钢丝缠绕增强塑料复合管蠕变行为研究.pdf

试验研究
钢丝缠绕增强塑料复合管蠕变行为硏究
李翔',郑津洋′,施建峰,秦永泉,王飞',郝宇杰',邵泰清,邵汉增,李广忠,何晓莲
(1.渐江大学化工机械硏究所,浙江杭州310027;2.中国煌盛管业集团,浙江温州325011
摘要:钢丝缠绕增强塑料复合管(PSP)是我国自主研发的一种高新技术产品。由于基体高密度聚
乙烯(HDPE)的粘弹性特性,PSP呈现出时间相关的力学行为。提出一个PSP线粘弹性结构力学
模型,研究其各层应力、应变随时间变化规律;对PSP样管进行蠕变试验研究表明:在恒定内压下,
周向应变随时间变化緩慢,轴向应变随时间逐步增加,6000min内应变增加较快,然后逐渐变缀,
14000min后轴向应变约増加了0.16%,理论结果与试验值吻合较好,证实了所建立的三层粘弹性
模型可用来预测同类管材的蠕变特性。
关键词:复合管;嬬变;应力分析
中图分类号:TQ050.4;T0053.6文献标识码:A文章编号:1001-4837(2010)02-0008-07
doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2010.02.002
Long-term Stress Analysis of Plastic Pipe Reinforced
by Cross-winding Steel Wire
LI Xiang ZHENG Jin -yang SHI Jian-feng, QIN Yong-quan, WANG Fei
HAO Yu-jie SHAO Tai -ging, SHAO Han-zeng', LI Guang-zhong HE Xiao-lian
(1. Institute of Chemical Machinery and Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou 310027
China; 2. Huangsheng Pipe Industrial Group Co.,Ltd, Wenzhou 325011, Chi
Abstract: The steel wires carry most of the loading in a liner elastic way in a plastic pipe reinforced by
cross helically wound steel wires (PSP), while the time dependent behavior was shown in the PSP
which should be further analyzed and described. A three layer viscoelastic model is proposed to identify
ime- dependent elastic stres
nd strains for the PSP subiected to
sure. The
results show that the hoop strain decreases slowly, while the axial strain increases by 0. 16% in 14000
minutes at constant internal pressure. Good agreement between theoretical results and experimental data
demonstrated that the three layer viscoelastic model was able to predict the time-dependent relationship
of stresses and strains
Key words: composite pipe; creep behaviour; stress analysis
基金项目:“863”国家高技术研究发展计划重点项目(2009AA044801);中国博士后科学基金项目(20090461356);国家科技支撑计划项目
(2006BAKO2B01);国家公益项目(200810538
第27卷第2期
压力容器
总第207期
性,以PSP规格和恒压载荷为函数,描述和量化PSP
前言
管的蠕变行为,将所得理论结果与试验值进行对比
分析。
钢丝缠绕增强塑料复合管(SP)是近年来在我
国发展起来的一种新型金属塑料复合管,其结构见
图1。它是以热塑性塑料HDPE为基体,以倾角错
周向应变
4500
绕成型的高强度钢丝为増强体,钢丝与塑料间采用
高性能树脂粘结2。钢骨架镶嵌在管壁中间,吸
收大部分施加在PSP上的压力载荷,内外层塑料则
通过钢丝问隙中的塑料连结在一起,使得两种材料
2500
物向应变
互相交织,浑然一体。PSP集钢、塑两种管材的优点
于一体,貝有承载能力强、耐腐蚀性好、耐磨性能优
良等性能,在油气田、电力工程、化学工业、给水排水
14000
等领域得到了广泛的应用。
时间(min)
内衬管粘结剂钢骨架塑料外管
图2PSP的周向和轴向应变
数学建模
2.1内外层应力分析
根据文献[6],PSP可简化成由变形连续的内
HDPE层、钢丝一粘结树脂层和外HDPE层组成的3
层结构(见图3)。
图1PSP的结构
PSP中的钢丝承担了大部分压力载荷,表现为
外HDPE层
复合层
线弹性特性。由于基体HDPE和粘结树脂是典型的
内HDPE层
粘弹性材料,使得PSP呈现出复杂的时间相关行
为。如图2所示,样管内径随时间略微增加,而轴向
应变随时间增加较快。若PSP随时问持续发生较
大的变形,则在蠕变发展过程中,结构内部缺陷演化
造成局部破坏乃至结构失效,因而分析PSP的长期
蠕变性能具有重要的意义。
些学者已经对复合管的时间相关特性进行了
研究。 Kruijer等曾对钢丝增强热塑管(s-RTP)进
图3PSP简化模型
行研究,建立了s-RTP的结构模型,引入随时间
假设PSP沿中心轴对称,在柱坐标下,将应力
変化的剪切模量(G(),分析了s-RTP在特定载张量写成球张量和偏斜张量的形式:
荷作用下随时间的变形情况。 Wassim Naguib等对
r=2GLr-っ(e&)]+K(6k
填充混凝土钢管(CFT)的蠕变模型进行了分析?],
考虑有、无边界束缚两种情况,用流速法和双幂率函
o=2Gem-っ(ew)]+K(es
数模拟混凝土的蠕变规律,提出了CFT与时间相关
的几何模型。至于PSP在恒定压力下蠕变特性的
oa=2GLen-っ(ew)]+K(e
研究,尚未见国内外相关文献报道。文中提出PSP
轴向位移函数(z)为
的二层粘弹性应力分析模型,考虑HDPE的蠕变特
(2