补强管道复合材料的渐进失效分析

发布时间：2021-10-25 09:43

　　复合材料缠绕补强是一种有效的管道缺陷修复技术,复合材料渐进失效对承载能力的影响有待研究。管道缺陷的局部效应和剩余强度,导致其渐进失效历程与复合材料压力容器（Composite Overwrapped Pressure Vessels,COPV）截然不同。采用复合材料补强的缺陷管件进行极限承载试验。通过对比试验极限压力与有限元模拟的渐进失效的破坏压力,验证有限元模型的正确性。有限元模拟结果表明,复合材料缠绕层发生以纤维破坏为特征的破坏模式。复合材料的渐进失效分为稳定缓慢失效和急剧加速失效两个阶段。对比COPV的瞬间大面积失效特征,分析了缓慢失效和急剧加速失效现象产生的原因,提出了实用的补强管道"临界压力"确定方法,为复合材料补强管道的设计提供参考。 

【文章来源】：安全与环境学报. 2020,20(03)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

水压试验管件

极限承载试验管件见图1。试验管件采用L245N钢制造，管件规格为直径219 mm×11.8 mm，总长约2.2 m。管件两端焊接了半球形管帽以实现封闭加压。管壁外表面采用机加工制作体积型缺陷。该缺陷位于管件中部，长度为91 mm，宽度为4mm，剩余壁厚为3.3 mm，缺陷深度基本均匀。在管件缺陷段长约300 mm范围内，实施复合材料缠绕层的补强修复。缺陷部位用改性环氧树脂填料填充至恢复管件外壁形状后，交替缠绕S级高强度单向玻璃纤维布并涂抹环氧树脂，制备复合材料缠绕层。共用5层纤维布和环氧树脂制成厚度为3.5 mm的缠绕修复。补强后的管件见图2。将管件水平放置在支座上，以4.0×10-7m3/s的流量注入20℃的水逐渐施加内压，直到管件破坏，记录涨破压力作为管件的承载极限。试验显示，经补强的管件，其极限承载能力为43.5 MPa。管件涨破(爆管)发生在缺陷区域，破坏后的管件及缠绕层见图3。试验显示，缠绕层没有发生整体破坏，仅爆管位置上方的部分纤维发生断裂。这与文献[6]的试验现象不同，而与文献[4]观察到的现象接近。文献[6]制作缠绕层时，使用了含双向(经纬)纤维的碳纤维织物，而文献[4]管件使用的是与本文类似的单向玻璃纤维复合材料。与文献[4]试验现象类似，从一个侧面证实了本文试验的正确性。图2 水压试验管件

涨破后的缠绕层

【参考文献】：
期刊论文
[1]双腐蚀缺陷海底管道临界失效压力[J]. 冯欣鑫,余杨,徐立新,王谦,余建星,冯丽梅.  中国海洋平台. 2018(05)
[2]复合材料缠绕修复管道的应力分析[J]. 帅健,刘惟,王俊强,张宇坤.  石油学报. 2013(02)
[3]ERW焊管辊弯成型过程的动态仿真研究[J]. 王军杰,蒋劲茂,李大永,彭颖红,韩建增,李建新,邓庆,熊建辉.  塑性工程学报. 2007(05)
[4]陕京二线输气管道风险预评价[J]. 刘群,周锡河.  安全与环境学报. 2005(01)



本文编号：3457142