鋼骨架塑料復(fù)合管帶壓開孔的有限元模擬研究

劉冬冬，郭娟，李建勇，朱方暉，董顏鳴，宋多培

（中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000）

近年來，我國逐漸進(jìn)入高速發(fā)展階段，給人民群眾生活層次和消費(fèi)水平帶來不同程度的提升，食品、飲料、乳制品的需求量不斷提升，各種藥品研發(fā)工作逐漸趨于成熟，讓電子行業(yè)、飲料企業(yè)、食品企業(yè)、醫(yī)藥企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈。

為有效滿足國內(nèi)市場(chǎng)需求量，各生產(chǎn)企業(yè)將重心放在市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力方面，投入大量資金來搶占市場(chǎng)，希望能取得大量市場(chǎng)份額，而管道其憑借自身具有安全性強(qiáng)、耐用性高、維護(hù)費(fèi)用低等特征，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)行業(yè)中。

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，愈發(fā)注重鋼骨架塑料復(fù)合管的應(yīng)用效果，針對(duì)鋼骨架塑料復(fù)合管發(fā)展頒布各種政策，無形中提升其應(yīng)用范圍和效果。而帶壓開孔作為鋼骨架塑料復(fù)合管的重要環(huán)節(jié)，其開孔效果會(huì)直接影響到鋼骨架塑料復(fù)合管使用效果，一旦其超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至?xí)o整個(gè)工程項(xiàng)目質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。因此，相關(guān)企業(yè)要提高對(duì)鋼骨架塑料復(fù)合管帶壓開孔的重視程度，通過有限元模擬方式來檢測(cè)帶壓開孔的具體情況，保證其能滿足建設(shè)要求。

1 ANSUS有限元分析

1.1 材料性能

工作人員可通過鋼骨架塑料復(fù)合管來實(shí)現(xiàn)模擬工作，這種復(fù)合管主要包括輻射交聯(lián)聚乙烯熱縮膠帶、高密度聚乙烯、高抗拉強(qiáng)度鋼絲等環(huán)節(jié)構(gòu)成，如表1所示。其中高抗拉強(qiáng)度鋼絲材料通常是以Q235A和Q215A為主體，鋼骨架是利用維度和經(jīng)度兩種不同方向的物質(zhì)進(jìn)行交叉實(shí)現(xiàn)；高密度聚乙烯是將高抗拉強(qiáng)度鋼絲為載體，通將高強(qiáng)度熱熔膠和高黏結(jié)性相互融合，利用焊接、纏繞等方式來形成特定形態(tài)。

表1 低碳鋼絲和高密度聚乙烯材料性能

1.2 建立模型

針對(duì)鋼骨架塑料復(fù)合管有限元模型可進(jìn)行如下假設(shè)：在不考慮管道自重和密封工具對(duì)管道作用的影響下，由于整個(gè)開孔過程是在勻速條件下進(jìn)行，其溫度基本不會(huì)出現(xiàn)過多變化，并且不會(huì)出現(xiàn)大幅度振動(dòng)，所以在整個(gè)管道開孔過程中不需要考慮到溫度對(duì)管道質(zhì)量帶來的影響。而鋼絲和塑料物質(zhì)間不存在任何空隙，即使塑料和鋼絲間具有較強(qiáng)的黏結(jié)性，能避免工作人員考慮到鋼絲和塑料間的摩擦問題。同時(shí)，為保證整個(gè)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，邊界條件和管道實(shí)際情況要基本相同，實(shí)際管道長(zhǎng)度要超過實(shí)際管道長(zhǎng)度，管道作為無限延長(zhǎng)，為消除管道邊緣效益，通常管道有限元模型長(zhǎng)度要高于管道直徑長(zhǎng)度的四倍，為真實(shí)模擬出管道固定情況，通常在管道一側(cè)選擇管道三個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)?；诖肆W(xué)平衡公式和管道強(qiáng)度理論，工作人員可將高密度聚乙烯、緯線鋼絲、復(fù)合管道中的經(jīng)線形成薄壁圓筒，有利于工作人員進(jìn)行建模工作。

構(gòu)建一個(gè)和實(shí)際尺寸相同的圓筒，沿著壁厚將圓筒設(shè)置為三層單元，其中內(nèi)外兩層作為高密度聚乙烯，剩下一層作為等效鋼絲網(wǎng)層。

