盧召紅 徐暢 彭鄭飛 王威

摘 要：【目的】研究薄壁內(nèi)襯復(fù)合管在受沖擊力作用下的界面黏結(jié)強(qiáng)度對層間剝離屈曲的影響。【方法】建立薄壁內(nèi)襯復(fù)合管在彈性階段的非線性分析模型，對薄壁內(nèi)襯復(fù)合管材模態(tài)試驗(yàn)與分析模型的分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證有限元分析模型可靠性。通過改變襯層與原基層管壁間的界面黏結(jié)強(qiáng)度，研究復(fù)合管在沖擊力下的動態(tài)特征?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明，當(dāng)沖擊荷載較小、管道變形處于彈性階段時，薄壁內(nèi)襯復(fù)合管的損傷大都集中在層間界面處。界面黏結(jié)強(qiáng)度對層間剝離屈曲有較大的影響，隨著層間界面黏結(jié)強(qiáng)度的增加，外基層管與內(nèi)襯層的最大等效應(yīng)力差值減少。此外，外基層管和內(nèi)襯層的變形協(xié)調(diào)性能力隨著黏結(jié)強(qiáng)度增加而增大，徑向?qū)娱g位移減小，增加了復(fù)合管的整體性和連續(xù)性?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為薄壁內(nèi)襯修復(fù)管道設(shè)計(jì)方法及層間界面效應(yīng)分析提供參考。

關(guān)鍵詞：薄壁內(nèi)襯復(fù)合管；界面黏結(jié)強(qiáng)度；沖擊力；層間剝離

中圖分類號：TU398.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.011

Analysis of Interfacial Bond Strength Effect of Thin-Walled Lined

Composite Pipe Under Impact Force

LU Zhaohong1 XU Chang1 PENG Zhengfei1 WANG Wei2

（1. Northeast Petroleum University，Daqing 163318， China; 2.Daqing Petrochemical Engineering Inspection Technology Co.， Ltd， Daqing 163714， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the effect of interfacial bond strength on the peel buckling of thin-walled lined composite pipe under impact force. [Methods] The nonlinear analysis model of thin-walled lined composite pipe in elastic stage is established. The comparison of modal experiment results with analytical models of thin-walled lined composite pipes is made to verify the reliability of the finite element analysis model. By changing the interfacial bond strength between the lining layer and the original base pipe wall， the dynamic characteristics of composite pipe under impact force are studied. [Findings] The results of research show that when the impact load is small and the pipeline deformation is in the elastic stage， the damage of thin-walled lined composite pipe is mostly concentrated at the interlayer interface. The interfacial bond strength has a great influence on the interlaminar peel buckling， and the increase of interlayer bonding strength， the maximum equivalent stress difference between the outer base pipe and the inner liner decreases. In addition， the deformation coordination ability of the outer base pipe and the lining layer increases with the increase of bond strength， while radial interlayer displacement decreases， which improves the integrity and the continuity of the composite pipes. [Conclusions] The research results can provide a reference for the design method and the interlayer interface effect analysis of the thin-walled liner repair pipeline.

Keywords： thin-walled lined composite pipe; interfacial bond strength; impact load; interlayer stripping

0 引言

薄壁內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)是基于埋地管道非開挖修復(fù)技術(shù)而提出的一種管道再生技術(shù)，其將玻璃鋼、不銹鋼或高密度材料制成薄壁內(nèi)襯管，并把內(nèi)襯管與原管道緊密結(jié)合在一起從而形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高管道的整體強(qiáng)度，可廣泛用于帶缺陷管道修復(fù)再生、既有天然氣管道改造升級以滿足氫氣輸送等領(lǐng)域。而壓力輸送管道在運(yùn)營過程中，會受到碰撞、沖擊、高空落體等的影響，導(dǎo)致管道受損，介質(zhì)泄漏，引發(fā)工程事故。因此，研究修復(fù)后的內(nèi)襯管道在沖擊力作用下的動力特征，提供合理的層間界面黏結(jié)強(qiáng)度具有重要意義。

