内压载荷下输氢复合柔性管力学性能研究

中国氢能产业正随着碳中和愿景的不断推进而快速发展,由于氢气在钢管中容易引发“氢脆”现象,使用钢管输送氢气存在较大挑战,纤维增强复合柔性管作为一种非金属管道在氢气输送领域备受关注,其结构设计及强度分析是产业化应用的瓶颈。为探讨内压工况下输氢复合柔性管的结构响应,考虑不同层材料的各向同性及各向异性,基于三维各向异性弹性力学,建立了纤维增强输氢复合管道在内压作用下的力学理论模型,并采用数学方法求解管道位移微分方程,进而获得了N层缠绕增强层输氢复合管道在内压作用下的应力应变解析解,计算结果与内压作用下13层输氢复合柔性管的数值计算结果相符。管道的环向应力最大值出现在防渗透层,输氢软管的增强层承担约70%的载荷作用,径向应力绝对值大小随距离管道截面中心点的距离增大而减小。提出的力学行为分析模型及求解方法为设计输氢复合柔性管提供了重要的理论支撑。

海洋纤维增强柔性管压溃失效特性研究及参数敏感性分析

以一种黏结型的纤维增强柔性管作为研究对象,基于ABAQUS建立纤维增强柔性管的实体单元模型。根据二维Hashin失效判据判断柔性管失效情况,充分考虑管道内外护套层塑性及纤维增强层复合材料渐进失效,建立纤维增强柔性管的压溃数值模型。将特征值法与弧长法相结合,计算得到了较为精准的纤维增强柔性管临界压溃压力及对应的外压—椭圆度曲线;并对影响柔性管临界压溃压力的几个敏感性参数如椭圆度、纤维缠绕角度、直线度进行分析。研究结果表明椭圆度和直线度偏差的增大及纤维缠绕角度的降低均会使柔性管的临界压溃压力下降,该结果对纤维增强柔性管的设计与使用均具有一定的参考意义。

玻纤增强柔性管结构敏感性研究与数值分析

针对在海洋油气开采中传统钢管质量大、易腐蚀老化等问题,亟需找到一种质量小、强度高且耐腐蚀的新型柔性管道,选用玻纤增强柔性管开展了研究,基于复合材料层合板理论建立了玻纤增强柔性管的理论模型,采用ABAQUS建立了管道整体的有限元模型,通过相关文献验证了模型的准确性,分析了缠绕角度在拉伸、压缩、弯曲、拉伸-弯曲以及压缩-弯曲5种荷载工况下对管道应力的影响,并着重分析了拉伸工况下增强层缠绕层数对管道应力的影响.结果表明:柔性管增强层是管道主要的承载结构.综合5种工况模拟结果,得到柔性管增强层最佳缠绕角度为(±45°)~(±55°),增强层缠绕层数在4~16层时,柔性管承载能力有较大提高,超过16层后,承载能力无明显提高.

非金属非粘结软管拉伸性能的数值模拟分析

针对非金属非粘结软管在拉伸状态下的力学特性,采用ABAQUS对其进行有限元分析并充分考虑了对层与层之间的摩擦接触。研究表明,提高抗压层扁带的环向强度、抗拉层扁带的轴向拉伸强度及环向拉伸强度可以提高软管的抗拉性能;抗拉层螺旋缠绕角和抗拉层厚度对软管拉伸刚度的影响较大,而内外压、抗拉层扁带数量和摩擦系数对软管拉伸刚度的影响很小。

浅谈非金属管道在集油和注水系统中的应用

在油田的集油、注水系统中,金属管道常发生腐蚀穿孔,造成油水泄漏、环境污染。非金属管道具有良好的抗腐蚀性能,越来越多地被应用在石油天然气行业中。介绍了非金属管道的特点,对某油田集油、注水系统中非金属管道的应用情况进行了分析,并提出了相应的建议。

