聚酯纤维增强热塑性塑料复合管扣压接头密封性能研究与结构优化

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.10.014

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (10): 90-97.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.10.014

聚酯纤维增强热塑性塑料复合管扣压接头密封性能研究与结构优化

张学敏¹(), 黄浩瀚¹, 李厚补², 齐国权², 赵元超¹, 丁晗², 高雄³, 杨文辉³

^1.长安大学材料科学与工程学院，西安 710064
^2.中国石油集团工程材料研究院有限公司石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安 710077
^3.陕西延长石油西北橡胶有限责任公司，陕西咸阳 712023

收稿日期:2022-06-27 出版日期:2022-10-26 发布日期:2022-10-27
作者简介:张学敏（1982—），女，副教授，从事材料失效分析及模拟仿真技术研究，xueminzhang@chd.edu.cn
基金资助:
长安大学中央高校基本科研业务费专项基金(300102310201)

Study on load⁃bearing performance and structural optimization of buckling joint of polyester⁃fiber⁃reinforced plastic composite pipe

ZHANG Xuemin¹(), HUANG Haohan¹, LI Houbu², QI Guoquan², ZHAO Yuanchao¹, DING Han², GAO Xiong³, YANG Wenhui³

^1.School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710064，China
^2.State Key Laboratory for Perpormance and Structural Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials，CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi'an 710077，China
^3.Shaanxi Yanchang Petroleum Northwest Rubber LLC，Xianyang 712023，China

Received:2022-06-27 Online:2022-10-26 Published:2022-10-27

摘要/Abstract

摘要：

基于有限元法建立了聚酯纤维增强塑料复合管道与其金属扣压接头的三维装配模型，分析了扣压量及接头结构参数对接头密封性能的影响。结果表明，随着扣压量的增加，接头密封性能逐渐提高，但在大扣压量下管体会发生塑性变形，管道密封性能下降；随着锯齿角度增加，接头密封性能先增大后减小，当角度大于55 °时，管体会发生塑性变形；锯齿高度越大，接头密封性能越好，但增加到3 mm时，芯管端部应力值会达到断裂强度；接头锯齿数不宜过多，在齿数达到14时，管体在接头端部会受到严重挤压。综合考虑密封性能与接头强度，确定扣压接头的最佳扣压量为5.5 mm，最佳结构参数为锯齿角度为50 °、齿高为2.5 mm、锯齿数为11。

关键词: 复合管, 金属接头, 密封性能, 接触压力, 结构优化, 有限元

Abstract:

Based on the finite element method， a three⁃dimensional finite element model was established for the assembly of polyester fiber reinforced plastic composite pipe and its metal clamping joint， and the influence of clamping amount and joint structural parameters on the joint sealing performance was analyzed. The results indicated that the sealing performance of the joint was improved with an increase in the clamping amount. However， the plastic deformation occurred in the tube under a large clamping amount， leading to a decrease in sealing performance. As the serrated angle increased， the sealing performance of the joint increased at first and then tended to decrease. The tube suffered plastic deformation at an angle greater than 55 °. The higher the sawtooth height， the better was the sealing performance of the joint. When the sawtooth height increased up to 3 mm， the stress value at the end of the core tube reached the strength at break. It is not recommended to set too many serrated teeth in the joint. When the number of teeth reaches 14， the tube body was severely squeezed at the end of the joint. Considering of the sealing performance and joint strength， the optimum clamping quantity was determined to be 5.5 mm， and the optimum structural parameters were determined to be a serrated angle of 50 °， a tooth height of 2.5 mm， and a serrated number of 11.

Key words: composite pipe, metal joint, sealing performance, contact pressure, structural optimization, finite element

中图分类号:

TQ323.4

张学敏, 黄浩瀚, 李厚补, 齐国权, 赵元超, 丁晗, 高雄, 杨文辉. 聚酯纤维增强热塑性塑料复合管扣压接头密封性能研究与结构优化[J]. 中国塑料, 2022, 36(10): 90-97.

