高阻隔非金属柔性复合管承压性能模拟

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.12.011

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (12): 70-77.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.12.011

高阻隔非金属柔性复合管承压性能模拟

张学敏¹(), 王庆岗¹, 张雪茹¹, 李厚补²(), 齐国权², 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，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:2023-06-20 出版日期:2023-12-26 发布日期:2023-12-26
通讯作者: 李厚补（1981—），男，教授级高工/博士，主要从事油气田用非金属与复合材料管材研究， lihoubu@cnpc.com.cn
E-mail:xueminzhang@chd.edu.cn;lihoubu@cnpc.com.cn
作者简介:张学敏（1982—），女，副教授/博士，主要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:
国家自然科学基金面上项目(52274069);陕西省重点研发计划一般项目(2023?YBGY?177);长安大学中央高校基本科研业务费专项基金项目(300102310201)

Simulation of pressure baring performance of high barrier non⁃metallic flexible composite pipes

ZHANG Xuemin¹(), WANG Qinggang¹, ZHANG Xueru¹, LI Houbu²(), QI Guoquan², DING Han², GAO Xiong³, YANG Wenhui³

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

Received:2023-06-20 Online:2023-12-26 Published:2023-12-26
Contact: LI Houbu E-mail:xueminzhang@chd.edu.cn;lihoubu@cnpc.com.cn

摘要/Abstract

摘要：

在复合管结构的基础上添加了阻隔层，并基于有限元模拟建立了高阻隔非金属柔性复合管三维模型，分析了复合管阻隔层几何及工艺参数对承压性能的影响，确定了阻隔层最佳参数。结果表明，高阻隔非金属柔性复合管承压时，芳纶增强层应力最大，其次为铝箔阻隔层，内衬层和外保护层应力最低；铝箔阻隔层厚度对复合管承压性能影响最大，其次为摩擦因数的影响，铝箔层宽度和缠绕角度的影响最低；综合考虑管道应力和设计成本，确定铝箔阻隔层最佳厚度为0.15 mm，最佳宽度为200 mm，最佳缠绕角度为70 （°）。

关键词: 非金属柔性复合管, 有限元模拟, 铝箔阻隔层, 承压性能

Abstract:

A barrier layer was added according to the structure of the composite pipe， and a three⁃dimensional model was established for high barrier non⁃metallic flexible composite pipes based on the finite element simulation. The influence of geometry and process parameters of the barrier layer on the pressure⁃bearing performance of the composite pipes was analyzed， and the optimal parameters of the barrier layer were determined. The results indicated that the stress of the aramid reinforced layer reached a maximum， followed by the aluminum foil barrier layer when the high barrier non⁃metallic flexible composite pipes were under pressure. The stresses of the inner lining layer and outer protective layer were the lowest. The thickness of the aluminum foil barrier layer generated the greatest influence on the pressure bearing performance of the composite pipes， followed by the influence of friction coefficient. The influence of width and winding angle of the aluminum foil layer was the lowest. Considering the pipeline stress and design cost， the optimum thickness， width， and winding angle of the aluminum foil barrier layer were determined to be 0.15 mm， 200 mm， and 70°， respectively.

Key words: non?metallic flexible composite pipe, finite element simulation, aluminum foil barrier layer, bearing capacity

中图分类号:

TQ320.72⁺4

张学敏, 王庆岗, 张雪茹, 李厚补, 齐国权, 丁晗, 高雄, 杨文辉. 高阻隔非金属柔性复合管承压性能模拟[J]. 中国塑料, 2023, 37(12): 70-77.

ZHANG Xuemin, WANG Qinggang, ZHANG Xueru, LI Houbu, QI Guoquan, DING Han, GAO Xiong, YANG Wenhui. Simulation of pressure baring performance of high barrier non⁃metallic flexible composite pipes[J]. China Plastics, 2023, 37(12): 70-77.

图/表 15

图1 高阻隔非金属柔性复合管的结构简图

Fig.1 Structure diagram of non⁃metallic composite coiled tube for hydrogen transport

项目	内径/mm	外径/mm	内层厚度/mm	外层厚度/mm
数值	150	186	10	5

表1 高阻隔非金属柔性复合管几何参数

Tab.1 Geometric parameters of non⁃metallic composite coiled tubes for hydrogen transport

项目	材料	弹性模量/MPa	拉伸强度/MPa
复合管内外层	PE⁃HD	850	25.9
铝箔	H18	30 000	165

表2 铝箔及管道内外层材料参数

Tab.2 Aluminum foil and pipe inner and outer layer material parameters

芳纶	纤维层数	拉伸强度/MPa	拉伸模量/MPa	延展率/%	密度/t·mm^-3	泊松比
Kevlar29	6	2 900	6×10⁴	3.6	1.44×10^-9	0.19

表3 芳纶纤维力学参数

Tab.3 Mechanical parameters of aramid fibers

图2 高阻隔非金属柔性复合管有限元模型

Fig.2 Finite element model of non⁃metallic composite coiled tube for hydrogen transportation

图3 芳纶纤维铺层模型

Fig.3 Aramid fiber layup model

图4 阻隔层网格模型

Fig.4 Barrier layer mesh model

图5 内压4.5 MPa下各结构层的应力分布

Fig.5 The stress distribution of each structural layer under internal pressure of 4.5 MPa

图6 不同结构层应力随内压载荷的变化曲线

Fig.6 The stress curves of different structural layers with internal pressure load

图7 不同复合管结构层应力随铝箔厚度的变化曲线

Fig.7 Stress of different composite pipe structures against thickness of aluminumfoil

图8 阻隔层极限承压值随铝箔厚度变化曲线

Fig.8 The limiting pressure value of barrier layer against the thickness of aluminum foil

图9 不同复合管结构层应力随摩擦因数的变化曲线

Fig.9 Stress of different composite pipe structures against friction coefficient

图10 不同复合管结构层应力随铝箔宽度的变化曲线

Fig.10 Stress of different composite pipe structures against width of aluminum foil

图11 不同复合管结构层应力随铝箔缠绕角度的变化曲线

Fig.11 Stress variation of different composite pipe structures with aluminum foil winding angle

全国塑料制品标准化技术委员会再生塑料与应用标准化工作组（TC48/WG4）成立

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Simulation of pressure baring performance of high barrier non⁃metallic flexible composite pipes

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