外压弯曲联合荷载下玻璃纤维增强柔性管极限方程

以D450型玻纤增强热塑性塑料复合管为研究对象,通过简单理论及有限元方法对其在外压弯曲组合荷载下的极限状态进行研究,最终得到D450型管道组合和荷载的极限方程。该极限方程的计算结果与有限元算例结果高度吻合,证明了使用简单理论极限方程预测D450型管道外压弯曲组合极限状态的可靠性。同时,该极限方程也为管道设计人员提供了可靠、简便、准确的外压弯曲组合荷载下极限状态的校核方法。

深海玻纤增强柔性管截面结构设计及强度分析

在深海石油开采中,使用传统的钢制管道作为海底管道和立管,存在耐腐蚀性差、重量大以及柔性小等不足。热塑性玻纤增强柔性管具有重量轻、强度高、柔性好以及耐腐蚀性强等优点,逐步成为海洋管道发展的趋势。针对南海500 m海深油井使用玻纤增强柔性管进行增强层截面结构设计,依据DNVGL-RP-F119规范和美国船级社相关规范,针对柔性管增强层缠绕角度及缠绕层数,依据经验建立±30°~±75°缠绕角度和20层~40层缠绕层数的组合模型。利用ABAQUS有限元软件进行30 MPa内压、60 t拉力和5 MPa外压三种载荷工况下的强度分析,得到满足上述载荷工况的最优缠绕角度为±60°;再进行90MPa爆破压力及拉伸与外压组合工况下的强度校核,最后得到能够满足技术指标要求的增强层最优缠绕角度为±60°和最少缠绕层数为36层。

玻纤增强柔性管等效简化模型研究

玻纤增强柔性管作为一种新型海底油气输送管道,具有比强度高、柔度大和抗腐蚀性强等特点,因此在深海油气开发中具有非常广阔的应用前景。玻纤增强柔性管主要由内衬层、增强层和外保护层组成,其中增强层的等效模拟是玻纤增强柔性管设计成功与否的关键。根据玻纤增强柔性管的结构特征和材料特性,选取了四种不同的等效简化模型,对比研究了玻纤增强柔性管在轴向拉压荷载、弯曲荷载以及内压荷载作用下的力学性能。将不同简化模型的计算结果与相应的试验数据进行对比,进行等效模型的优选。研究结果表明,在内压载荷和弯曲载荷作用下,基于Halpin-Tsai模型数值结果与试验结果最为接近。在轴向载荷作用下,采用分离式模型或回形模型计算精度更高,若材料达到屈服状态时,则建议采用分离式模型进行模拟。

基于失效模式的深海玻纤增强柔性管截面设计

针对深海油气输送所使用的钢制管道存在耐腐蚀性差、质量大以及柔性小的不足,设计了具有耐腐蚀性强、质量轻、强度高、柔性好等优点的热塑性玻璃纤维(玻纤)增强聚乙烯柔性管,基于海深500 m油井油气输送用玻纤增强柔性管道中的抗压和抗拉增强层截面结构设计要求,通过有限元方法进行了多角度玻纤缠绕设计。结合DNVGL–RP–F119规范和美国船级社相关规范,首先根据柔性管受载工况进行了抗压层和抗拉层缠绕角度的设计,然后通过对抗压层、抗拉层在30 MPa内压、5 MPa外压和588 000 N拉力3种典型工况下的厚度试算以及90 MPa爆破压力校核,最终获得能够满足柔性管技术设计指标要求的增强层厚度为11.6 mm(90°玻纤缠绕抗压层8 mm,+30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm,–30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm)。与传统柔性管使用的单一缠绕角度设计方法相比,所设计的玻纤增强柔性管不需要经过多个工况强度校核进行大量缠绕角度和缠绕厚度试算以确定多种工况下的增强层最优缠绕角度和最少缠绕层数,因此计算量小、设计效率高。