ZHANG Xuemin, HUANG Haohan, LI Houbu, QI Guoquan, ZHAO Yuanchao, DING Han, GAO Xiong, YANG Wenhui. Study on load⁃bearing performance and structural optimization of buckling joint of polyester⁃fiber⁃reinforced plastic composite pipe[J]. China Plastics, 2022, 36(10): 90-97.

图/表 18

图1 接头密封结构锯齿参数

Fig.1 Saw tooth parameters of joint sealing structure

管道内压/MPa	扣压量/mm	齿角/（°）	齿高/mm	齿距/mm
3.75	5	45	1.5	16.5

表1 RTP管道接头密封结构参数

Tab.1 RTP pipe joint sealing structure parameters

部件	材料	弹性模量/MPa	屈服强度/MPa
复合管内外层	高密度聚乙烯	850	25.9
金属接头	45钢	210 000	408

表2 接头与管道内外层材料属性

Tab.2 Material properties of inner and outer layers of joints and pipes

部件	材料	断裂强度/MPa	纤维层数
增强层	聚酯纤维	522.9	2

表3 聚酯合股纤维参数

Tab.3 Parameters of polyester ply fibers

图2 柔性管道接头密封结构有限元模型剖面图

Fig.2 Finite element model of flexible pipe joint sealing structure

图3 柔性管道及接头约束和加载

Fig.3 Flexible pipe and joint restraint and loading

图4 RTP管各纤维增强层在内压13.485 MPa下的应力云图

Fig.4 Stress nephogram of each fiber reinforced layer of RTP pipe under internal pressure of 13.485 MPa

