，所以對(duì)于玻璃鋼管線進(jìn)行應(yīng)力分析，主要采用ISO 14692規(guī)范、BS7159規(guī)范以及UKOOA規(guī)范。

對(duì)于本文所研究的埋地玻璃鋼管線，采用BS7159規(guī)范對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力校核。BS7159規(guī)范采用與鋼管應(yīng)力分析類似的方法和公式計(jì)算截面應(yīng)力，并且其失效的判定是根據(jù)等效應(yīng)力來得到。在管系結(jié)構(gòu)中，因?yàn)閺较驊?yīng)力的忽略，計(jì)算公式將進(jìn)行簡(jiǎn)化。

式中：σc-復(fù)合應(yīng)力；

σx-軸向應(yīng)力；

σsc-扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；

ELAM-層合板彈性模量；

εd-設(shè)計(jì)應(yīng)變。

并且，BS7159對(duì)無因次系數(shù)K定義為溫度變化系數(shù)，當(dāng)輸送介質(zhì)為液體時(shí)，K取值為0.85，氣體介質(zhì)取值0.8。

2 地?zé)峁こ讨新竦夭Ａт摴艿缿?yīng)力分析

本文以某地?zé)衢_發(fā)利用項(xiàng)目為案例，通過CAESAR Ⅱ軟件對(duì)地?zé)崧竦夭Ａт摴芫€進(jìn)行應(yīng)力校核，其一次網(wǎng)供水設(shè)計(jì)溫度為110℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，屬于GB2類壓力管道。

2.1 計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行應(yīng)力分析之前，需要針對(duì)項(xiàng)目自身特性對(duì)CAESAR II 進(jìn)行默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。如圖1為配置文件的設(shè)置，其中涉及到所用玻璃鋼管道材料的各種參數(shù)。

圖1 配置文件設(shè)置

Fig.1 Profile settings

2.2 模型的建立

玻璃鋼材料作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其制作工藝較為復(fù)雜，并且缺乏材料屬性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，致使不同廠家所制作的玻璃鋼材料存在一定的差異。根據(jù)玻璃鋼管道廠商所提供的的材料數(shù)據(jù)與管道工藝條件，在CAESAR II中進(jìn)行計(jì)算參數(shù)的設(shè)定，其中包括管道的數(shù)據(jù)、介質(zhì)密度、保溫?cái)?shù)據(jù)、溫度、壓力等計(jì)算參數(shù)，以及選用BS 7159規(guī)范，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。

因?yàn)闇囟葘?duì)玻璃鋼材料的彈性模量與許用應(yīng)力存在影響，由廠商提供材料真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，進(jìn)而建立模型文件，圖2所示。

圖2 模型參數(shù)設(shè)置

圖3 彎頭參數(shù)設(shè)置

基于配管安裝圖進(jìn)行建模，添加閥門與非埋地部分的支撐，并依據(jù)實(shí)際管件壁厚對(duì)彎頭處進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定，避免應(yīng)力集中造成應(yīng)力校核無法通過，如圖3所示。

對(duì)模型進(jìn)行埋地設(shè)置。在Basic Soil Modeler中的進(jìn)行管系所在土地土壤參數(shù)的設(shè)置，本項(xiàng)目所選用的是CAESAR II Basic Model，其中所需設(shè)定的參數(shù)包括土壤摩擦系數(shù)、土壤密度、管頂埋深、土壤摩擦角、壓實(shí)系數(shù)、屈服位移系數(shù)、線膨脹系數(shù)與溫差等，最后并對(duì)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(shè)置

在應(yīng)力分析中，因項(xiàng)目類型的不同與要求不同，使所需進(jìn)行分析的工況也存在一些區(qū)別，并且玻璃鋼管道與金屬管道相比，不需要進(jìn)行二次應(yīng)力分析，而需要進(jìn)行在操作工況下的應(yīng)力分析。根據(jù)此地?zé)峁こ添?xiàng)目的要求，埋地玻璃鋼管道所需進(jìn)行的應(yīng)力校核工況如表1所示。

表1 工況類型

2.4 結(jié)果與分析

模型建立完成后，運(yùn)行錯(cuò)誤檢查器確認(rèn)無誤，進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，得到持續(xù)載荷工況組合(SUS)下的一次應(yīng)力校核結(jié)果，

應(yīng)力占最大標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)力的22.6%，低于百分之百，故一次應(yīng)力校核通過。

進(jìn)行設(shè)計(jì)溫度操作狀態(tài)下的載荷工況組合(OPE)計(jì)算，得到模型中各節(jié)點(diǎn)的位移與約束反力的數(shù)據(jù)。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(guī)范要求的12.5 mm許用值。從數(shù)據(jù)可以看出，管道在Z軸向的位移最大，其節(jié)點(diǎn)位置在非埋地部分，并且此點(diǎn)無支撐，排除了支架脫空的可能。

在約束反力方面，因此項(xiàng)目沒有設(shè)備，所以不需要進(jìn)行設(shè)備管嘴處的受力校核，并且此項(xiàng)目管道大部分處于埋地狀態(tài)，所以只對(duì)非埋地狀態(tài)的管道Y軸向受力進(jìn)行校核即可。通過分析結(jié)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(jié)論

本文在CAESAR II應(yīng)力分析軟件的基礎(chǔ)上，以地?zé)犴?xiàng)目的埋地玻璃鋼管道為例，在BS 7159標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行玻璃鋼管道的應(yīng)力分析，細(xì)化了埋地玻璃鋼管道的應(yīng)力分析內(nèi)容和方法。在實(shí)際項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，對(duì)玻璃鋼材料參數(shù)的選擇、工況的選擇、埋地模型的建立等進(jìn)行了說明，從而為埋地玻璃鋼管道的應(yīng)力分析研究提供參考和依據(jù)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)玻璃鋼管道的安全生產(chǎn)具有重要意義。