劉冬冬，郭娟，李建勇，朱方暉，董顏鳴，宋多培

（中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000）

近年來，我國逐漸進入高速發(fā)展階段，給人民群眾生活層次和消費水平帶來不同程度的提升，食品、飲料、乳制品的需求量不斷提升，各種藥品研發(fā)工作逐漸趨于成熟，讓電子行業(yè)、飲料企業(yè)、食品企業(yè)、醫(yī)藥企業(yè)市場競爭愈發(fā)激烈。

為有效滿足國內市場需求量，各生產企業(yè)將重心放在市場核心競爭力方面，投入大量資金來搶占市場，希望能取得大量市場份額，而管道其憑借自身具有安全性強、耐用性高、維護費用低等特征，被廣泛應用在生產行業(yè)中。

隨著我國社會經濟不斷發(fā)展，愈發(fā)注重鋼骨架塑料復合管的應用效果，針對鋼骨架塑料復合管發(fā)展頒布各種政策，無形中提升其應用范圍和效果。而帶壓開孔作為鋼骨架塑料復合管的重要環(huán)節(jié)，其開孔效果會直接影響到鋼骨架塑料復合管使用效果，一旦其超過行業(yè)標準，甚至會給整個工程項目質量帶來嚴重影響。因此，相關企業(yè)要提高對鋼骨架塑料復合管帶壓開孔的重視程度，通過有限元模擬方式來檢測帶壓開孔的具體情況，保證其能滿足建設要求。

1 ANSUS有限元分析

1.1 材料性能

工作人員可通過鋼骨架塑料復合管來實現(xiàn)模擬工作，這種復合管主要包括輻射交聯(lián)聚乙烯熱縮膠帶、高密度聚乙烯、高抗拉強度鋼絲等環(huán)節(jié)構成，如表1所示。其中高抗拉強度鋼絲材料通常是以Q235A和Q215A為主體，鋼骨架是利用維度和經度兩種不同方向的物質進行交叉實現(xiàn)；高密度聚乙烯是將高抗拉強度鋼絲為載體，通將高強度熱熔膠和高黏結性相互融合，利用焊接、纏繞等方式來形成特定形態(tài)。

表1 低碳鋼絲和高密度聚乙烯材料性能

1.2 建立模型

針對鋼骨架塑料復合管有限元模型可進行如下假設：在不考慮管道自重和密封工具對管道作用的影響下，由于整個開孔過程是在勻速條件下進行，其溫度基本不會出現(xiàn)過多變化，并且不會出現(xiàn)大幅度振動，所以在整個管道開孔過程中不需要考慮到溫度對管道質量帶來的影響。而鋼絲和塑料物質間不存在任何空隙，即使塑料和鋼絲間具有較強的黏結性，能避免工作人員考慮到鋼絲和塑料間的摩擦問題。同時，為保證整個計算結果的準確性，邊界條件和管道實際情況要基本相同，實際管道長度要超過實際管道長度，管道作為無限延長，為消除管道邊緣效益，通常管道有限元模型長度要高于管道直徑長度的四倍，為真實模擬出管道固定情況，通常在管道一側選擇管道三個方向進行移動?；诖肆W平衡公式和管道強度理論，工作人員可將高密度聚乙烯、緯線鋼絲、復合管道中的經線形成薄壁圓筒，有利于工作人員進行建模工作。

構建一個和實際尺寸相同的圓筒，沿著壁厚將圓筒設置為三層單元，其中內外兩層作為高密度聚乙烯，剩下一層作為等效鋼絲網層。

在管道模型中間位置向外建設大量圓柱，再利用布爾運算方式，從管道模型中將圓柱去掉，從而得到開孔的孔徑初始值，然后根據(jù)順序來劃分需要加載的面區(qū)域；

利用共用節(jié)點的方式，在內外層聚乙烯和等效鋼絲層間進行耦合連接，再根據(jù)材料力學性能將其分為鋼絲和塑料兩種材料的模型，如圖1所示。

圖1 鋼骨架塑料復合管模型

考慮到要消除模擬管道兩側的邊緣效應，在選擇模型時，要選擇超過管徑長度4倍的管道，來進行開孔管段的模擬工作，并將管道開孔初始尺寸設置為D0=Dout/3，其中Dout表示擬開孔管道外徑，從而構建鋼骨架塑料復合管帶壓開孔的ANSYS有限元模型，進而改變整個開孔孔徑，有利于后期工作人員開孔模型尺寸的模擬計算。在安裝管道后，要及時進行施壓、吹掃等工作，試驗介質要利用無油壓縮氮氣或者空氣，盡可能提升管道吹掃壓力，要確保壓力高于0.9MPa。同時，在進行壓力試驗和吹掃試驗時，要將系統(tǒng)中設計壓力相鄰管道閥門進行相互連接，并在系統(tǒng)中的連接點閥門位置安裝盲板隔離，在吹掃試驗后再將臨時性盲板拆除。吹掃檢驗方法是利用無塵布浸泡丙酮，再將其輕輕擦拭管道內部，重點擦拭死角位置，如三通、彎頭、閥門等位置，用肉眼來確定判斷管道內部是否存在污染物質，如果不存在則判定為合格。

1.3 網絡劃分

在不影響計算精確度的基礎上，工作人員針對管體環(huán)節(jié)，要利用尺寸較大的網絡來進行規(guī)劃。所有閥門、管材、管件的型號要滿足設計標準，并附加產品合格證明。在采用管材、彎頭等部件前，要詳細觀察其表面是否存在裂紋、破皮等問題，檢查閥門和管件外觀是否出現(xiàn)砂眼。同時，在孔邊緣位置進行平滑性處理和網格細化處理，避免由于網絡劃分不完善，導致整個計算數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。

