李汪灝,趙 亮,白如雪,胡瑋結,張舒晗
(中國石油工程建設有限公司華北分公司,河北 滄州 062550)
隨著雄安新區(qū)的建立,其豐富的地熱資源有條件建立以地熱為主的分布式可再生能源系統(tǒng),利用地熱發(fā)電、地熱供暖實現(xiàn)新區(qū)的綠色發(fā)展,而其中管道領域對于能源的輸送是十分重要的。
現(xiàn)如今,主流管道還是以金屬管材為主,但在地熱能領域,采用金屬管道輸送地熱水,會加快金屬管道腐蝕、結垢,進而降低使用壽命,嚴重影響經(jīng)濟效益,并且其保溫性能差,會造成能源的浪費[1]。隨著非金屬管道的大量應用,玻璃鋼管道的優(yōu)勢逐漸顯示出來,其耐腐蝕、壽命長、內壁光滑、保溫性能好等特點使其得到廣泛應用[2]。但玻璃鋼材料本身呈現(xiàn)各向異性,并且其彈性模量低、層間剪切強度低、易損傷斷裂的特性,使玻璃鋼管道失效破壞形式變得復雜。
因此,在實際工程設計中,玻璃鋼管線的性能并不穩(wěn)定,為保證設計成果的安全性與經(jīng)濟性,對玻璃鋼管線進行應力分析是十分必要的。
對于普通金屬的工藝管線與動力管線而言,進行應力分析需要遵循ASME B31.3、B31.1等相關規(guī)范,使金屬管線的一次應力、二次應力以及偶然應力可以滿足規(guī)范要求,論證管線設計的正確性。但因為玻璃鋼管線采用的是玻璃纖維中融入樹脂,逐層纏繞到模具上進行固化而成[3],特殊的加工工藝與材質使玻璃鋼管線呈現(xiàn)各向異性和非線性的特性。對于正交各向異性復合材料而言,其本構關系[4]表述如下式:
其中,Cij表示剛度系數(shù),是材料的固有特性。
復合材料的性能與失效形式相較于金屬而言更加復雜,已經(jīng)不適用于金屬管線應力校核的準則,并且ASME標準中缺少對玻璃鋼材質的無因次系數(shù)K的定義[5],所以此標準已經(jīng)不能使用。
現(xiàn)如今國內并沒有具體的玻璃鋼管道的應力分析規(guī)范,所以對于玻璃鋼管線進行應力分析,主要采用ISO 14692規(guī)范、BS7159規(guī)范以及UKOOA規(guī)范。
對于本文所研究的埋地玻璃鋼管線,采用BS7159規(guī)范對其進行應力校核。BS7159規(guī)范采用與鋼管應力分析類似的方法和公式計算截面應力,并且其失效的判定是根據(jù)等效應力來得到。在管系結構中,因為徑向應力的忽略,計算公式將進行簡化。
式中:σc-復合應力;
σx-軸向應力;
σsc-扭轉應力;
ELAM-層合板彈性模量;
εd-設計應變。
并且,BS7159對無因次系數(shù)K定義為溫度變化系數(shù),當輸送介質為液體時,K取值為0.85,氣體介質取值0.8。
本文以某地熱開發(fā)利用項目為案例,通過CAESAR Ⅱ軟件對地熱埋地玻璃鋼管線進行應力校核,其一次網(wǎng)供水設計溫度為110℃,設計壓力為1.6 MPa,屬于GB2類壓力管道。
在進行應力分析之前,需要針對項目自身特性對CAESAR II 進行默認參數(shù)設置。如圖1為配置文件的設置,其中涉及到所用玻璃鋼管道材料的各種參數(shù)。
圖1 配置文件設置
Fig.1 Profile settings
玻璃鋼材料作為纖維增強復合材料,其制作工藝較為復雜,并且缺乏材料屬性的統(tǒng)一標準,致使不同廠家所制作的玻璃鋼材料存在一定的差異。根據(jù)玻璃鋼管道廠商所提供的的材料數(shù)據(jù)與管道工藝條件,在CAESAR II中進行計算參數(shù)的設定,其中包括管道的數(shù)據(jù)、介質密度、保溫數(shù)據(jù)、溫度、壓力等計算參數(shù),以及選用BS 7159規(guī)范,并設置相應參數(shù)。
因為溫度對玻璃鋼材料的彈性模量與許用應力存在影響,由廠商提供材料真實實驗數(shù)據(jù)設定,進而建立模型文件,圖2所示。
圖2 模型參數(shù)設置
圖3 彎頭參數(shù)設置
基于配管安裝圖進行建模,添加閥門與非埋地部分的支撐,并依據(jù)實際管件壁厚對彎頭處進行單獨設定,避免應力集中造成應力校核無法通過,如圖3所示。
對模型進行埋地設置。在Basic Soil Modeler中的進行管系所在土地土壤參數(shù)的設置,本項目所選用的是CAESAR II Basic Model,其中所需設定的參數(shù)包括土壤摩擦系數(shù)、土壤密度、管頂埋深、土壤摩擦角、壓實系數(shù)、屈服位移系數(shù)、線膨脹系數(shù)與溫差等,最后并對管系埋地段施加約束,形成埋地模型,如圖4所示。
圖4 管道模型
在應力分析中,因項目類型的不同與要求不同,使所需進行分析的工況也存在一些區(qū)別,并且玻璃鋼管道與金屬管道相比,不需要進行二次應力分析,而需要進行在操作工況下的應力分析。根據(jù)此地熱工程項目的要求,埋地玻璃鋼管道所需進行的應力校核工況如表1所示。
表1 工況類型
模型建立完成后,運行錯誤檢查器確認無誤,進行管道應力計算,得到持續(xù)載荷工況組合(SUS)下的一次應力校核結果,
應力占最大標準規(guī)定應力的22.6%,低于百分之百,故一次應力校核通過。
進行設計溫度操作狀態(tài)下的載荷工況組合(OPE)計算,得到模型中各節(jié)點的位移與約束反力的數(shù)據(jù)。其中,X軸向最大位移為4.85 mm,Y軸向最大位移為5.10 mm,Z軸向最大位移為11.50 mm,都小于規(guī)范要求的12.5 mm許用值。從數(shù)據(jù)可以看出,管道在Z軸向的位移最大,其節(jié)點位置在非埋地部分,并且此點無支撐,排除了支架脫空的可能。
在約束反力方面,因此項目沒有設備,所以不需要進行設備管嘴處的受力校核,并且此項目管道大部分處于埋地狀態(tài),所以只對非埋地狀態(tài)的管道Y軸向受力進行校核即可。通過分析結果可以看出,管道在Y軸向受力最大為6.5 kN,滿足支撐的要求。
本文在CAESAR II應力分析軟件的基礎上,以地熱項目的埋地玻璃鋼管道為例,在BS 7159標準下進行玻璃鋼管道的應力分析,細化了埋地玻璃鋼管道的應力分析內容和方法。在實際項目的基礎上,對玻璃鋼材料參數(shù)的選擇、工況的選擇、埋地模型的建立等進行了說明,從而為埋地玻璃鋼管道的應力分析研究提供參考和依據(jù),并對實現(xiàn)玻璃鋼管道的安全生產(chǎn)具有重要意義。