針對薄壁內(nèi)襯復(fù)合管動態(tài)響應(yīng)方面的研究較多。秦慶華等［1］對兩端固支薄壁圓管在經(jīng)受楔形錘體沖擊時的動力響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真，研究發(fā)現(xiàn)，大變形引起的局部變形和整體彎曲變形的耦合程度與幾何參數(shù)徑厚比、跨徑比等因素有關(guān)。付崔偉等［2］通過構(gòu)建有限元模型對油氣管道受海底滑坡沖擊進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)管道的懸跨高度極大削弱了海底管道可承受不利因素的能力。張虎等［3］通過開展埋地管道落錘沖擊試驗(yàn)，得到了沖擊荷載下鄰近埋地管道的應(yīng)變規(guī)律。董飛飛等［4］通過進(jìn)行管道縮尺模型沖擊試驗(yàn)，歸納總結(jié)了沖擊荷載下管道的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，但結(jié)論仍有局限性。在層間剝離屈曲失效方面，沈成武等［5］運(yùn)用彈塑性有限變形理論，對受壓層合圓板層間剝離的擴(kuò)展進(jìn)行了討論。郭奕蓉等［6］利用三維有限分析模型進(jìn)行了內(nèi)襯管屈曲失效問題的研究，研究結(jié)果顯示，以徑向均布載荷方式施加在外基管外壁上對內(nèi)襯層的屈曲性能具有顯著影響。Zhao等［7］通過數(shù)值模擬，對純彎曲下復(fù)合管的屈曲行為進(jìn)行了進(jìn)一步分析，得出在外力作用下，管道可能發(fā)生局部屈曲失效，并且發(fā)現(xiàn)該屈曲失效的產(chǎn)生與管道的皺褶幅值和曲率值有關(guān)。張春迎等［8］對雙金屬復(fù)合管進(jìn)行了有限元模擬，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合管的徑厚比對管道屈曲失效現(xiàn)象有顯著影響。謝鵬、龔順風(fēng)、劉瀚等［9-11］開展了高靜水壓力下管道結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)，并通過有限元數(shù)值分析，研究管道受到外壓下的屈曲行為。史艷莉等［12-19］對管道受沖擊動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步分析。但是以上研究均沒有考慮到界面作用對層間剝離屈曲的影響。

本研究通過對薄壁內(nèi)襯復(fù)合管材模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，來驗(yàn)證界面膠層本構(gòu)的適用性，利用有限元軟件建立復(fù)合管模型，模擬不同界面黏結(jié)工況下復(fù)合管受沖擊過程，進(jìn)而研究分析界面作用對復(fù)合管層間剝離屈曲的影響。

1 薄壁內(nèi)襯復(fù)合管材模態(tài)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

為了研究界面黏結(jié)作用對復(fù)合管層間剝離屈曲的影響，首先需要進(jìn)行薄壁內(nèi)襯復(fù)合管材模態(tài)試驗(yàn)與有限元對比，驗(yàn)證所建立的有限元模型中界面膠層本構(gòu)的適用性，從而用于薄壁襯層復(fù)合管的動力響應(yīng)研究。

該試驗(yàn)使用API X52N管線鋼作為外基層，并選擇304不銹鋼作為薄壁襯層。層間使用DY-E-44型環(huán)氧樹脂膠作為黏結(jié)劑。復(fù)合管材結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)材料基本力學(xué)性能見表1。

試驗(yàn)條件為室溫，溫度為（20±2）℃，試件養(yǎng)護(hù)條件同試驗(yàn)條件。試件的長度為600 mm，寬度為60 mm，設(shè)計(jì)了3組不同厚度的試件，詳細(xì)情況見表2。試件制作完成后，將復(fù)合管材的兩端放置在彈性墊塊上，采用多點(diǎn)激勵單點(diǎn)拾振的方法進(jìn)行動載試驗(yàn)。

本研究使用DH5922N通用性動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在進(jìn)行試件錘擊模態(tài)試驗(yàn)時，從第一個測點(diǎn)開始，按順序?qū)γ總€測點(diǎn)進(jìn)行三次敲擊。每次敲擊后，需要對所采集的信號進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，觀測檢查其力譜矩形框是否正常。每次敲擊時，需要保存并記錄所得到的頻響函數(shù)曲線。

1.2 薄壁襯層復(fù)合管材數(shù)值分析模型及模型驗(yàn)證

根據(jù)薄壁內(nèi)襯復(fù)合管材界面膠層本構(gòu)，建立試驗(yàn)構(gòu)件全尺寸模型，建模時模型采用三維殼單元，試件固支邊界條件施加在兩端端部。為保證計(jì)算精度，對整個模型劃分網(wǎng)格時采用較密的網(wǎng)格劃分，如圖2所示。在ABAQUS中利用“線性攝動”-“頻率”分析步對試件進(jìn)行模態(tài)分析。將試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示。

由圖3可知，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，兩者之間的最大誤差為9 %，所建立的層間本構(gòu)數(shù)值分析模型具備可行性。

2 薄壁內(nèi)襯復(fù)合管有限元模型建立

本研究所建立的復(fù)合管材有限元模型，模型尺寸同試驗(yàn)試件尺寸。單元體均采用C3D8R八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元，均勻劃分網(wǎng)格，得到如圖4所示的落錘沖擊薄壁內(nèi)襯復(fù)合管有限元模型。取長度為4 m的管段為研究對象［12］，建立薄壁內(nèi)襯復(fù)合管受沖擊荷載作用下的有限元分析模型。取外基層管外直徑324 mm、管壁厚度8 mm、材質(zhì)為X52N的管線鋼，內(nèi)襯層材質(zhì)為不銹鋼。沖擊力采用落差高度0.5 m、質(zhì)量3 000 kg的落錘進(jìn)行模擬，試件的邊界條件施加在試件兩端端部的管鋼和不銹鋼上，通過約束試件兩端端面所有方向的位移來實(shí)現(xiàn)，并使落錘只發(fā)生豎直向下運(yùn)動，設(shè)置分析步時長為0.3 s，均采用C3D8R八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元，材料的層間界面采用了“Cohesive force behavior”進(jìn)行模擬［12］，所建立的模型如圖4（a）所示。為了保證網(wǎng)格生成的質(zhì)量，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分技術(shù)，劃分結(jié)果如圖4（b）所示。設(shè)置的模擬工況的名稱及參數(shù)見表3。