在管道模型中間位置向外建設(shè)大量圓柱，再利用布爾運(yùn)算方式，從管道模型中將圓柱去掉，從而得到開孔的孔徑初始值，然后根據(jù)順序來劃分需要加載的面區(qū)域；

利用共用節(jié)點(diǎn)的方式，在內(nèi)外層聚乙烯和等效鋼絲層間進(jìn)行耦合連接，再根據(jù)材料力學(xué)性能將其分為鋼絲和塑料兩種材料的模型，如圖1所示。

圖1 鋼骨架塑料復(fù)合管模型

考慮到要消除模擬管道兩側(cè)的邊緣效應(yīng)，在選擇模型時(shí)，要選擇超過管徑長(zhǎng)度4倍的管道，來進(jìn)行開孔管段的模擬工作，并將管道開孔初始尺寸設(shè)置為D0=Dout/3，其中Dout表示擬開孔管道外徑，從而構(gòu)建鋼骨架塑料復(fù)合管帶壓開孔的ANSYS有限元模型，進(jìn)而改變整個(gè)開孔孔徑，有利于后期工作人員開孔模型尺寸的模擬計(jì)算。在安裝管道后，要及時(shí)進(jìn)行施壓、吹掃等工作，試驗(yàn)介質(zhì)要利用無油壓縮氮?dú)饣蛘呖諝?，盡可能提升管道吹掃壓力，要確保壓力高于0.9MPa。同時(shí)，在進(jìn)行壓力試驗(yàn)和吹掃試驗(yàn)時(shí)，要將系統(tǒng)中設(shè)計(jì)壓力相鄰管道閥門進(jìn)行相互連接，并在系統(tǒng)中的連接點(diǎn)閥門位置安裝盲板隔離，在吹掃試驗(yàn)后再將臨時(shí)性盲板拆除。吹掃檢驗(yàn)方法是利用無塵布浸泡丙酮，再將其輕輕擦拭管道內(nèi)部，重點(diǎn)擦拭死角位置，如三通、彎頭、閥門等位置，用肉眼來確定判斷管道內(nèi)部是否存在污染物質(zhì)，如果不存在則判定為合格。

1.3 網(wǎng)絡(luò)劃分

在不影響計(jì)算精確度的基礎(chǔ)上，工作人員針對(duì)管體環(huán)節(jié)，要利用尺寸較大的網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行規(guī)劃。所有閥門、管材、管件的型號(hào)要滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并附加產(chǎn)品合格證明。在采用管材、彎頭等部件前，要詳細(xì)觀察其表面是否存在裂紋、破皮等問題，檢查閥門和管件外觀是否出現(xiàn)砂眼。同時(shí)，在孔邊緣位置進(jìn)行平滑性處理和網(wǎng)格細(xì)化處理，避免由于網(wǎng)絡(luò)劃分不完善，導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

1.4 模型求解

管道兩端斷面通常是利用固支的限制方式，內(nèi)壓則是采用面壓形式將壓力應(yīng)用在管壁內(nèi)側(cè)，從而模擬管道日常運(yùn)行壓力；外壓同樣是使用面壓措施來進(jìn)行，不過是將壓力施加到管道外壁上，來模擬在密封三通卡具中密封注劑給管道帶來的壓力。在正常情況下，工作人員將管道壁厚度設(shè)置為12.5cm，管道運(yùn)行壓力為1功率，模擬管道直徑分別為50cm、65cm、80cm、100cm、125cm等。通過采用ANSYS軟件的處理器來收集模型中最高等效應(yīng)力，該應(yīng)力值為194MPa，并將其和鋼絲屈服應(yīng)力相比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其開孔直徑為D0=Dout/3時(shí)，模型中最高等效應(yīng)力要低于鋼的屈服應(yīng)力，管道中并未出現(xiàn)任何失效現(xiàn)象，這時(shí)開孔孔徑并非是管道最高開孔孔徑。而增大管道開孔直徑為D0=Dout/3+1×2，工作人員需要重新構(gòu)建帶孔開壓有限元模型，并進(jìn)行重復(fù)模擬計(jì)算，直到工作人員計(jì)算出的鋼屈服應(yīng)力停留在2個(gè)子步間，從而才能確定最大開孔孔徑，每個(gè)孔徑有對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。

