FRP加固X80钢输油气管道抗外压屈曲性能研究_邓淞文.pdf

第36卷第3期2023年6月Vol.36 No.3Jun.2023四川轻化工大学学报（自然科学版）Journal of Sichuan University of Science&Engineering(Natural Science Edition)FRP加固X80钢输油气管道抗外压屈曲性能研究邓淞文1，盛鹰1,2，贾彬1,2，李乃贤1，张豫3（1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621000；2.工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川绵阳621000；3.四川德源管道科技股份有限公司，成都610041）摘要：为研究X80钢输油气管道在外压作用下裸管与纤维增强复合材料(Fiber ReinforcedPolymer，FRP)加固管道的抗外压屈曲力学性能，首先，根据测定的X80管道参数，建立裸管有限元模型，依据该模型计算了外压下管道屈曲失效的临界载荷，并根据Yamaki公式验证了有限元模型的正确性；然后，开展了裸管与FRP加固管道在不同影响因素下外压屈曲的有限元分析，总结了外压屈曲临界载荷的影响规律。结果表明：裸管的径厚比越大、管长越长，管道的外压屈曲临界载荷就越小。对于FRP加固管道，高弹性模量的纤维材料能够提升管道外压屈曲临界载荷；纤维材料缠绕厚度需大于敏感值时才能起到加固效果，随着缠绕厚度的增加，加固效果越好；而纤维材料缠绕的角度对管道的外压屈曲临界载荷影响并不明显。关键词：X80钢管道；管道加固；纤维增强复合材料(FRP)；外压屈曲临界载荷；有限元分析中图分类号：O341文献标识码：A引言X80高钢级压力管道是油气运输系统中的重要组成部分。其中，穿越海底与穿越逆断层的埋地管道，常常会受到海水与土壤的外压和腐蚀联合作用。当外压达到管道的屈曲临界载荷时，会出现局部失稳、屈曲传播现象，导致重大安全事故发生1-4。为保证管道安全稳定运行，有必要明确外压作用下管道的屈曲失效行为，以及加固措施对外压屈曲临界载荷的影响规律。目前，传统的管道加固措施通常采用夹具、环氧套筒等方式，而纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）因其具有强度高、质量小、可设计性强、防腐蚀等优点5-11，在管道加固领域也得到了关注。比如，张婷12研究了使用碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）加固受弯曲与内压联合作用下管道临界弯矩与弯曲应变的预增强效果。杨怀宇13利用CFRP加固含缺陷的钢制管道，发现加固后增大了管道的极限强度。王凯一14分析了玻璃纤维复合材料对输油气管道的表面环向裂纹的补强效果。贾彬等15建立了FRP-钢界面压力与管道承受极限内压的理论计算公式。唐晓渭16确定了CFRP补强被腐蚀管道的碳纤维铺层层数。Duell等17使用FRP修复有缺陷的钢制管道，并进行了数值模拟与试验对比研究。Shouman等18开展了复合材料修复管道及其在应变设计中的适用性研究。Mokhtari等19利用一定厚度的CFRP研究了其对管道的加固效果。综上，国内收稿日期：2022-09-15基金项目：四川省科技计划重点研发项目(2020YFG0183;2020JDTD0021)通信作者：盛鹰(1982-),男,讲师,博士,研究方向为工程力学,(E-mail)文章编号：20967543（2023）03009407DOI:10.11863/j.suse.2023.03.12第36卷第3期邓淞文，等：FRP加固X80钢输油气管道抗外压屈曲性能研究外学者主要通过理论、数值模拟及试验等方法，从加固受弯曲与内压联合作用的管道屈曲、各类腐蚀缺陷以及提升管道的极限内压与力学性能等方面对使用FRP加固管道的力学性能进行了研究。然而，使用FRP加固受外压作用下的管道，其屈曲力学性能的影响因素以及规律尚不明确。