粘接性玻纤增强柔性管承压性能模拟及试验验证

与广泛使用的金属管道相比,粘接性玻纤增强柔性管具有耐腐蚀、柔性好、安装简单等特点,正在成为海洋油气输运新的管道型式。针对粘接性玻纤增强柔性管试验周期长、测试成本高以及试验结果受环境因素影响大等问题,采用Halpin-Tsai模型建立设计内径152 mm、设计内压30 MPa柔性管有限元模型,研究增强层玻纤带的缠绕角度、缠绕层数以及内衬层和外保护层壁厚等结构参数对柔性管承压性能的影响,结果表明:随着增强层玻纤带的缠绕角度、缠绕层数以及外保护层壁厚增加,柔性管的承压性能提高;随着内衬层壁厚增加,柔性管承压性能先提高后降低;确定理论条件下柔性管结构参数为增强层玻纤带缠绕角度±55°、增强层玻纤带缠绕层数40层、内衬层壁厚25 mm、外保护层壁厚25 mm。结合实际工程应用对结构参数进行优化,并开展爆破试验进行验证,最终得到柔性管实际结构参数为增强层玻纤带缠绕角度±55°、增强层玻纤带缠绕层数100层、内衬层最佳壁厚8 mm、外保护层最佳壁厚8 mm。

玻纤增强柔性管抗外压性能研究

对外压载荷下玻纤增强柔性管的力学性能进行研究,并采用有限元软件ABAQUS建立外压模型,提取管道可承受的最大外压,以验证数值分析方法的正确性。对玻纤增强柔性管进行外压试验,比较数值分析结果与试验得到的最大外压值的差异。结果表明,数值分析结果与试验得到的最大外压值的吻合度很高,提出的理论公式可用来计算玻纤增强柔性管可承受的最大外压值,为工程实践提供指导。

地面煤层气FRTP柔性管道工程性能试验研究

为解决煤层气管道运输中传统运输管道长期服役性能较差且经济成本较高等问题,本文研发了一种新型的聚酯纤维增强热塑性塑料(FRTP)柔性管,并基于室内整管承压性能试验、内层拉伸试验以及邵氏硬度和维卡软化温度试验,深入研究了FRTP管的综合工程性能以及性能劣化机理。试验结果表明:服役2年后的FRTP管保压性能及抗拉性能变化幅度较小,但水压爆破压力值下降了12.39%,即承内压性能劣化速率较快;服役2年后的FRTP内层材料屈服强度、邵氏硬度和维卡软化温度分别下降了21.43%、27.82%和5.98%,即内层材料的抗变形能力劣化速率较快;FRTP管的主要承压载体为聚酯纤维强化层,其失效模式主要分为强化层断裂失效及内层腐蚀失效两种。上述研究成果对FRTP在地面煤层气的长期安全运行及重点检测方向具有重要意义。

弯矩载荷下玻纤增强管中玻纤轴向应变研究

本文采用数值分析方法对玻纤增强柔性管在弯矩载荷作用下的玻纤轴向应变进行公式推导,得到简化公式。采用Abaqus有限元分析软件建立玻纤增强柔性管模型,加载弯矩载荷,求出玻纤的轴向应变,与理论分析得到的结果进行对比,误差在可接受范围内,验证了本文玻纤轴向应变简化公式的准确性。

弯矩载荷下玻纤增强柔性管力学性能研究

本文基于非线性环和虚功理论,利用模型替代法将无限长的玻纤增强柔性管简化为一种二维空间模型,并利用数值求解的方式来完成该软管在受到弯曲力矩下的载荷平衡方程,最后基于平衡方程得到理论解;建立二维空间模型来进行替代并利用软件完成有限元分析,通过将玻纤增强柔性管"嵌入"结构加强实体中,将重点分析研究玻璃纤维软管在受载情况下的弯矩以及曲率变化情况,通过试验得到了三种曲率-弯矩曲线。最后将试验结果、有限元解和理论分析方法进行对比,误差在可接受范围内,验证了本文理论分析方法的准确性。