基于钢塑界面脱粘的钢丝缠绕增强塑料复合管接头端部鼓胀失效研究

摘要

2009年世界经济危机至今，世界各国为加速经济增长、推进产业革新，提出“中国制造2025”、“工业4.0”等工业振兴升级计划，预示着全球能源需求将进一步扩大，尤其是油气资源争夺将愈演愈烈。管道运输作为五大运输方式之一，以其运营成本低、安全程度高、环境影响小、适于长距离输送等优势，成为海内外石油、天然气等关键能源介质输送的主要手段。在国内“西气东输”、“南水北调”等重大工程安全顺利进行、城市化进程高速发展的背景下，压力管道输送更是成为将水、油、气资源与人民生产生活紧密连接在一起的纽带。
　　钢丝缠绕增强塑料复合管作为一种我国自主创新研制、拥有自主知识产权的新型复合管，在国内外已经具备了十余年的成功应用经验，在压力管道输送领域占据地位越来越重要，使用前景越来越广阔。钢丝缠绕增强塑料复合管以螺旋缠绕钢丝作为增强体，以高密度聚乙烯作为包覆层提供介质防护作用。复合管独特的结构使其兼具了钢制管道的高承载能力特点与塑料管材的强腐蚀抗性，成为实现“以塑代钢”战略目标的重要产品。
　　随着复合管逐渐在输送介质温度高、压力大等复杂恶劣工况下应用，接头安全隐患问题凸显。端部鼓胀失效是复合管接头最主要的失效形式，且管道承压越高、工作环境或输送介质温度越高，管道接头越容易发生端部鼓胀失效。目前复合管接头端部鼓胀失效的原因、过程尚未探明，更没有有效的预防方法进行防治。这严重影响了现有复合管道系统应用的安全性，也制约着复合管管材规格的提升与产品的进一步推广应用。
　　本文在国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目“极端条件下重大承压设备风险评价与寿命预测关键技术研究”(项目编号:2009AA044801)和中国博士后科学基金资助项目（项目编号20090461356）的支持下，以钢丝增强塑料复合管接头为研究对象，采取试验研究与数值模拟相结合的研究方式，对复合管接头端部鼓胀失效引发原因、失效过程、失效判据建立及接头力学行为时间相关性分析等方面开展系统研究，主要完成的工作为:
　　(1)通过试验研究确定端部鼓胀失效的主要原因是PSP管端部的钢丝和聚乙烯粘结界面（简称钢塑界面）脱粘，通过数值模拟分析明确了界面失效关键控制参量是钢塑界面的切应力。
　　开展了40℃（国标规定最高使用温度）下承受不同恒定内压的PSP鼓胀试验研究，首次在试验中观察并确认了鼓胀变形PSP管材内存在钢丝脱粘现象;比较不同内压下的PSP管材内部结构，确定了接头端部鼓胀失效过程中钢丝脱粘与钢丝强度失效的先后发生顺序，试验结果表明界面失效是引发接头端部鼓胀失效的直接原因，钢丝断裂是管材强度破坏的最终失效形式;基于复合材料层合板理论，以纤维铺层方式建立了PSP接头层合板模型，结合HDPE长时应力应变关系，对“无界面脱粘”的PSP接头钢丝应力及钢塑界面受力情况进行了初步分析，结合界面切应力与钢丝应力梯度成正比的关系，提出了界面切应力是界面粘结失效的关键控制参量。
　　(2)建立了钢塑界面剪切强度测试分析方法，提出了基于剪切强度的钢塑界面失效准则并分析了温度、时间对界面强度的影响。
　　根据PSP相关生产工艺参数制备了单钢丝/热熔胶拉拔试样，采用自行设计制造的拉拔夹具开展不同温度下（20℃、40℃与60℃）、不同加载速率(0.01mm/min，0.1mm/min与1mm/min)的拉拔试验研究;基于内聚力理论，建立了二维轴对称单钢丝/热熔胶拉拔模型，对20℃下1mm/min拉拔试验进行重点分析，揭示了钢塑界面切应力沿钢丝轴向的非线性分布规律，以及拉拔位移载荷增加过程中界面切应力与粘结状态的变化规律;结合拉拔试验数据，通过拉拔模型的反复试算得到界面剪切强度，建立了界面剪切强度测试分析方法，提出了基于界面剪切强度的界面失效准则;基于建立的拉拔模型，结合不同温度、加载速率下的拉拔试验结果，对不同温度下界面粘结性能随时间的变化展开分析，得到界面剪切强度随时间的变化规律。
　　(3)考虑复合管接头内三维应力状态的影响，建立全钢丝缠绕PSP接头模型，分析了不同内压、时间对管材界面失效的影响，提出了基于端部鼓胀失效的PSP接头设计分析方法。
　　根据PSP内部细观结构，建立了全钢丝缠绕结构PSP接头有限元模型，模型采用内聚力理论表征钢塑粘结作用，实现了内压载荷作用下接头内管材钢塑界面的粘结性能分析;基于新建立的接头模型，开展了40℃下PSP接头的短时内压承载分析，研究了接头内钢塑界面粘结状态随内压载荷提升的变化规律;对比分析钢塑界面切应力变化趋势与对应钢丝的应力梯度变化趋势，验证了管材管件连接处界面切应力由钢丝应力梯度主导;开展了40℃下不同恒定内压作用的PSP接头随时间变化的力学性能分析，研究了接头内钢塑粘结界面在不同恒定内压下随时间的变化规律，分析了管材钢塑界面粘结状态与内压、时间等工况要素的关联关系，提出了基于PSP接头端部鼓胀失效的关键材料参数，并以此为基础建立了基于接头端部鼓胀失效的PSP接头设计方法。

