沖擊力下薄壁內襯復合管界面黏結強度效應分析

盧召紅 徐暢 彭鄭飛 王威

摘 要：【目的】研究薄壁內襯復合管在受沖擊力作用下的界面黏結強度對層間剝離屈曲的影響。【方法】建立薄壁內襯復合管在彈性階段的非線性分析模型，對薄壁內襯復合管材模態試驗與分析模型的分析結果進行對比，驗證有限元分析模型可靠性。通過改變襯層與原基層管壁間的界面黏結強度，研究復合管在沖擊力下的動態特征。【結果】研究結果表明，當沖擊荷載較小、管道變形處于彈性階段時，薄壁內襯復合管的損傷大都集中在層間界面處。界面黏結強度對層間剝離屈曲有較大的影響，隨著層間界面黏結強度的增加，外基層管與內襯層的最大等效應力差值減少。此外，外基層管和內襯層的變形協調性能力隨著黏結強度增加而增大，徑向層間位移減小，增加了復合管的整體性和連續性。【結論】研究結果可為薄壁內襯修復管道設計方法及層間界面效應分析提供參考。

關鍵詞：薄壁內襯復合管；界面黏結強度；沖擊力；層間剝離

中圖分類號：TU398.9? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.011

Analysis of Interfacial Bond Strength Effect of Thin-Walled Lined

Composite Pipe Under Impact Force

LU Zhaohong1 XU Chang1 PENG Zhengfei1 WANG Wei2

（1. Northeast Petroleum University，Daqing 163318， China; 2.Daqing Petrochemical Engineering Inspection Technology Co.， Ltd， Daqing 163714， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the effect of interfacial bond strength on the peel buckling of thin-walled lined composite pipe under impact force. [Methods] The nonlinear analysis model of thin-walled lined composite pipe in elastic stage is established. The comparison of modal experiment results with analytical models of thin-walled lined composite pipes is made to verify the reliability of the finite element analysis model. By changing the interfacial bond strength between the lining layer and the original base pipe wall， the dynamic characteristics of composite pipe under impact force are studied. [Findings] The results of research show that when the impact load is small and the pipeline deformation is in the elastic stage， the damage of thin-walled lined composite pipe is mostly concentrated at the interlayer interface. The interfacial bond strength has a great influence on the interlaminar peel buckling， and the increase of interlayer bonding strength， the maximum equivalent stress difference between the outer base pipe and the inner liner decreases. In addition， the deformation coordination ability of the outer base pipe and the lining layer increases with the increase of bond strength， while radial interlayer displacement decreases， which improves the integrity and the continuity of the composite pipes. [Conclusions] The research results can provide a reference for the design method and the interlayer interface effect analysis of the thin-walled liner repair pipeline.

Keywords： thin-walled lined composite pipe; interfacial bond strength; impact load; interlayer stripping

0 引言

薄壁內襯修復技術是基于埋地管道非開挖修復技術而提出的一種管道再生技術，其將玻璃鋼、不銹鋼或高密度材料制成薄壁內襯管，并把內襯管與原管道緊密結合在一起從而形成復合結構，進而提高管道的整體強度，可廣泛用于帶缺陷管道修復再生、既有天然氣管道改造升級以滿足氫氣輸送等領域。而壓力輸送管道在運營過程中，會受到碰撞、沖擊、高空落體等的影響，導致管道受損，介質泄漏，引發工程事故。因此，研究修復后的內襯管道在沖擊力作用下的動力特征，提供合理的層間界面黏結強度具有重要意義。

