纖維纏繞增強復合管爆破強度試驗及理論分析

趙苗苗* 孫文盛 劉德俊 梁 航 劉亞明 張阿昱

（寶雞石油鋼管有限責任公司 國家石油天然氣管材工程技術研究中心）

0 引言

滌綸纖維增強復合管(RTP)作為一種新型非黏結管材，是一種高性能柔性復合管，兼顧了輕便耐用、耐腐蝕、抗內壓能力強等優點[1-3]。內壓載荷是管道服役期間承受的一種典型載荷，當管道受內壓作時時，各層間會產生相對滑移，該現象對復合的性能影響仍不明確[4-6]。

國內外學者對RTP 管的力學研究主要是以三維各向同性彈性理論為基礎[7]。Xia 等[8-10]在經典的層合板理論基礎上提出了不同載荷情況下，多層纖維纏繞增強復合管計算應力與應變的彈性算法；Bakaiyan等[11]對這種模型進一步深入，得到溫度在管壁上擴散的傳導方程。Kruijer 等[12]研究發現，承載時增強層環向應力的增加速率在初始階段會突變是由于纏繞層的初始松弛以及各增強層間扭矩不平衡。Bai 及其團隊[13-15]在Kyriakids 的理論基礎上建立了一種管道二維理論模型。Kobayashi 及其團隊[16]研究了碳纖維纏繞增強復合管的彈塑性力學性能并依據最大應變準則預測了其爆破壓力值。張學敏等[17]采用Halpin-Tsai 模型研究了復合管生產工藝對力學性能的影響。丁寶等[18]通過力平衡法推導出纖維增強復合管的理論短期爆破壓力計算公式。熊海超等[19]參考API 17J 評定方法結合基于 Halpin-Tsai 經驗公式，探討了纏繞角度對管材各個方向形變的影響。朱彥聰等[20]采用力平衡法推導出了鋼絲纏繞增強塑料管常溫下爆破壓力計算公式。

1 理論模型分析

圖1 為復合管徑向1/4 橫截面示意圖。該管道由內外HDPE 層與中間的滌綸纖維增強層組成，承載能力是3 層結構受力疊加的結果。爆破強度取軸向強度與環向強度二者中的較小值。

圖1 復合管徑向1/4橫截面示意圖

假定管體和纏繞層共同承受內壓作用，滌綸纖維纏繞方向與管道軸向夾角為α，°；纏繞層數為t；每層股數為b；單根合股高強絲最大斷裂強力為f，N；復合管的內襯層內半徑、增強層內半徑、增強層外半徑、外保護層外半徑分別為r0、rq、rp、ri，mm；纏繞層拉伸強度為σc，MPa；HDPE 層拉伸強度為σh，MPa；軸向爆破強度為，MPa；環向爆破強度為pab，MPa。

圖2 復合管軸向截面示意圖

可得軸向爆破強度為：

管道承受內壓時環向應力平衡方程為：

可得環向爆破強度為：

軸向爆破強度和環向爆破強度中的最小值為復合管爆破強度，即：

2 短期爆破試驗

2.1 試驗管件參數

復合管管件采用寶雞石油鋼管有限責任公司生產的DN 80 mm RTP 復合管，凈長為1 m，依據圣維南原理，可忽略其邊界效應。表1 為復合管幾何參數，表2 為內外層及增強層材料物理性能。

表1 復合管幾何參數

表2 HDPE層及滌綸絲增強層力學性能

2.2 測試依據及方法

依據SY/T 6662.2—2020《石油天然氣工業用非金屬復合管 第2 部分：柔性復合高壓輸送管》標準要求，短期爆破試驗按照GB /T 15560—1995《流體輸送用塑料管材液壓瞬時爆破和耐壓試驗方法》中的規定，使用水壓爆破試驗機對管件進行加壓。

山西省醫學會心電信息專委會和山西省醫師協會心電醫師分會在2017年討論并發表了《山西省心電圖危急值報警和心電圖重大陽性值提示標準(試行)》[1]，2018年進一步討論并通過了《山西省動態心電圖重大陽性值提示建議》。在該建議擬定過程中，專家們參考了中華醫學會心電生理和起搏分會心電圖學學組制定的《動態心電圖工作指南》[2]和國際動態心電圖與無創心電學會發布的《2017專家共識聲明:門診心電圖和體外心臟監測/遠程監測》[3]，還參考了歐洲心臟病學會、美國心臟病學會、美國心臟協會和世界心臟聯盟共同起草的《第四版心肌梗死全球統一定義》[4]。