为了能够确定 FRP对外压作用下管道的屈曲加固效果，明确各因素对加固效果的影响规律，本文分别进行了X80钢输油气管道裸管与FRP加固后管道的有限元屈曲分析，并进行对比，以期为受外压管道的加固措施以及应用提供参考。1材料参数1.1X80钢力学性能试验为确定X80钢的力学性能参数，首先在现场管中进行了取样，并依据GB/T 228.1-2010规范20设计标准静力拉伸试件，如图1所示。随后使用万能试验 机 对 其 进 行 了 静 力 拉 伸 试 验，加 载 速 率 为0.0075 mm/s。图1X80钢静力拉伸试件根据静力拉伸试验结果，得到了 X80 钢的应力-应变曲线如图2所示。从图2中可以看出，3个拉伸试件的应力-应变曲线重复度较高。其中，弹性模量的数值有较细微的差别，但基本处于 200210 GPa之间，因此，选取第一个拉伸试件的结果作为X80钢管道的基本力学性能参数，见表1。0.020.040.060.080.100.120.140100200300400500600700800应力/MPa应变 SRB-1 SRB-2 SRB-3图2X80钢应力-应变曲线表1X80钢力学性能弹性模量/GPa206泊松比0.3屈服应力/MPa637抗拉强度/MPa7391.2FRP材料参数FRP加固管道是指用浸染过环氧树脂的纤维缠绕在管道上。其中，环氧树脂用来粘接固化缠绕的纤维，使各层纤维与环氧树脂以及管道形成一个整体，共同承担外部载荷作用。FRP的力学性能是正交各向异性的，在其轴线方向上具有很高的弹性模量与抗拉强度。表 2列举了以环氧树脂为基体的CFRP的各方向力学性能21。表2CFRP力学性能参数X方向弹性模量Ex/GPaY方向弹性模量Ey/GPaZ方向弹性模量Ez/GPaXY面内泊松比xyYZ面内泊松比yzXZ面内泊松比xzXY面内剪切模量Gxy/GPaYZ面内剪切模量Gyz/GPaXZ面内剪切模量Gxz/GPa单层板纵向拉伸强度Xt/MPa单层板横向拉伸强度Yt/MPa单层板面内剪切强度S/MPa数值154.2011.4211.420.330.490.497.13.87.1267850872计算模型及其理论验证2.1管道有限元计算模型本文研究对象是中俄、中缅运行中的输油气管道，依据此类管道的管径、壁厚、管长尺寸，利用ANSYS软件建立裸管与FRP加固管道的有限元模型分别如图3(a)、3(b)所示。FRP加固管道的有限元模型共有10 000个单元，30 500个节点。其中，管道单元采用三维实体单元SOLID95，FRP采用3D各向异性实体单元SOLID46。FRP与管道通过环氧树脂粘接后形成一个整体，并假定其界面不会产生相对滑移，在外载荷作用下具有相同的形变量。因此，将FRP与管道的界面用共节点进行处理。将外压分别施加在裸管的外壁面与FRP加固管的外表面，约束两端面上X、Y、Z方向的平动位移。952023年6月四川轻化工大学学报（自然科学版）(a)裸管(b)FRP加固管图3裸管与FRP加固管有限元模型2.2屈曲有限元计算理论屈曲有限元分析是基于经典特征值问题进行计算的。为推导特征方程，首先对给定的线弹性载荷P0进行求解：Keu0=P0（1）其中，Ke为结构的刚度矩阵；u0为结构的初始位移矩阵。假定施加的初始载荷P0产生的屈曲位移很小，则任意时刻的增量平衡方程为：P=Ke+K()0u（2）其中，P为载荷增量矩阵；0为结构的初始应力；K(0)为结构的初始应力矩阵；u为位移增量矩阵。假定结构没有初始缺陷，且不考虑大变形影响，则此时结构的屈曲可以认为是线性屈曲。当施加载荷为P=P0时，则有：u =u0 =0（3）其中，为特征值；为结构应力矩阵；u为结构的位移矩阵。于是有：K()=K(0)（4）因此，式(2)的增量平衡方程可以写为：P=Ke+K()0u（5）当施加的外载荷接近于结构的屈曲载荷时，在P0 的情形下，结构会产生一个变形u，将P0代入式(5)，于是有：Ke+K()0u =0（6）要使式(6)存在非零解，则：det Ke+K(0)=0（7）式(7)即关于的特征方程，于是，在给定一个初始载荷P0后，可以通过求取特征方程的根得到结构的屈曲临界载荷系数。因此，可以得到结构屈曲临界载荷为Pcr=P0。