一种钢带增强复合柔性管截面设计方法技术

本发明专利技术公开了一种钢带增强复合柔性管截面设计方法。本发明专利技术通过研究一种钢带增强复合柔性管的截面设计方法，对钢带增强复合柔性管在内压、拉伸、弯曲和外压下的极限状态方程进行开发，形成钢带增强复合柔性管截面设计的关键技术指标和应用相关配套技术。本发明专利技术可以指导设计钢带增强复合柔性管，为该类产品的开发与应用奠定基础。

A Design Method for Section of Composite Flexible Tube Reinforced by Steel Strip

The invention discloses a cross section design method of a steel belt reinforced composite flexible pipe. By researching a cross-section design method of steel band reinforced composite flexible pipe, the limit state equation of steel band reinforced composite flexible pipe under internal pressure, tension, bending and external pressure is developed, and key technical indexes of cross-section design of steel band reinforced composite flexible pipe and related supporting technologies are formed. The invention can guide the design of steel belt reinforced composite flexible pipe and lay a foundation for the development and application of the product.

【技术实现步骤摘要】
一种钢带增强复合柔性管截面设计方法
本专利技术涉及一种钢带增强复合柔性管截面设计方法。
技术介绍
管道作为一种运输工具，在水运、公路、铁路、航空业中都有十分重要的应用。传统的管道一般都为全钢质，这种管道易于制造，曾被广泛使用。但全钢质管道存在如下问题：1)耐腐蚀能力差，必须辅以外防腐层保护及阴极保护等技术措施；2)内壁较粗糙，沿程摩阻大，耗能高；3)大口径、高压力管道，管壁厚，制板、卷管难度大，质量缺陷率高；4)管道自重大，重型设备使用费高，占用施工场地大，土地赔偿费用高；5)管道长期安全运营难度大、维护费用高；因此，塑料复合管材由于其优异的自防腐性、良好的韧性及便利的连接性，近年来已经成为管材发展的热点和趋势。管道局一直关注塑料复合管材技术的进步，通过全面调研和分析，认为塑料复合柔性管是较有可能在油气长输管道大力推广的复合管材之一，主要用于海洋输水、海洋立管、石油天然气开采集输及城乡输水管网等。钢带作为常见的柔性管增强材料，具有易于生产、成本低强度高的优点。目前，需要一种钢带增强柔性复合管的设计方法，在保证生产质量的同时，提高生产效率。
技术实现思路
为此，本专利技术设计了一种钢带增强复合柔性管截面设计方法，以此解决现有生产方法程序复杂、成品率低的问题。本专利技术采用如下技术方案：一种钢带增强复合柔性管截面设计方法，其步骤为：一、根据柔性管制造要求，获得管道的几何参数与材料参数；二、计算柔性管在内压下的力学性能；首先建立理论模型，进行应力分析与各层材料特性分析；之后，分别对各层进行应力-应变分析，结合边界条件，求出复合柔性管各层最大应力结果；三、计算柔性管在拉伸作用下的力学性能；首先建立理论模型，计算应力-应变关系；之后，分析边界条件，求得柔性管的极限抗拉强度；四、计算柔性管在弯曲作用时的力学性能；考虑钢带螺旋缠绕产生的影响，根据规范求得柔性管的最小弯曲半径；五、计算柔性管在外压下的力学性能；通过各层管及加强层贡献的累积求和，可以求出柔性管能承受的最大外压；六、计算柔性管在内压加弯曲共同作用下的力学性能；建立管道受平面弯曲的模型，加上环向荷载平衡方程，计算出柔性管的短期爆破压力；七、比较上述计算得出的结果是否满足要求。作为优选，所述步骤一中的材料参数可以通过理论计算或实验得到。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过研究一种钢带增强复合柔性管的截面设计方法，对钢带增强复合柔性管在内压、拉伸、弯曲和外压下的极限状态方程进行开发，形成钢带增强复合柔性管截面设计的关键技术指标和应用相关配套技术。本专利技术可以指导设计钢带增强复合柔性管，为该类产品的开发与应用奠定基础。附图说明图1是钢带增强复合柔性管结构图；图2是钢带缠绕复合管结构示意图；图3是管道截面各层示意图；图4是管道截面图；图5是柱坐标系；图6是整体坐标系和局部坐标系；图7是加强层代表性的体积单元；图8是管子的平面纯弯曲变形；图9是平面纯弯曲内里内力微元；图10为钢带增强复合柔性管的截面设计流程图。