2.3 試驗結果

圖3 為爆破失效后的管件撕裂破口位置形貌，圖4 為爆破試驗升壓曲線，破口位置管徑膨脹明顯，撕裂位置滌綸纖維在其主應力方向達到強度極限后發生斷裂，且內層纖維纏繞方向出現較大破口，外層纖維纏繞方向破口較小。由于HDPE 彈性模量遠低于滌綸合股高強絲的彈性模量，承載內壓時纏繞層是主要承載部分，且承壓由內向外逐步減小，內層纖維層受力最大，最先被破壞。表3 所示為5 根試驗管件的爆破值，均在24.8 MPa 左右，結果并無較大波動。

圖3 爆破失效后管件破口形貌

圖4 爆破試驗時間-壓力曲線

表3 復合管爆破值

3 結果與討論

3.1 理論與試驗對比分析

表4 為纖維纏繞復合管理論值與測試值對比情況。爆破載荷理論計算公式推導均是以一定的簡化和假設為前提的。軸向和徑向爆破強度值分別比測試值高31.65%與52.34%，二者差異較大，這是由于理論分析時假設材料為線彈性，當增強層滌綸纖維達到強度極限同時失效，管件發生爆破，然而實際生產工藝導致的缺陷、纖維絲分布不均、纏繞角度偏差、管道幾何分布及材料性能波動等都會導致一部分纖維絲率先達到強度極限而被破壞。這種失效模式并不成立，理論計算公式尚不能準確地預測爆破強度。

表4 復合管爆破理論值與測試值

3.2 修正理論方程

HDPE 層僅提供極小的拉伸應力，由于增強層體積較大，HDPE 拉伸強度遠低于滌綸纖維斷裂拉伸強度，可修正HDPE 層對爆破強度的影響。

通過水壓爆破試驗可以發現，增強層外層纖維應力值是增強層應力遞減最小值。可將內壓載荷作用下各層應力狀態的差異等效為整體滌綸纖維拉伸強度的折損進行修正。

根據上述修正分析提出滌綸纖維折損系數E：

式中：σp和σq為外層和內層增強的等效應力。

修正后管道軸向爆破強度為：

修正后管道環向爆破強度為：

結合式（2）、式（4）與式（6）、式（7）可得到圖5 中理論與修正爆破強度與纏繞角度關系對比曲線。隨著纏繞角度增大，修正軸向爆破強度與理論軸向爆破強度均顯著減小。但試驗測試值更接近修正軸向爆破爆破壓力，表明修正HDPE 層的受力情況在考慮增強層載荷分布情況并進行折減修正后，更符合實際情況。隨著纏繞角度增大，修正環向爆破強度與理論環向爆破強度的差值逐漸增大，修正環向爆破壓力值遠低于理論模型的計算值；當纏繞角度接近80°時，理論環向爆破強度趨近于無窮大，修正后環向爆破強度變化較為平緩，表明環向爆破強度修正后較為合理。

圖5 理論及修正爆破強度與纏繞角度關系

表5 為理論爆破強度值與試驗測試值的對比情況。修正后的軸向及環向爆破強度與測試值相比增加了2.79%和1.12%，結果基本一致。修正后的理論公式可較為準確計算該復合管的爆破載荷。

表5 理論爆破強度值與試驗測試值

管件纏繞的角度對爆破載荷影響較大，隨著纏繞角度增大，爆破載荷先增大后減小，結合式（5）可知，在修正軸向與環向爆破強度相交處，存在最優纏繞角度和最大爆破載荷。修正爆破載荷公式與理論爆破載荷公式的最佳纏繞角度分別為55.03°與52.93°，爆破載荷分別為25.23 MPa 與34.02 MPa，研究后可知對理論公式進行修正十分必要。

4 結論

（1）依據管道環向及軸向材料力學平衡條件推導出了爆破載荷理論公式，發現增強層纏繞角度對爆破載荷影響較大，可通過調整纖維纏繞角度，獲得力學性能更優的復合管。

（2）修正后理論公式將預測結果的相對誤差從52.34% 降到1.12%，可準確預測短期爆破載荷與最佳纏繞角度，驗證了該方程可用于復合管短期爆破載荷計算和優化設計。

（3）該類型纖維纏繞增強復合管的最佳纏繞角度為55.03°，此時，管道的短期最大爆破載荷值為25.23 MPa。