針對薄壁內襯復合管動態響應方面的研究較多。秦慶華等［1］對兩端固支薄壁圓管在經受楔形錘體沖擊時的動力響應進行了試驗研究和計算機仿真，研究發現，大變形引起的局部變形和整體彎曲變形的耦合程度與幾何參數徑厚比、跨徑比等因素有關。付崔偉等［2］通過構建有限元模型對油氣管道受海底滑坡沖擊進行數值模擬，發現管道的懸跨高度極大削弱了海底管道可承受不利因素的能力。張虎等［3］通過開展埋地管道落錘沖擊試驗，得到了沖擊荷載下鄰近埋地管道的應變規律。董飛飛等［4］通過進行管道縮尺模型沖擊試驗，歸納總結了沖擊荷載下管道的應力應變規律，但結論仍有局限性。在層間剝離屈曲失效方面，沈成武等［5］運用彈塑性有限變形理論，對受壓層合圓板層間剝離的擴展進行了討論。郭奕蓉等［6］利用三維有限分析模型進行了內襯管屈曲失效問題的研究，研究結果顯示，以徑向均布載荷方式施加在外基管外壁上對內襯層的屈曲性能具有顯著影響。Zhao等［7］通過數值模擬，對純彎曲下復合管的屈曲行為進行了進一步分析，得出在外力作用下，管道可能發生局部屈曲失效，并且發現該屈曲失效的產生與管道的皺褶幅值和曲率值有關。張春迎等［8］對雙金屬復合管進行了有限元模擬，研究發現復合管的徑厚比對管道屈曲失效現象有顯著影響。謝鵬、龔順風、劉瀚等［9-11］開展了高靜水壓力下管道結構的模型試驗，并通過有限元數值分析，研究管道受到外壓下的屈曲行為。史艷莉等［12-19］對管道受沖擊動態響應進行了進一步分析。但是以上研究均沒有考慮到界面作用對層間剝離屈曲的影響。

本研究通過對薄壁內襯復合管材模態試驗結果和有限元仿真結果進行對比分析，來驗證界面膠層本構的適用性，利用有限元軟件建立復合管模型，模擬不同界面黏結工況下復合管受沖擊過程，進而研究分析界面作用對復合管層間剝離屈曲的影響。

1 薄壁內襯復合管材模態試驗

1.1 試驗概況

為了研究界面黏結作用對復合管層間剝離屈曲的影響，首先需要進行薄壁內襯復合管材模態試驗與有限元對比，驗證所建立的有限元模型中界面膠層本構的適用性，從而用于薄壁襯層復合管的動力響應研究。

該試驗使用API X52N管線鋼作為外基層，并選擇304不銹鋼作為薄壁襯層。層間使用DY-E-44型環氧樹脂膠作為黏結劑。復合管材結構如圖1所示。試驗材料基本力學性能見表1。

試驗條件為室溫，溫度為（20±2）℃，試件養護條件同試驗條件。試件的長度為600 mm，寬度為60 mm，設計了3組不同厚度的試件，詳細情況見表2。試件制作完成后，將復合管材的兩端放置在彈性墊塊上，采用多點激勵單點拾振的方法進行動載試驗。

本研究使用DH5922N通用性動態信號測試分析系統進行數據采集。在進行試件錘擊模態試驗時，從第一個測點開始，按順序對每個測點進行三次敲擊。每次敲擊后，需要對所采集的信號進行相關性檢驗，觀測檢查其力譜矩形框是否正常。每次敲擊時，需要保存并記錄所得到的頻響函數曲線。

1.2 薄壁襯層復合管材數值分析模型及模型驗證

根據薄壁內襯復合管材界面膠層本構，建立試驗構件全尺寸模型，建模時模型采用三維殼單元，試件固支邊界條件施加在兩端端部。為保證計算精度，對整個模型劃分網格時采用較密的網格劃分，如圖2所示。在ABAQUS中利用“線性攝動”-“頻率”分析步對試件進行模態分析。將試驗結果與有限元結果進行對比，如圖3所示。