具体实施方式下面通过具体实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的具体描述：实施例：如附图8所示，一种钢带增强复合柔性管截面设计方法，其步骤为：一、根据柔性管制造要求，获得管道的几何参数与材料参数；二、计算柔性管在内压下的力学性能；首先建立理论模型，进行应力分析与各层材料特性分析；之后，分别对各层进行应力-应变分析，结合边界条件，求出复合柔性管各层最大应力结果；三、计算柔性管在拉伸作用下的力学性能；首先建立理论模型，计算应力-应变关系；之后，分析边界条件，求得柔性管的极限抗拉强度；四、计算柔性管在弯曲作用时的力学性能；考虑钢带螺旋缠绕产生的影响，根据规范求得柔性管的最小弯曲半径；五、计算柔性管在外压下的力学性能；通过各层管及加强层贡献的累积求和，可以求出柔性管能承受的最大外压；六、计算柔性管在内压加弯曲共同作用下的力学性能；建立管道受平面弯曲的模型，加上环向荷载平衡方程，计算出柔性管的短期爆破压力；七、比较上述计算得出的结果是否满足要求。步骤一中的材料参数可以通过理论计算或实验得到。该钢带增强复合柔性管截面设计方法的详细操作实施方式如下：钢带增强复合柔性管通常由内层、钢带增强层及外部耐磨层组成。内层和外部耐磨层材料通常为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，主要作用是密封、防腐和保护，还承担小部分荷载。钢带作为钢带增强复合柔性管的增强材料，主要作用是构成该复合管的强度和刚度。本实施例中钢带增强复合柔性管的具体结构如下：该钢带增强复合柔性管包含4层：内层PE层，中间2层钢带缠绕增强层，以及外层PE层。相邻的缠绕增强层缠绕角度相同但缠绕方向每两层相反(±Φ)，如图1所示。钢带与内外PE层均为均质、各项同性材料，并假设制造过程中没有缺陷。分析过程中只考虑钢带处于线弹性阶段。在钢带增强复合柔性管服役过程中，承受的外荷载主要有：内压、拉伸、弯曲、外压，因此钢带增强复合柔性管设计时需要考虑的主要载荷形式即为以上四种。1)内压如图2所示建立柱坐标系，r为径向，θ为环向，Z为轴向。由于管道为轴对称结构，其应力与应变都与θ方向无关，因此位移场可表达为ur＝ur(r),uθ＝uθ(r,z),uz＝uz(z)(1)式中ur，uθ和uz分别表示径向、环向和轴向位移。对管道中的各层结构，假设其不存在体积力的条件下，应力平衡条件为：应力-应变关系为将式(1)代入式(2a)(2b)(2c)和式(3a)(3b)，则平衡方程可重写为：应变位移关系为：对于一段长度确定的各向同性管道，γzθ代表管道单位长度的扭转，并与半径成线性关系。极坐标系下的应力方程为式中Φ为艾里应力函数。各层特性分析：管道内外层PE材料为均质各项同性，其偏轴柔度矩阵为：其偏轴刚度矩阵为对k＝1,4表示内外层PE材料，各层材料和半径示意图如图3所示。增强层中的钢带材料也为均质各向同性，但考虑到管道受内压时钢带承受沿缠绕方向的拉应力而非沿管道径向的拉应力，此处钢带可看成横向各向同性，即在垂直于钢带横截面上各处，钢带力学性能相同，因此主轴刚度矩阵为：C(k)＝(S(k))-1(10)偏轴刚度矩阵可表示为：式中m＝cosα,n＝sinα，α表示钢带沿轴向的缠绕角度，k＝2,3代表钢带增强层。T，L分别代表沿沿着钢带缠绕方向和垂直于钢带的缠绕方向。作为各项同性材料，PE层应力应变关系为，结合式(15)，式(3a)，式(3b)，式(4a)，式(4b)和式(4c)，PE层μr,μz和μθ可表示为，式中，由于PE为均质、各向同性材料，可得进一步可推导出β(k)＝1,α1(k)＝α2(k)＝0。式中D(k),E(k)为未知常量。钢带层应力应变关系可表达为钢带层μr,μz和μθ可表示为钢带层为各向同性材料，即ET＝EL＝Er＝Esteel(20a)μTL＝μTr＝μLr＝μsteel(20b)GTL＝GTr＝GLr＝Gsteel(20c)可推出式(17)中β(k)＝1,α1(k)＝α2(k)＝0。边界条件：钢带增强复合管属于非粘接管，理论上其增强层各层之间可自由滑动。但是在管道受内压时增强层各层之间会被紧密挤压在一起，因此此处无需考虑滑移问题。因此可得以下边界条件：力边界条件为界面边界条件为式中k＝1,2,3。轴向力平衡条件：两端封闭的管道受内压，其轴向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢带增强复合柔性管截面设计方法，其特征是，其步骤为：一、根据柔性管制造要求，获得管道的几何参数与材料参数；二、计算柔性管在内压下的力学性能；首先建立理论模型，进行应力分析与各层材料特性分析；之后，分别对各层进行应力‑应变分析，结合边界条件，求出复合柔性管各层最大应力结果；三、计算柔性管在拉伸作用下的力学性能；首先建立理论模型，计算应力‑应变关系；之后，分析边界条件，求得柔性管的极限抗拉强度；四、计算柔性管在弯曲作用时的力学性能；考虑钢带螺旋缠绕产生的影响，根据规范求得柔性管的最小弯曲半径；五、计算柔性管在外压下的力学性能；通过各层管及加强层贡献的累积求和，可以求出柔性管能承受的最大外压；六、计算柔性管在内压加弯曲共同作用下的力学性能；建立管道受平面弯曲的模型，加上环向荷载平衡方程，计算出柔性管的短期爆破压力；七、比较上述计算得出的结果是否满足要求。

【技术特征摘要】
1.一种钢带增强复合柔性管截面设计方法，其特征是，其步骤为：一、根据柔性管制造要求，获得管道的几何参数与材料参数；二、计算柔性管在内压下的力学性能；首先建立理论模型，进行应力分析与各层材料特性分析；之后，分别对各层进行应力-应变分析，结合边界条件，求出复合柔性管各层最大应力结果；三、计算柔性管在拉伸作用下的力学性能；首先建立理论模型，计算应力-应变关系；之后，分析边界条件，求得柔性管的极限抗拉强度；四、计算柔性管在弯曲作用时的力学性能；考...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙新宇，刘畅，赵健男，张霄杰，
申请(专利权)人：宁波欧佩亚海洋工程装备有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33