实验爆破压力/MPa	有限元压力/MPa	相对误差/%
12.7	13.485	3.68
14.4
14.9

表4 模拟结果与实验对比

Tab.4 Comparison between simulation results and experiment at ones

图5 RTP管及扣压接头爆破失效实物图

Fig.5 Blasting failure of RTP pipe and withholding joint

图6 内压13.485 MPa下管体内衬层接触压力

Fig.6 Contact pressure of liner of tube body under internal pressure 13.485 MPa

图7 不同扣压量下接头密封性能变化

Fig.7 Changes of joint sealing performance under different clamping pressure

图8 扣压量对聚乙烯最大应力的影响

Fig.8 Effect of crimping amount on the maximum stress of polyethylene

图9 锯齿角度对密封性能的影响

Fig.9 Effect of serration angle on sealing performance

图10 管体接触压力分布

Fig.10 Contact pressure distribution of pipe body

图11 锯齿高度对密封性能的影响

Fig.11 Effect of saw tooth height on sealing performance

图12 不同齿高接头的应力云图

Fig.12 Stress nephogram of joints with different tooth height

图13 锯齿数对密封性能的影响

Fig.13 Effect of saw tooth number on sealing performance

图14 管体径向变形量

Fig.14 Radial deformation of pipe body

参考文献 24

1	辜晟恩，孙晓. 非金属管道在国内管道集输系统的发展与应用［J］. 石化技术， 2017， 24（12）： 161.
	GU S E， SUN X. Development and application of non⁃metallic pipeline in domestic pipeline gathering and transportation system ［J］. Petrochemical technology， 2017， 24（12）： 161.
2	Gibson A G， Linden J M， Elder D， et al. Non⁃metallic pipe systems for use in oil and gas［J］. Plastics， rubber and composites， 2011， 40（10）： 465⁃480.
3	李厚补，羊东明，戚东涛，等. 增强热塑性塑料连续管标准现状及发展建议［J］. 塑料， 2016， 45（4）： 85⁃87， 112.
	LI H B， YANG D M， QI D T， et al. Current status and development suggestion of reinforced thermoplastic continuous tube standard ［J］. Plastic， 2016， 45（4）： 85⁃87， 112.
4	王大鹏，刘美苓，姜焕英，等. 油气产业用增强热塑性复合管研究进展［J］. 中国塑料， 2017， 31（7）： 16⁃22.
	WANG D P， LIU M L， JIANG H Y， et al. Research progress of reinforced thermoplastic composite pipe for oil and gas industry ［J］. China Plastic， 2017， 31（7）： 16⁃22.
5	Qi D， Li H， Cai X， et al. Application of non⁃metallic composite pipes in oilfields in China［M］//ICPTT 2012： Better Pipeline Infrastructure for a Better Life. 2013： 283⁃291.
6	于柏峰. 油气输送用柔性增强热塑性管道研究和应用［J］. 纤维复合材料， 2018， 35（4）： 29⁃33， 12.
	YU B F. Research and application of flexible reinforced thermoplastic pipeline for oil and gas transportation ［J］. Fiber composite material， 2018， 35（4）： 29⁃33， 12.
7	刘文舒，张战欢，刘杰，等. 增强热塑性塑料复合管的接头设计与分析［J］. 压力容器， 2021， 38（3）： 31⁃39.
	LIU W S， ZHANG Z H， LIU J， et al. Joint design and analysis of reinforced thermoplastic composite pipe ［J］. The Pressure Vessel， 2021， 38（3）： 31⁃39.
8	王腾，曲金枝，包兴先，等. 深水复合材料柔性管接头设计及密封分析［J］. 石油机械， 2021， 49（5）： 74⁃80.
	WANG T， QU J Z， BAO X X， et al. Design and sealing analysis of deep water composite flexible pipe joint ［J］. Petroleum Machinery， 2021， 49（5）： 74⁃80.
9	Abid M， Nash D H， Javed S， et al. Performance of a gasketed joint under bolt up and combined pressure， axial and thermal loading–FEA study［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2018， 168： 166⁃173.
10	Abid M， Awan A W， Nash D H. Determination of load capacity of a non⁃gasketed flange joint under combined internal pressure， axial and bending loading for safe strength and sealing［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2014， 36（3）： 477⁃490.
11	李翔云. 海洋非粘结柔性管道接头结构设计与分析研究［D］. 大连：大连理工大学， 2014.
12	安少军. 深水海底管道套筒连接器密封接触特性研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2012.
13	杨超. 高压胶管总成力学模型及其扣压过程控制系统研究［D］. 长沙：中南大学， 2003.
14	聂根辉. 管道轴向压入式接头力学分析及结构优化［D］. 南昌：南昌航空大学， 2012.
15	冯秀，顾伯勤，孙见君，等. 金属垫片密封机制研究［J］. 润滑与密封， 2007（10）： 97⁃99.
	FENG X， GU B Q， SUN J J， et al. Research on sealing mechanism of metal gasket ［J］. Lubrication and Sealing， 2007（10）： 97⁃99.
16	孟祥剑，王树青，姚潞. 玻纤增强柔性管等效简化模型研究［J］. 海洋工程， 2017， 35（6）： 71⁃83.
	MENG X J， WANG S Q， YAO L. Study on equivalent simplified model of glass fiber reinforced flexible tube ［J］. Ocean Engineering， 2017， 35（6）： 71⁃83.
17	石智华. 增强热塑料管电熔接头有限元分析和优化设计［D］. 南京：东南大学， 2005.
18	张学敏，周腾，李厚补，等. 涤纶纤维增强聚乙烯复合管承压性能模拟［J］. 工程塑料应用， 2020， 48（8）： 118⁃122， 129.
	ZHANG X M， ZHOU T， LI H B， et al. Pressure performance simulation of polyester fiber reinforced polyethylene composite pipe ［J］. Application of Engineering Plastics， 2020， 48（8）： 118⁃122， 129.
19	钟俊彬. 管道双O型橡胶密封圈的防水压力分析［J］. 中国市政工程， 2016（5）： 30⁃32， 98⁃99.
	ZHONG J B. Waterproof pressure analysis of double O⁃type rubber sealing ring in pipeline ［J］. China Municipal Engineering， 2016（5）： 30⁃32， 98⁃99.
20	Khan N B， Abid M， Jameel M， et al. Joint strength of gasketed bolted pipe flange joint under combined internal pressure plus axial load with different （industrial and ASME） bolt⁃up strategy ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part E： Journal of Process Mechanical Engineering， 2017， 231（3）： 555⁃564.
21	刘佳林，郭方皓，张义春. 钢丝编织胶管总成的扣压量探究［J］. 液压气动与密封， 2018， 38（6）： 22⁃24.
	LIU J L， GUO F H， ZHANG Y C. Research on the withholding amount of steel wire braided hose assembly ［J］. Hydraulics pneumatics and seals， 2018， 38（6）： 22⁃24.
22	张亮，杨志勋，卢青针，等. 海洋柔性管道接头楔形环锯齿密封性能数值模拟［J］. 油气储运， 2018， 37（1）： 108⁃115.
	ZHANG L， YANG Z X， LU Q Z， et al. Numerical simulation of serrated seal performance of wedge ring for Marine flexible pipe joint ［J］. Oil and gas storage and transportation， 2018， 37（1）： 108⁃115.
23	刘明涛. 高压胶管总成联接的扣压力理论研究［D］. 长沙：中南大学，2011.
24	赵树发，牛继辉，庚勇凯. 浅析高压胶管总成设计［J］. 中国橡胶， 2011， 27（20）： 34⁃39.
	ZHAO S F， NIU J H， GENG Y K. Brief analysis of high pressure hose assembly design ［J］. China Rubber， 2011， 27（20）： 34⁃39.