同時(shí)，經(jīng)過上述工作人員所計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開孔孔徑為D4=Dout/3+4×2和D5=Dout/3+5×2時(shí)，有限元模型對(duì)應(yīng)最高等效應(yīng)力為236和223功率?？梢?，當(dāng)開孔孔徑為39.7時(shí)，最高應(yīng)力值為235功率，其位于最高功率和最低功率間，從而可得到D4和D5 2個(gè)子步屬于失效子步和未失效子步。因此，工作人員可通過不同孔徑對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力圖來確定管壁厚度、管理直徑、管道運(yùn)行壓力等，準(zhǔn)確計(jì)算出模擬管段最高開孔直徑為38cm（如圖2所示）。

圖2 不同孔徑對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力分布圖

1.5 計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)7種不同類型的管徑進(jìn)行分析，建立帶壓開孔的ANSYS有限元模型，從而計(jì)算出管道壁厚度為12.5mm，管道運(yùn)行時(shí)所承受的壓力為1MPa，在該種條件下所有管道帶壓開孔都是最大開孔孔徑，可見開孔孔徑會(huì)隨著管徑不斷增加而發(fā)生改變。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在《承壓設(shè)備帶壓密封技術(shù)規(guī)范》中明確指出：試驗(yàn)設(shè)備是由特殊機(jī)械三通夾具、全自動(dòng)液壓開孔機(jī)、配套閥門、試驗(yàn)管段、盲板、壓力表等環(huán)節(jié)組成。其中管道壓力增加載體是水資源，管道最高承受壓力為2.2MPa，載體溫度為20℃；管材主要采用鋼骨架塑料復(fù)合管，該管道直徑為200cm，管壁厚度9.5cm，管道長(zhǎng)度在1.8m，通過利用有限元模擬計(jì)算出其開孔最大孔徑為100cm。

2.2 試驗(yàn)方法

首先，工作人員可在試驗(yàn)管段盲板位置安裝提前校正好的壓力表，再通過入口處向里面灌注大量水資源，來提升管道內(nèi)的壓力，等到管道中的壓力持續(xù)增加到初始設(shè)定壓力時(shí)，停止15min。然后利用觀測(cè)壓力表具體數(shù)據(jù)來判斷管道自身的密封性能，如果確定管道密封性能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)增加管道內(nèi)部壓力，等到管道中壓力突破到2.2MPa時(shí)，同樣靜止15min，并仔細(xì)觀察該過程中管道不同環(huán)節(jié)的密封性，查看連接位置是否出現(xiàn)泄漏、塑性變形等問題。其次，要根據(jù)開孔位置，將特殊機(jī)械三通工具放置在試驗(yàn)管道中，將其和注劑工具相互連接，從而對(duì)密封夾具進(jìn)行注膠密封。最后，當(dāng)開孔工序完畢后，工作人員要全面檢查設(shè)備是否存在損壞現(xiàn)象，關(guān)閉平板閘門，將試驗(yàn)管道中的壓力保持在最高壓力值，在穩(wěn)定15min后，再觀察整個(gè)過程中的試驗(yàn)管道是否存在塑性變形、泄漏等問題。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過檢測(cè)試驗(yàn)管道的密封性，發(fā)現(xiàn)在相同施工條件下管道并未出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞現(xiàn)象，從而判斷出管道開孔工作成功實(shí)現(xiàn)，通過ANSYS軟件來進(jìn)行鋼骨架復(fù)合管帶壓開孔模擬具有較強(qiáng)的可行性。

3 結(jié)語

綜上所述，通過利用ANSYS有限元軟件來對(duì)鋼骨架塑料復(fù)合管進(jìn)行模擬研究，能收集到適應(yīng)于不同規(guī)格管徑的開孔孔徑，目前被廣泛應(yīng)用在油田現(xiàn)場(chǎng)，已取得不錯(cuò)的效果。同時(shí)，經(jīng)過大量實(shí)踐證明，通過在鋼骨架復(fù)合管中進(jìn)行有限元建模和力學(xué)分析，能進(jìn)一步發(fā)揮復(fù)合材料自身作用，給不動(dòng)火帶壓開孔技術(shù)在非金屬管方面的應(yīng)用提供多樣化技術(shù)，有利于解決管道施工存在的盲目性問題，有效提升現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)的能力，給非金屬管道安全施工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；贏NSYS仿真結(jié)構(gòu)，工作人員可通過檢測(cè)管段密封性，來發(fā)現(xiàn)在相同施工條件下無任何元素影響下的泄漏問題，并未發(fā)現(xiàn)有明顯的塑性變形，就表示鋼骨架塑料復(fù)合管的帶壓開孔模型精度較高，能給現(xiàn)場(chǎng)開孔工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。