拉伸载荷下非金属粘结型柔性立管静力分析

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作者佟兵
来源中国石油大学(华东)
出版年2019
摘要
深水是油气资源勘探开发的重要领域,在开发过程中离不开海洋装备的支持,管道作为重要的输送设备一直受到各方面的关注。随着水深加大,传统的钢制管道因其自身的缺陷而存在发展瓶颈,开发一种新型管道势在必行。在柔性管道中,非金属粘结型的,以热塑性材料为基体,以纤维为增强体的复合材料管道,凭借其重量轻、耐腐蚀、柔性好等优点在众多新型管道中脱颖而出,但其关键技术却被国外公司所垄断,目前在国内关于基础理论的研究开展的也相对较少,本文研究热塑性纤维缠绕复合柔性管在拉伸及温度作用下的力学性能。本文以热塑性纤维缠绕复合材料柔性管为研究对象,通过分析管道在受拉过程中的几何变形,对管道截面进行简化,并根据层数将圆管截面分割成多个圆环结构,通过位移连续条件构建整体应力应变关系,结合弹塑性材料本构关系,构建拉伸作用下的力学模型,利用MATLAB的符号求解器和强大的数值求解能力进行求解,分析了增强层数、纤维角度、纤维数量等参数的影响,获得了管道在整个拉伸过程中的力学性能。在温度作用下,通过热传导方程确定管道温度分布及温度梯度,将温度应力引入模型整体应力应变关系中,考虑不同温度下热塑性基体材料的性能,获得了温度对管道整体拉伸性能的影响。研究发现:影响纤维缠绕复合管抗拉性能的主要因素是纤维的缠绕角度,缠绕角度越小,复合管的抗拉性能越好,减小纤维缠绕角度或增加小缠绕角度铺层含量,可以显著提高复合管道的抗拉能力。本文提出的两种提高管道抗拉能力的方法,以±45°为界,在缠绕角度大于±45°时,增大内衬层厚度的提升效果要优于增大增强层数,在缠绕角度小于±45°时,增大增强层数的提升效果要优于增大内衬层厚度,而且小角度增强层的提升效果远比大角度明显。温度对抗拉性能的影响非常显著,整体温度与拉伸载荷呈线性反比关系,整体温度越低,管道的抗拉能力越强,但会更早的进入屈服阶段,管道内外表面的温差对纤维的影响最为明显。

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