油气管道复材套筒修复结构建模进行有限元模拟分析
2022-03-14
对复材套筒修复结构建模进行有限元模拟分析。通过模拟修复结构在内压载荷和弯曲载荷下的受力情况和失效模式，分析复材套筒的修复性能。试验所用管材为管径1219 mm×18.4 mm 的X80钢管，总长12 m。在管体上构建相应的金属损失缺陷来分析管体应力应变的变化规律。对于仅受内压载荷的管道，在有限元分析中管道两侧采用强制位移约束（完全固定），管体内部施加压力边界条件，压力分为两类工况，一类是工作压力12 MPa，另外一类持续增压直到爆破，以此来分析爆破情况下的缺陷补强效果，应力应变分析见图 1、图 2。
图 1 12 MPa内压下管道轴向及环向应力应变比较（左为轴向，右为环向）
图 2 爆破状态下有无补强的管道塑形应变分析（左为无补强，右为有补强）
（1）在管道设计压力12 MPa下，有无修复补强的管道均未发生失效，但是复材套筒修复结构明显降低了管道缺陷处的应力。此外，填充腻子的受力情况表明复材套筒修复结构处于安全范围内，即对管道进行了有效补强。（2）在爆破压力试验中，如果没有补强，13.46 MPa内压下缺陷塑性应变突变，管道爆破；但是在复材套筒的增强下，缺陷塑性应变只有0.02%，非常安全；在压力达到23.84 MPa时，管道发生整体爆破，但缺陷内部的应变也远远没有达到爆破塑性应变。说明复材套筒对缺陷钢管起到了有效的补强作用。弯曲载荷下有限元模拟修复结构的试验结果显示：同规格不含缺陷的钢管最大承载弯矩为12.80×106 N·m，含缺陷未修复钢管最大承载弯矩为10.84×106 N·m，而复材套筒修复后的最大承载弯矩为12.34×106 N·m，与不含缺陷钢管的最大承载弯矩基本一致，进一步验证了复材套筒对缺陷管道在弯曲载荷下起到了有效的补强作用。有限元分析结果表明，复材套筒对缺陷管道起到了良好的环向补强和弯曲补强修复作用，验证了复材套筒用材料性能指标以及结构设计方法的有效性和安全性。
