基于有限元模拟的非金属智能连续管承压力学行为研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.08.010

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (8): 62-68.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.08.010

基于有限元模拟的非金属智能连续管承压力学行为研究

张学敏¹(), 张雪茹¹, 李厚补²(), 陈衍华¹, 孙琦尧¹

^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

收稿日期:2024-08-26 出版日期:2025-08-26 发布日期:2025-07-30
通讯作者: 李厚补（1981—），男，教授级高工，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，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(300102314812)

Mechanical behavior of non⁃metallic intelligent coiled tubing under internal pressure based on finite element simulation

ZHANG Xuemin¹(), ZHANG Xueru¹, LI Houbu²(), CHEN Yanhua¹, SUN Qiyao¹

^1.School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710064，China
^2.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi'an 710077，China

Received:2024-08-26 Online:2025-08-26 Published:2025-07-30
Contact: LI Houbu E-mail:xueminzhang@chd.edu.cn;lihoubu@cnpc.com.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用有限元模拟研究了DN50/PN1.6 MPa非金属智能连续管在内压载荷下的力学行为，并分析了增强层中纤维体积分数、光纤不锈钢铠装层厚度及增强层层数等制造工艺参数对管道各结构层及管内缆线应力的影响。结果表明：DN50/PN1.6 MPa非金属智能连续管在2.5 MPa内压下（约1.5倍公称压力）管内缆线均处于弹性变形状态，可确保其功能性，正常服役；该结构管道的极限内压约为10 MPa，其失效形式为功能性损伤；在内压载荷下管内各结构层均呈现出螺旋式应力分布，管中缆线则呈现出高、低应力交替式的应力分布；增加增强层纤维体积分数和其层数均可以显著降低不锈钢铠装层及管内缆线在内压载荷下的应力以提高管道内压极限，但是增加不锈钢铠装层厚度对提升管道内压极限的贡献较小。此外，增加纤维体积分数在提高增强层承力的同时会促使其余各结构层处于较低应力水平，而增加不锈钢铠装层厚度及增强层层数则会降低所有结构层应力，其中增强层层数对结构层应力的影响更显著，因此在管道生产制造时应着重考虑增强层纤维体积分数和其层数的设计；针对本管道结构并综合考虑其内压极限和生产经济效益，选用增强层纤维体积分数为70 %，增强层层数为4层或6层，不锈钢铠装层厚度为0.25 mm的制造工艺参数较适宜。

关键词: 内压, 非金属智能连续管, 有限元模拟, 功能性损伤

Abstract:

In this study， the mechanical behavior of DN50/PN1.6 MPa non⁃metallic intelligent coiled tubing under internal pressure were investigated using finite element simulation. The effects of key manufacturing parameters， including fiber volume fraction in the reinforcement layer， thickness of the armored fiber optic layer， and the number of reinforcement layers， were analyzed in terms of stress distribution across structural layers and internal cables. Results showed that under an internal pressure of 2.5 MPa （1.5 times the nominal pressure）， the cables remained in an elastic deformation state， ensuring functional integrity. The tubing’s ultimate internal pressure capacity reached approximately 10 MPa， at which point functional failure occurred. Stress analysis revealed a spiral distribution in structural layers and alternating high⁃low stress patterns in the cables. Increasing the fiber volume fraction and the number of reinforcement layers significantly reduced stress on the stainless steel armor layer and cables， enhancing pressure resistance. In contrast， increasing the armor layer thickness had a marginal effect. A higher fiber volume fraction improved the reinforcement layer’s load⁃bearing capacity while reducing stress in adjacent layers. Additionally， increasing both armor thickness and reinforcement layers lowered stress across all layers， with reinforcement layers exhibiting a more pronounced influence. For optimal performance and cost efficiency， the recommended manufacturing parameters include a fiber volume fraction of 70%， 4~6 reinforcement layers， and a stainless steel armor thickness of 0.25 mm.