由圖3可知，有限元分析結果與試驗結果基本吻合，兩者之間的最大誤差為9 %，所建立的層間本構數值分析模型具備可行性。

2 薄壁內襯復合管有限元模型建立

本研究所建立的復合管材有限元模型，模型尺寸同試驗試件尺寸。單元體均采用C3D8R八節點線性六面體單元，均勻劃分網格，得到如圖4所示的落錘沖擊薄壁內襯復合管有限元模型。取長度為4 m的管段為研究對象［12］，建立薄壁內襯復合管受沖擊荷載作用下的有限元分析模型。取外基層管外直徑324 mm、管壁厚度8 mm、材質為X52N的管線鋼，內襯層材質為不銹鋼。沖擊力采用落差高度0.5 m、質量3 000 kg的落錘進行模擬，試件的邊界條件施加在試件兩端端部的管鋼和不銹鋼上，通過約束試件兩端端面所有方向的位移來實現，并使落錘只發生豎直向下運動，設置分析步時長為0.3 s，均采用C3D8R八節點線性六面體單元，材料的層間界面采用了“Cohesive force behavior”進行模擬［12］，所建立的模型如圖4（a）所示。為了保證網格生成的質量，進行網格劃分時采用結構化的網格劃分技術，劃分結果如圖4（b）所示。設置的模擬工況的名稱及參數見表3。

3 界面黏結作用影響分析

本研究提取不同界面黏結強度的試件沖擊力作用點周圍的外基層管內表面和內襯層外表面的等效應力—時間曲線與徑向位移—時間曲線，如圖5和圖6所示。

由圖5（a）可知，隨著層間黏結強度的不同，外基層管的等效應力—時間曲線基本重合，在沖擊力作用下，層間界面黏結強度對外基層管壁的影響較小。在沖擊力作用下，不同層間黏結強度的復合管，外基層管壁應力在0.025 s到0.075 s內迅速增大，隨后的0.025 s開始衰減并逐步趨于穩定。沖擊作用結束后，其內部殘余應力出現輕微波動，應力波動的幅度會隨著時間延后而減小，最終基本穩定在300 MPa。

由圖5（b）可知，內襯層的等效應力—時間曲線的波段與外基層管基本一致，但是內襯層的等效應力—時間曲線的減小幅度小于外基層管，內襯層在沖擊過程中承受的應力更大，受到外基層管的保護相對較少，導致其殘余應力水平比外基層管高。隨著界面黏結強度的增加，內襯層受沖擊力作用產生的等效應力逐漸減小，層間黏結強度對內襯層管壁的受力有明顯的影響。當界面黏結強度為原來3倍時，內襯層的殘余應力達到最小。

由圖6可知，隨著層間黏結強度的不同，外基層管管壁的徑向變形基本一致，內襯層的徑向變形也基本保持一致。層間界面黏結使得內襯層與外基層管之間形成緊密的結合，增大了兩者之間的接觸面積并增強了相互作用效應。

層間黏結作用增強了內襯層與外基層管間的協同工作能力，使其能夠共同承擔外界應力和負載。通過提高界面黏結強度，內襯層與外基層管之間的整體性和連續性得以增強，從而提高了結構的穩定性和可靠性。各試件外基層管與內襯層的徑向相對位移時程曲線如圖7所示。

由圖7可知，徑向層間相對位移會隨著界面黏結強度的增加而減小，曲線的下降階段在1.0倍界面黏結強度與2.5倍界面黏結強度之間。之后，隨著層間黏結強度的增加，下降趨勢變緩，趨于水平。結果顯示，在界面黏結強度分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0倍時，其徑向層間位移分別為0.897 mm、0.763 mm、0.406 mm、0.083 mm、0.077 mm，將數據兩兩作差，得出下降率分別為14.00%、47.15%、79.26%、6.25%。在薄壁內襯復合管中，徑向層間位移受界面黏結強度的影響存在一個閾值，只有在該閾值范圍內，界面黏結強度的變化才會顯著影響徑向層間位移。超過閾值范圍，界面黏結強度的增加或減小對徑向層間位移的影響變得不太明顯。

4 結論

本研究通過試驗驗證本構模型在有限元模型中的適用性，并利用數值模擬，對不同層間界面黏結強度的薄壁內襯復合管進行沖擊試驗模擬分析，得出以下結論。

①在沖擊力作用下，層間界面黏結作用對內襯層管壁受力有明顯影響。隨著黏結強度的增加，內襯層受沖擊作用產生的等效應力會逐漸減小。

②2.5倍界面黏結強度為徑向層間位移的影響閾值，超出閾值則黏結強度對層間位移影響不大。在實際工程中可調整界面黏結強度以達到閾值點，來改善內襯層和外基管的變形協調能力，防止層間剝離屈曲的發生。

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