基于鋼塑界面脫粘的鋼絲纏繞增強塑料復合管接頭端部鼓脹失效研究.pdf

1、2009年世界經(jīng)濟危機至今，世界各國為加速經(jīng)濟增長、推進產(chǎn)業(yè)革新，提出“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”等工業(yè)振興升級計劃，預示著全球能源需求將進一步擴大，尤其是油氣資源爭奪將愈演愈烈。管道運輸作為五大運輸方式之一，以其運營成本低、安全程度高、環(huán)境影響小、適于長距離輸送等優(yōu)勢，成為海內(nèi)外石油、天然氣等關(guān)鍵能源介質(zhì)輸送的主要手段。在國內(nèi)“西氣東輸”、“南水北調(diào)”等重大工程安全順利進行、城市化進程高速發(fā)展的背景下，壓力管道輸送更是成為將水

2、、油、氣資源與人民生產(chǎn)生活緊密連接在一起的紐帶。
　　鋼絲纏繞增強塑料復合管作為一種我國自主創(chuàng)新研制、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型復合管，在國內(nèi)外已經(jīng)具備了十余年的成功應用經(jīng)驗，在壓力管道輸送領域占據(jù)地位越來越重要，使用前景越來越廣闊。鋼絲纏繞增強塑料復合管以螺旋纏繞鋼絲作為增強體，以高密度聚乙烯作為包覆層提供介質(zhì)防護作用。復合管獨特的結(jié)構(gòu)使其兼具了鋼制管道的高承載能力特點與塑料管材的強腐蝕抗性，成為實現(xiàn)“以塑代鋼”戰(zhàn)略目標的重要產(chǎn)品。

3、
　　隨著復合管逐漸在輸送介質(zhì)溫度高、壓力大等復雜惡劣工況下應用，接頭安全隱患問題凸顯。端部鼓脹失效是復合管接頭最主要的失效形式，且管道承壓越高、工作環(huán)境或輸送介質(zhì)溫度越高，管道接頭越容易發(fā)生端部鼓脹失效。目前復合管接頭端部鼓脹失效的原因、過程尚未探明，更沒有有效的預防方法進行防治。這嚴重影響了現(xiàn)有復合管道系統(tǒng)應用的安全性，也制約著復合管管材規(guī)格的提升與產(chǎn)品的進一步推廣應用。
　　本文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重

4、點項目“極端條件下重大承壓設備風險評價與壽命預測關(guān)鍵技術(shù)研究”(項目編號:2009AA044801)和中國博士后科學基金資助項目（項目編號20090461356）的支持下，以鋼絲增強塑料復合管接頭為研究對象，采取試驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方式，對復合管接頭端部鼓脹失效引發(fā)原因、失效過程、失效判據(jù)建立及接頭力學行為時間相關(guān)性分析等方面開展系統(tǒng)研究，主要完成的工作為:
　　(1)通過試驗研究確定端部鼓脹失效的主要原因是PSP管端部

5、的鋼絲和聚乙烯粘結(jié)界面（簡稱鋼塑界面）脫粘，通過數(shù)值模擬分析明確了界面失效關(guān)鍵控制參量是鋼塑界面的切應力。
　　開展了40℃（國標規(guī)定最高使用溫度）下承受不同恒定內(nèi)壓的PSP鼓脹試驗研究，首次在試驗中觀察并確認了鼓脹變形PSP管材內(nèi)存在鋼絲脫粘現(xiàn)象;比較不同內(nèi)壓下的PSP管材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定了接頭端部鼓脹失效過程中鋼絲脫粘與鋼絲強度失效的先后發(fā)生順序，試驗結(jié)果表明界面失效是引發(fā)接頭端部鼓脹失效的直接原因，鋼絲斷裂是管材強度破壞的最終

6、失效形式;基于復合材料層合板理論，以纖維鋪層方式建立了PSP接頭層合板模型，結(jié)合HDPE長時應力應變關(guān)系，對“無界面脫粘”的PSP接頭鋼絲應力及鋼塑界面受力情況進行了初步分析，結(jié)合界面切應力與鋼絲應力梯度成正比的關(guān)系，提出了界面切應力是界面粘結(jié)失效的關(guān)鍵控制參量。
　　(2)建立了鋼塑界面剪切強度測試分析方法，提出了基于剪切強度的鋼塑界面失效準則并分析了溫度、時間對界面強度的影響。
　　根據(jù)PSP相關(guān)生產(chǎn)工藝參數(shù)制備了單鋼絲

7、/熱熔膠拉拔試樣，采用自行設計制造的拉拔夾具開展不同溫度下（20℃、40℃與60℃）、不同加載速率(0.01mm/min，0.1mm/min與1mm/min)的拉拔試驗研究;基于內(nèi)聚力理論，建立了二維軸對稱單鋼絲/熱熔膠拉拔模型，對20℃下1mm/min拉拔試驗進行重點分析，揭示了鋼塑界面切應力沿鋼絲軸向的非線性分布規(guī)律，以及拉拔位移載荷增加過程中界面切應力與粘結(jié)狀態(tài)的變化規(guī)律;結(jié)合拉拔試驗數(shù)據(jù)，通過拉拔模型的反復試算得到界面剪切強度，

8、建立了界面剪切強度測試分析方法，提出了基于界面剪切強度的界面失效準則;基于建立的拉拔模型，結(jié)合不同溫度、加載速率下的拉拔試驗結(jié)果，對不同溫度下界面粘結(jié)性能隨時間的變化展開分析，得到界面剪切強度隨時間的變化規(guī)律。
　　(3)考慮復合管接頭內(nèi)三維應力狀態(tài)的影響，建立全鋼絲纏繞PSP接頭模型，分析了不同內(nèi)壓、時間對管材界面失效的影響，提出了基于端部鼓脹失效的PSP接頭設計分析方法。
　　根據(jù)PSP內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)，建立了全鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)

9、PSP接頭有限元模型，模型采用內(nèi)聚力理論表征鋼塑粘結(jié)作用，實現(xiàn)了內(nèi)壓載荷作用下接頭內(nèi)管材鋼塑界面的粘結(jié)性能分析;基于新建立的接頭模型，開展了40℃下PSP接頭的短時內(nèi)壓承載分析，研究了接頭內(nèi)鋼塑界面粘結(jié)狀態(tài)隨內(nèi)壓載荷提升的變化規(guī)律;對比分析鋼塑界面切應力變化趨勢與對應鋼絲的應力梯度變化趨勢，驗證了管材管件連接處界面切應力由鋼絲應力梯度主導;開展了40℃下不同恒定內(nèi)壓作用的PSP接頭隨時間變化的力學性能分析，研究了接頭內(nèi)鋼塑粘結(jié)界面在不同