1.4 模型求解

管道兩端斷面通常是利用固支的限制方式，內壓則是采用面壓形式將壓力應用在管壁內側，從而模擬管道日常運行壓力；外壓同樣是使用面壓措施來進行，不過是將壓力施加到管道外壁上，來模擬在密封三通卡具中密封注劑給管道帶來的壓力。在正常情況下，工作人員將管道壁厚度設置為12.5cm，管道運行壓力為1功率，模擬管道直徑分別為50cm、65cm、80cm、100cm、125cm等。通過采用ANSYS軟件的處理器來收集模型中最高等效應力，該應力值為194MPa，并將其和鋼絲屈服應力相比，發(fā)現(xiàn)當其開孔直徑為D0=Dout/3時，模型中最高等效應力要低于鋼的屈服應力，管道中并未出現(xiàn)任何失效現(xiàn)象，這時開孔孔徑并非是管道最高開孔孔徑。而增大管道開孔直徑為D0=Dout/3+1×2，工作人員需要重新構建帶孔開壓有限元模型，并進行重復模擬計算，直到工作人員計算出的鋼屈服應力停留在2個子步間，從而才能確定最大開孔孔徑，每個孔徑有對應的最大應力。

同時，經過上述工作人員所計算的結果，發(fā)現(xiàn)，當開孔孔徑為D4=Dout/3+4×2和D5=Dout/3+5×2時，有限元模型對應最高等效應力為236和223功率?？梢?，當開孔孔徑為39.7時，最高應力值為235功率，其位于最高功率和最低功率間，從而可得到D4和D5 2個子步屬于失效子步和未失效子步。因此，工作人員可通過不同孔徑對應的等效應力圖來確定管壁厚度、管理直徑、管道運行壓力等，準確計算出模擬管段最高開孔直徑為38cm（如圖2所示）。

圖2 不同孔徑對應的等效應力分布圖

1.5 計算結果

通過對7種不同類型的管徑進行分析，建立帶壓開孔的ANSYS有限元模型，從而計算出管道壁厚度為12.5mm，管道運行時所承受的壓力為1MPa，在該種條件下所有管道帶壓開孔都是最大開孔孔徑，可見開孔孔徑會隨著管徑不斷增加而發(fā)生改變。

2 試驗驗證

2.1 實驗設備

在《承壓設備帶壓密封技術規(guī)范》中明確指出：試驗設備是由特殊機械三通夾具、全自動液壓開孔機、配套閥門、試驗管段、盲板、壓力表等環(huán)節(jié)組成。其中管道壓力增加載體是水資源，管道最高承受壓力為2.2MPa，載體溫度為20℃；管材主要采用鋼骨架塑料復合管，該管道直徑為200cm，管壁厚度9.5cm，管道長度在1.8m，通過利用有限元模擬計算出其開孔最大孔徑為100cm。

2.2 試驗方法

首先，工作人員可在試驗管段盲板位置安裝提前校正好的壓力表，再通過入口處向里面灌注大量水資源，來提升管道內的壓力，等到管道中的壓力持續(xù)增加到初始設定壓力時，停止15min。然后利用觀測壓力表具體數(shù)據(jù)來判斷管道自身的密封性能，如果確定管道密封性能達到行業(yè)標準，則繼續(xù)增加管道內部壓力，等到管道中壓力突破到2.2MPa時，同樣靜止15min，并仔細觀察該過程中管道不同環(huán)節(jié)的密封性，查看連接位置是否出現(xiàn)泄漏、塑性變形等問題。其次，要根據(jù)開孔位置，將特殊機械三通工具放置在試驗管道中，將其和注劑工具相互連接，從而對密封夾具進行注膠密封。最后，當開孔工序完畢后，工作人員要全面檢查設備是否存在損壞現(xiàn)象，關閉平板閘門，將試驗管道中的壓力保持在最高壓力值，在穩(wěn)定15min后，再觀察整個過程中的試驗管道是否存在塑性變形、泄漏等問題。

2.3 試驗結果

通過檢測試驗管道的密封性，發(fā)現(xiàn)在相同施工條件下管道并未出現(xiàn)嚴重的損壞現(xiàn)象，從而判斷出管道開孔工作成功實現(xiàn)，通過ANSYS軟件來進行鋼骨架復合管帶壓開孔模擬具有較強的可行性。

3 結語

綜上所述，通過利用ANSYS有限元軟件來對鋼骨架塑料復合管進行模擬研究，能收集到適應于不同規(guī)格管徑的開孔孔徑，目前被廣泛應用在油田現(xiàn)場，已取得不錯的效果。同時，經過大量實踐證明，通過在鋼骨架復合管中進行有限元建模和力學分析，能進一步發(fā)揮復合材料自身作用，給不動火帶壓開孔技術在非金屬管方面的應用提供多樣化技術，有利于解決管道施工存在的盲目性問題，有效提升現(xiàn)場安全生產的能力，給非金屬管道安全施工打下堅實的基礎?；贏NSYS仿真結構，工作人員可通過檢測管段密封性，來發(fā)現(xiàn)在相同施工條件下無任何元素影響下的泄漏問題，并未發(fā)現(xiàn)有明顯的塑性變形，就表示鋼骨架塑料復合管的帶壓開孔模型精度較高，能給現(xiàn)場開孔工作打下堅實的基礎。