目录

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致谢

摘要

插图和附表清单

符号说明

1 绪论

1．1 管道发展概述

1．2 钢丝缠绕增强塑料复合管

1．3 PSP连接方式

1．4 复合管及其接头力学性能研究现状

1．4．1 复合管材料界面性能分析

1．4．2 复合管长时力学性能研究

1．4．3 复合材料接头失效分析

1．5 PSP研究进展

1．5．1 强度失效

1．5．2 失稳失效

1．5．3 泄漏失效

1．5．4 接头端部鼓胀失效

1．6 目前存在的问题

1．7 课题来源与主要研究内容

1．7．1 课题来源

1．7．2 主要内容

1．7．3 技术路线

2 PSP接头端部鼓胀失效原因分析

2．1 引言

2．2 接头鼓胀试验研究

2．2．1 试验目的

2．2．2 试验方法

2．2．3 试验装置

2．2．4 试验结果

2．3 接头端部鼓胀失效原因

2．4 界面失效控制参量分析

2．4．1 钢丝应力求解

2．4．2 分析与讨论

2．5 本章小结

3 PSP钢塑界面失效准则及其影响因素研究

3．1 引言

3．2 拉拔试验研究

3．2．1 试验方法

3．2．2 原材料性能

3．2．3 试样制备

3．2．4 试验装置

3．2．5 试验过程

3．2．6 试验结果

3．3 拉拔模型

3．3．1 结构参数与材料性能

3．3．2 内聚力模型

3．3．3 建模过程

3．3．4 计算结果与讨论

3．4 界面剪切强度随温度与时间的变化规律

3．4．1 拉拔模拟计算

3．4．2 分析与讨论

3．5 本章小结

4 PSP接头钢塑界面失效分析

4．1 引言

4．2 PSP接头有限元模型

4．2．1 模型建立

4．2．2 材料参数与场变量

4．2．3 相互作用模块设置

4．2．4 网格划分

4．2．5 加载与边界条件

4．2．6 运算

4．3 接头短时失效过程分析

4．3．1 钢丝应力分布

4．3．2 粘结界面MAXSCRT分布

4．3．3 分析与讨论

4．4 接头长时失效过程分析

4．4．1 钢丝应力分析

4．4．2 粘结界面MAXSCRT分布

4．4．3 内压对界面失效的影响

4．5 分析与讨论

4．5．1 不同长时内压下PSP钢塑界面粘结状态对比

4．5．2 内压与时间对界面粘结状态的影响机制

4．6 基于端部鼓胀失效的PSP接头设计方法

4．6．1 关键材料参数

4．6．2 设计流程图

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

在读期间取得的科研成果

在读期间参与科研项目

在读期间获得奖项