2.3管道外压屈曲有限元模型验证为验证管道外压屈曲有限元模型的正确性，采用Yamaki公式22计算了几组管道在外压作用下的屈曲临界载荷理论值，该公式如式（8）所示。Pcr=1.56E212(1-2)3/4RL(tR)2.5（8）其中，E为弹性模量，Pa；为泊松比；t为管道厚度，m；R为管道半径，m；L为管道长度，m。利用该理论公式，分别对比了不同管道半径R和厚度t下的管道外压屈曲临界载荷的理论值与有限元值。根据屈曲有限元理论，本文施加的初始载荷 P0=1 Pa（以下同），其外压屈曲临载荷验证结果见表3。表3有限元模型验证对比R/m0.50800.50800.50800.6095t/m0.01530.01750.01460.0184理论值/MPa9.8413.768.7511.87有限元值/MPa10.1014.598.8911.35误差/%2.66.01.64.3从表3中可以看出，管道外压屈曲临界载荷的理论值与有限元值误差均在10.0%以内，验证了数值模拟的正确性。因此，该有限元模型中的几何结构、边界条件可以作为后续计算的参考。3参数与结果分析3.1裸管参数分析由有限元模型验证可知，可用该模型对不同径厚比、不同管长L下的管道外压屈曲临界载荷的影响规律进行分析。本文考虑了7种径厚比，用“外直径/壁厚”表示，分别为：1016/10.2、1016/14.6、1016/15.3、1016/17.5、1219/18.4、1219/22.0、1219/26.4。分别对这7种径厚比的管道进行有限元屈曲分析，得出其外压屈曲临界载荷。图4所示为不同径厚比下管道的外压屈曲临界载荷的变化趋势。从图4可见，随着径厚比的增大，管道的外压屈曲临界载荷逐渐减96第36卷第3期邓淞文，等：FRP加固X80钢输油气管道抗外压屈曲性能研究小，几乎呈线性变化，各管长下，其减小比例处于30%60%之间。因此，为提高外压作用下管道抗屈曲的力学性能，可以通过增大壁厚进行补强。45505560657010203040外压屈曲临界载荷Pcr/MPa径厚比 L=1.2 m L=1.4 m L=1.6 m L=1.8 m L=2.0 m图4不同径厚比下的外压屈曲临界载荷外压作用下管道的屈曲临界载荷，同时也受到管长的影响。为研究其影响规律，分别对管长处于10002000 mm（公差为200 mm）之间的管道进行屈曲有限元分析，得到了各径厚比管道在不同管长下的外压屈曲临界载荷如图5所示。1.01.52.0102030405060外压屈曲临界载荷Pcr/MPa管长L/m=1016/10.2=1016/14.6=1016/15.3=1219/18.4=1016/17.5=1219/22.0=1219/26.4图5不同管长下的外压屈曲临界载荷由图5可以看出，各种径厚比下，随着管长的增加，外压屈曲临界载荷均在逐渐减小，减小比例处于 14%30%之间，但管长越长减小得越缓慢。因此，为控制管长对管道外压屈曲临界载荷的影响，应合理设计管长，保证在一定外压下不会发生屈曲失效。3.2裸管外压屈曲结果分析为研究管道在外压作用下屈曲变形的趋势，取管道在屈曲后总体变形云图进行分析，如图6所示。从图6可以看出，管道在外压作用下发生屈曲后，呈现出交替凹陷凸出的变形，且两端对称，越靠近管道中部其变形越大。由此可见，管道在发生屈曲后变形大，且难以恢复，容易造成屈曲传播，从而发生重大安全事故。(a)侧视变形图(b)正视变形图图6管道外压屈曲总变形图通过以上分析可知，管道径厚比越大、管长越长，其外压屈曲临界载荷越小，发生屈曲的概率也就越大。在一些极端环境下，管道所受的外压可以达到几十兆帕，容易发生屈曲失效，威胁管道的安全稳定运行。受限于管道尺寸设计，往往不能通过改变径厚比以及管长来大幅度增加管道抗外压屈曲的力学性能。因此，为增强管道抗外压屈曲力学性能，可以使用FRP进行加固，以期达到使用要求。下面通过使用FRP加固管道，分析其加固效果，并对FRP的缠绕参数进行分析。3.3FRP加固对管道外压屈曲力学性能的影响3.3.1裸管与加固后管道外压屈曲临界载荷对比为验证FRP的加固效果，有必要对裸管与加固后管道的外压屈曲临界载荷进行对比分析。