3 界面黏結(jié)作用影響分析

本研究提取不同界面黏結(jié)強(qiáng)度的試件沖擊力作用點(diǎn)周圍的外基層管內(nèi)表面和內(nèi)襯層外表面的等效應(yīng)力—時間曲線與徑向位移—時間曲線，如圖5和圖6所示。

由圖5（a）可知，隨著層間黏結(jié)強(qiáng)度的不同，外基層管的等效應(yīng)力—時間曲線基本重合，在沖擊力作用下，層間界面黏結(jié)強(qiáng)度對外基層管壁的影響較小。在沖擊力作用下，不同層間黏結(jié)強(qiáng)度的復(fù)合管，外基層管壁應(yīng)力在0.025 s到0.075 s內(nèi)迅速增大，隨后的0.025 s開始衰減并逐步趨于穩(wěn)定。沖擊作用結(jié)束后，其內(nèi)部殘余應(yīng)力出現(xiàn)輕微波動，應(yīng)力波動的幅度會隨著時間延后而減小，最終基本穩(wěn)定在300 MPa。

由圖5（b）可知，內(nèi)襯層的等效應(yīng)力—時間曲線的波段與外基層管基本一致，但是內(nèi)襯層的等效應(yīng)力—時間曲線的減小幅度小于外基層管，內(nèi)襯層在沖擊過程中承受的應(yīng)力更大，受到外基層管的保護(hù)相對較少，導(dǎo)致其殘余應(yīng)力水平比外基層管高。隨著界面黏結(jié)強(qiáng)度的增加，內(nèi)襯層受沖擊力作用產(chǎn)生的等效應(yīng)力逐漸減小，層間黏結(jié)強(qiáng)度對內(nèi)襯層管壁的受力有明顯的影響。當(dāng)界面黏結(jié)強(qiáng)度為原來3倍時，內(nèi)襯層的殘余應(yīng)力達(dá)到最小。

由圖6可知，隨著層間黏結(jié)強(qiáng)度的不同，外基層管管壁的徑向變形基本一致，內(nèi)襯層的徑向變形也基本保持一致。層間界面黏結(jié)使得內(nèi)襯層與外基層管之間形成緊密的結(jié)合，增大了兩者之間的接觸面積并增強(qiáng)了相互作用效應(yīng)。

層間黏結(jié)作用增強(qiáng)了內(nèi)襯層與外基層管間的協(xié)同工作能力，使其能夠共同承擔(dān)外界應(yīng)力和負(fù)載。通過提高界面黏結(jié)強(qiáng)度，內(nèi)襯層與外基層管之間的整體性和連續(xù)性得以增強(qiáng)，從而提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。各試件外基層管與內(nèi)襯層的徑向相對位移時程曲線如圖7所示。

由圖7可知，徑向?qū)娱g相對位移會隨著界面黏結(jié)強(qiáng)度的增加而減小，曲線的下降階段在1.0倍界面黏結(jié)強(qiáng)度與2.5倍界面黏結(jié)強(qiáng)度之間。之后，隨著層間黏結(jié)強(qiáng)度的增加，下降趨勢變緩，趨于水平。結(jié)果顯示，在界面黏結(jié)強(qiáng)度分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0倍時，其徑向?qū)娱g位移分別為0.897 mm、0.763 mm、0.406 mm、0.083 mm、0.077 mm，將數(shù)據(jù)兩兩作差，得出下降率分別為14.00%、47.15%、79.26%、6.25%。在薄壁內(nèi)襯復(fù)合管中，徑向?qū)娱g位移受界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響存在一個閾值，只有在該閾值范圍內(nèi)，界面黏結(jié)強(qiáng)度的變化才會顯著影響徑向?qū)娱g位移。超過閾值范圍，界面黏結(jié)強(qiáng)度的增加或減小對徑向?qū)娱g位移的影響變得不太明顯。

4 結(jié)論

本研究通過試驗(yàn)驗(yàn)證本構(gòu)模型在有限元模型中的適用性，并利用數(shù)值模擬，對不同層間界面黏結(jié)強(qiáng)度的薄壁內(nèi)襯復(fù)合管進(jìn)行沖擊試驗(yàn)?zāi)M分析，得出以下結(jié)論。

①在沖擊力作用下，層間界面黏結(jié)作用對內(nèi)襯層管壁受力有明顯影響。隨著黏結(jié)強(qiáng)度的增加，內(nèi)襯層受沖擊作用產(chǎn)生的等效應(yīng)力會逐漸減小。

②2.5倍界面黏結(jié)強(qiáng)度為徑向?qū)娱g位移的影響閾值，超出閾值則黏結(jié)強(qiáng)度對層間位移影響不大。在實(shí)際工程中可調(diào)整界面黏結(jié)強(qiáng)度以達(dá)到閾值點(diǎn)，來改善內(nèi)襯層和外基管的變形協(xié)調(diào)能力，防止層間剝離屈曲的發(fā)生。

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