基于鋼塑界面脫粘的鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管接頭端部鼓脹失效研究.pdf

1、2009年世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)至今，世界各國為加速經(jīng)濟(jì)增長、推進(jìn)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(jì)劃，預(yù)示著全球能源需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是油氣資源爭奪將愈演愈烈。管道運(yùn)輸作為五大運(yùn)輸方式之一，以其運(yùn)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(jìn)行、城市化進(jìn)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(qiáng)塑料復(fù)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(fù)合管，在國內(nèi)外已經(jīng)具備了十余年的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在壓力管道輸送領(lǐng)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(qiáng)塑料復(fù)合管以螺旋纏繞鋼絲作為增強(qiáng)體，以高密度聚乙烯作為包覆層提供介質(zhì)防護(hù)作用。復(fù)合管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其兼具了鋼制管道的高承載能力特點(diǎn)與塑料管材的強(qiáng)腐蝕抗性，成為實(shí)現(xiàn)“以塑代鋼”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要產(chǎn)品。

3、
　　隨著復(fù)合管逐漸在輸送介質(zhì)溫度高、壓力大等復(fù)雜惡劣工況下應(yīng)用，接頭安全隱患問題凸顯。端部鼓脹失效是復(fù)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(fù)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(yù)防方法進(jìn)行防治。這嚴(yán)重影響了現(xiàn)有復(fù)合管道系統(tǒng)應(yīng)用的安全性，也制約著復(fù)合管管材規(guī)格的提升與產(chǎn)品的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
　　本文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重

4、點(diǎn)項(xiàng)目“極端條件下重大承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與壽命預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號:2009AA044801)和中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號20090461356）的支持下，以鋼絲增強(qiáng)塑料復(fù)合管接頭為研究對象，采取試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方式，對復(fù)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(xué)行為時(shí)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(yàn)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(yīng)力。
　　開展了40℃（國標(biāo)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(yàn)研究，首次在試驗(yàn)中觀察并確認(rèn)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(qiáng)度失效的先后發(fā)生順序，試驗(yàn)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(qiáng)度破壞的最終

6、失效形式;基于復(fù)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(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對“無界面脫粘”的PSP接頭鋼絲應(yīng)力及鋼塑界面受力情況進(jìn)行了初步分析，結(jié)合界面切應(yīng)力與鋼絲應(yīng)力梯度成正比的關(guān)系，提出了界面切應(yīng)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(qiáng)度測試分析方法，提出了基于剪切強(qiáng)度的鋼塑界面失效準(zhǔn)則并分析了溫度、時(shí)間對界面強(qiáng)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(shè)計(jì)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(yàn)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(yàn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，揭示了鋼塑界面切應(yīng)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(yīng)力與粘結(jié)狀態(tài)的變化規(guī)律;結(jié)合拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過拉拔模型的反復(fù)試算得到界面剪切強(qiáng)度，

8、建立了界面剪切強(qiáng)度測試分析方法，提出了基于界面剪切強(qiáng)度的界面失效準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果，對不同溫度下界面粘結(jié)性能隨時(shí)間的變化展開分析，得到界面剪切強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律。
　　(3)考慮復(fù)合管接頭內(nèi)三維應(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)分析方法。
　　根據(jù)PSP內(nèi)部細(xì)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(shí)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(shí)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(yīng)力變化趨勢與對應(yīng)鋼絲的應(yīng)力梯度變化趨勢，驗(yàn)證了管材管件連接處界面切應(yīng)力由鋼絲應(yīng)力梯度主導(dǎo);開展了40℃下不同恒定內(nèi)壓作用的PSP接頭隨時(shí)間變化的力學(xué)性能分析，研究了接頭內(nèi)鋼塑粘結(jié)界面在不同