选取几种不同径厚比的管道，使用CFRP进行加固，其材料属性参考表 2。每一层 CFRP 的缠绕厚度为0.5 mm，总共缠绕10层，其缠绕角度为45，即与管道轴向成45。图7所示为不同径厚比下裸管与加固管道的外压屈曲临界载荷对比情况。972023年6月四川轻化工大学学报（自然科学版）45607590105010203040外压屈曲临界载荷Pcr/MPa径厚比 裸管 加固管道图7裸管与加固管道外压屈曲临界载荷对比由图7可以看出，使用CFRP进行管道加固后，其外压屈曲临界载荷有大幅度的提升，加强了管道的抗外压屈曲力学性能，且加固效果随着管道径厚比的增大而增强，提升的外压屈曲临界载荷比例处于 21%72%之间。因此，对于径厚比大的管道采取CFRP进行加固具备一定的效果，可以防止在小外压下管道发生屈曲失效。3.3.2FRP弹性模量对管道外压屈曲力学性能的影响不同纤维材料制成的 FRP，其材料属性不同。对于加固管道外压屈曲力学性能而言，加固材料的弹性模量对管道外压屈曲力学性能有着重要的影响。因此，本文为探究FRP的弹性模量对于加固管道外压屈曲的影响规律，选取了玻璃纤维、玄武岩纤维、高强度碳纤维、高弹性模量碳纤维以及芳纶纤维制 成 的 FRP，其 弹 性 模 量 分 别 为 75、100、210、390 GPa及134 GPa，并选取不同径厚比的管道进行计算。图8所示为不同弹性模量纤维材料下管道外压屈曲临界载荷的变化情况。1002003004005001020304050外压屈曲临界载荷Pcr /MPa纤维材料弹性模量E/GPa=1016/10.2=1016/14.6=1016/15.3=1219/18.4=1016/17.5=1219/22.0=1219/26.4图8不同弹性模量纤维材料下管道外压屈曲临界载荷由图8可见，随着FRP弹性模量的增加，管道外压屈曲临界载荷呈现出线性增加的趋势，且径厚比越小，外压屈曲临界载荷增加的速率越快，各径厚比下，提升的比例处于21%30%之间。因此，在考虑使用FRP对管道进行抗外压屈曲加固时，可以采用弹性模量较高的纤维材料。3.3.3FRP缠绕厚度对屈曲临界载荷的影响FRP缠绕厚度在增大壁厚的同时，也增大了管径。因此，研究FRP缠绕厚度对于管道外压屈曲临界载荷的影响是至关重要的。考虑了几种单层缠绕厚度分别为 0.1、0.2、0.3、0.4 mm 及 0.5 mm 的FRP，每种FRP共缠绕10层，缠绕角度固定为45。图9所示为不同单层缠绕厚度下外压屈曲临界载荷的变化情况。0.10.20.30.40.50.610152025303540外压屈曲临界载荷Pcr/MPa单层纤维材料缠绕厚度/mm=1016/10.2=1016/14.6=1016/15.3=1219/18.4=1016/17.5=1219/22.0=1219/26.4图9不同单层缠绕厚度下的外压屈曲临界载荷从图9可以看出，当单层纤维材料缠绕厚度大于0.2 mm时，外压屈曲临界载荷随缠绕厚度的增加缓慢上升，几乎呈线性增加趋势，提升的外压屈曲临界载荷比例在 11%20%之间。另外，可以看到在单层纤维材料缠绕厚度处于0.10.2 mm之间时，外压屈曲临界载荷随缠绕厚度的增加呈现出递减的趋势，表明当纤维材料缠绕厚度过低时起不到加固的效果，反而减弱了管道的抗外压屈曲力学性能。这是由于过薄的缠绕厚度不仅间接增大了管径，还导致复合材料层刚度不足。由2.2节屈曲有限元理论可知，刚度变小，会导致位移变形过大，降低管道的外压屈曲临界载荷。因此，使用FRP加固管道提升其抗外压屈曲力学性能时，纤维材料缠绕98第36卷第3期邓淞文，等：FRP加固X80钢输油气管道抗外压屈曲性能研究的厚度需大于某一敏感值。3.3.4FRP缠绕角度对外压屈曲临界载荷的影响为研究纤维材料缠绕角度对管道外压屈曲临界载荷的影响，对不同缠绕角度下的管道外压屈曲临界载荷进行计算。图10所示为选取的几种不同径厚比下管道外压屈曲临界载荷随纤维材料缠绕角度的变化情况。由图 10可以看出，相同径厚比下，外压屈曲临界载荷在不同纤维材料缠绕角度下变化不大，几乎呈一条水平线，表明管道外压屈曲临界载荷对纤维材料缠绕角度的变化并不敏感。