[1]	张响, 闫振昊, 孔小亚, 朱建晓, 关国涛, 赵娜, 李倩. 盘式螺杆微注塑机动盘结构优化研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 147-156.
[2]	李兆璞, 武立文, 乔亮, 范峻铭, 张毅. 聚乙烯管道热熔焊接技术研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(10): 104-116.
[3]	张云鹏, 刘祥威, 王志明, 张兆, 王庆昭. 用于煤矿井下充填的玻璃纤维增强聚氯乙烯热塑性复合管材的设计与制造[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 61-66.
[4]	关天民, 李钰, 翟贇, 雷蕾. 熔融沉积工艺成型材料的力学性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 68-73.
[5]	孔小亚, 张响, 朱建晓, 侯川玉, 关国涛, 闫振昊, 李倩. 盘式螺杆微注塑机塑化性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 113-118.
[6]	姜锐涛, 吴志峰, 王志伟. 钢塑转换连接结构的研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 86-91.
[7]	张春蕊, 鞠锦勇. 不同填充率下FDM 3D打印预制件建模及力学性能分析[J]. 中国塑料, 2020, 34(6): 66-72.
[8]	宋果, 马玉录, 谢林生, 朱惠豪. 基于VOF模型的层叠器流动过程分析及流道结构优化[J]. 中国塑料, 2020, 34(5): 63-67.
[9]	边慧光江瑞张伟蔡宁晁宇琦井浩. 二级拉伸熔体静电纺丝数值模拟[J]. 中国塑料, 2019, 33(2): 57-61.
[10]	郑迎雷孙晋李玉娥者东梅. 纤维缠绕增强复合管材长期性能评价[J]. 中国塑料, 2019, 33(11): 48-52.
[11]	王大鹏, 刘美苓, 姜焕英, 孙岩, 王庆昭. 油气产业用增强热塑性复合管研究进展[J]. 中国塑料, 2017, 31(07): 16-22 .
[12]	苏学满, 孙丽丽. 基于最小质量的医用输液瓶吹塑结构影响因素研究[J]. 中国塑料, 2017, 31(07): 99-106 .
[13]	孔令辉, 王立凯. 钢丝网骨架聚乙烯复合管中高压连接技术的研究与应用[J]. 中国塑料, 2017, 31(04): 70-74 .
[14]	梅烨, 李劲松, 李美. PC/ABS合金安全气囊软塑盖板的结构优化研究[J]. 中国塑料, 2016, 30(10): 68-72 .
[15]	王鑫, 范久红. 不同模具结构模仁尺寸对模仁变形的影响[J]. 中国塑料, 2016, 30(09): 97-100 .

聚酯纤维增强热塑性塑料复合管扣压接头密封性能研究与结构优化

Study on load⁃bearing performance and structural optimization of buckling joint of polyester⁃fiber⁃reinforced plastic composite pipe

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 18

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价