Key words: internal pressure, non?metallic intelligent coiled tubing, finite element simulation, functional damage

中图分类号:

TQ320.6

张学敏, 张雪茹, 李厚补, 陈衍华, 孙琦尧. 基于有限元模拟的非金属智能连续管承压力学行为研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(8): 62-68.

ZHANG Xuemin, ZHANG Xueru, LI Houbu, CHEN Yanhua, SUN Qiyao. Mechanical behavior of non⁃metallic intelligent coiled tubing under internal pressure based on finite element simulation[J]. China Plastics, 2025, 39(8): 62-68.

图/表 17

图1 非金属智能连续管结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the non⁃metallic intelligent coiled tubing structure

参数

内径/

外径/

加热缆集成层厚度/

光纤集成层厚度/

单层纤维增强层厚度/

增强层层数

外保护层厚度/

纤维缠绕角度/

（°）

数值

2.1

3.3

表1 非金属智能连续管各结构层具体参数

Tab.1 Specific parameters of the structural layer of non⁃metallic intelligent coiled tubing

图2 非金属智能连续管几何模型

Fig.2 Geometric model of the non⁃metallic intelligent coiled tubing

材料	弹性模量/ MPa	泊松比	屈服强度/ MPa	拉伸强度/ MPa
PE⁃RT	650	0.40	16.2	—
PE	1 100	0.40	20.5	—
纯铜	108 000	0.32	220.0	263
316L不锈钢	103 627	0.30	600.0	830

表2 各向同性材料参数

Tab.2 Isotropic material parameters

参数

线密度/

dtex

断裂强力/

断裂强度/

cN•dtex^-1

断裂伸长率/

表3 聚酯纤维材料参数

Tab.3 Polyester fiber material parameters

图3 参考点RP⁃2与管道端部耦合

Fig.3 Coupling of reference point RP⁃2 with the end of the tubing

图4 非金属智能连续管内衬层的应力分布云图

Fig.4 Stress distribution of inner lining of the non⁃metallic intelligent coiled tubing

图5 非金属智能连续管其余各结构层应力分布云图

Fig.5 Stress distribution diagram of each structural layer of the non⁃metallic intelligent coiled tubing

图6 2.5 MPa内压下管内线缆及不锈钢铠装层的应力分布云图

Fig.6 Stress distribution diagram of the cable and stainless steel armor layer in 2.5 MPa internal pressure

内衬层

加热缆

集成层

光纤集成层

（增强层PLY⁃1）

聚酯纤维增强层

（PLY⁃2）

表4 10 MPa内压下非金属智能连续管各结构层最大应力 (MPa)

Tab.4 Maximum stress of each structural layer of the non⁃metallic intelligent coiled tubing under 10 MPa internal pressure

图7 10 MPa内压下管内线缆及不锈钢铠装层的应力分布云图

Fig.7 Diagram of stress distribution of the cables and stainless steel armor layer under 10 MPa internal pressure

图8 纤维体积分数对增强层及管内缆线最大应力的影响

Fig.8 Effect of fiber volume fraction on the maximum stress of reinforcing layer and cable in the tubing

图9 纤维体积分数对管道各结构层应力的影响

Fig.9 Effect of fiber volume fraction on stress of each structural layer of the tubing

图10 不锈钢铠装层厚度对增强层及管内缆线最大应力的影响

Fig.10 Effect of thickness of the stainless steel armor layer on the maximum stress of reinforcing layer and cable in the tubing

图11 不锈钢铠装层厚度对管道各结构层应力的影响

Fig.11 Effect of stainless steel armor layer thickness on stress of various structural layers of the tubing

图12 纤维增强层层数对增强层及管内缆线最大应力的影响

Fig.12 Effect of number of fiber reinforcement layers on the maximum stress of reinforcing layer and cable in the tubing

图13 纤维增强层层数对管道各结构层应力的影响

Fig.13 Effect of number of fiber⁃reinforced layers on stress of each structural layer of the tubing

参考文献 22

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Mechanical behavior of non⁃metallic intelligent coiled tubing under internal pressure based on finite element simulation

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