0204060801001020304050外压屈曲临界载荷Pcr/MPa缠绕角度/=1016/10.2 =1016/14.6=1016/15.3 =1219/18.4=1016/17.5 =1219/22.0=1219/26.4图10不同缠绕角度下的外压屈曲临界载荷4结论本文研究了裸管与 FRP加固管道在不同影响因素下，对管道外压屈曲临界载荷的影响规律，得到了以下结论：1）在外压作用下，减小管道的径厚比与管长，能够提高裸管管道的外压屈曲临界载荷。管道在发生屈曲后，呈现出交替凹陷凸出的变形，越靠近管道中部其变形越大。2）随着径厚比的增大，FRP对管道的加固效果更加明显。其中，径厚比为1219/26.4、1219/22.0的管道经加固后，外压屈曲临界载荷分别提高了21%、37%。3）使用高弹性模量的纤维材料可以提高管道的外压屈曲临界载荷，当缠绕纤维材料弹性模量在75390 GPa之间时，管道的外压屈曲临界载荷能够提高21%30%。此外，管道外压屈曲临界载荷随着缠绕层厚度的增加而增加，在0.20.5 mm单层缠绕厚度范围内，提高比例为11%20%。管道外压屈曲临界载荷受纤维材料缠绕角度影响极小，其变化量接近于零。参考文献：1 段晶辉.海底管道在轴力和水压作用下屈曲失效机理及止屈穿越研究D.天津:天津大学,2019.2 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under external pressure is calculated,and the accuracy of the finite element model is verifiedusing the Yamaki formula.Finite element analyses external pressure buckling are then conducted on the bare pipeand FRP-reinforced pipeline under various influencing factors to summarize the impact of these factors on thecritical buckling load under external pressure.Results show that the thicker the diameter of bare pipe wall and thelonger the pipe length,the smaller the critical buckling load under external pressure of the pipeline.For FRP-reinforced pipelines,high elastic modulus fiber materials can improve the critical buckling load under externalpressure,and the fiber winding thickness needs to be greater than the sensitive value to achieve reinforcement.Asthe winding thickness increases,the reinforcement effect becomes stronger,while the winding angle of the fibermaterial has little effect on the critical buckling load under external pressure of the pipeline.Key words:X80 steel pipeline;pipeline reinforcement;fiber reinforced polymer(FRP);critical bucklingload under external pressure;finite element analysis100