本发明涉及一种复合材料增强金属管道的设计压力计算方法。
背景技术：
在高压流体输送领域，如天然气的管道输送，最常使用的是钢管等金属管道，但是随着对输送管道压力需求的逐渐提高，管道需要提高其承压能力，目前使用的方法包括增加金属管道壁厚或提高管道材料的强度。增加金属管道的壁厚不仅增加管道成本，而且也增加了管道运输和施工的难度。提高管道材料强度可以在一定程度上减薄管道壁厚，但是高强度材料研发需要一定的周期，并以最常使用的钢材为例，更高强度的钢材止裂性差、易腐蚀，并且施工过程中管道的焊接和弯曲都存在一定难度。
目前可使用在金属管道外缠绕复合材料的方法，因为在内压力作用下，钢管的环向应力(σs)和轴向应力(σa)的关系为σs＝2σa，如果钢管道的壁厚满足了轴向应力的要求，那么其环向应力只能满足一半，即钢管的内压承载能力是由其环向应力限制的。因此，通过在金属管道外包覆连续纤维复合材料增强层，提高管道的环向承压能力，从而达到提高管道输送压力及输送能力的目的。
针对此类管道，具有代表性的一类管道为复合材料增强管线钢管，是通过在石油天然气用管线钢管外通过连续纤维缠绕的方法包覆玻璃纤维增强环氧树脂增强层，达到提高管材承压能力的作用，可用作高压天然气长输管线。为了保证管道的安全使用，需要对管道的设计压力进行计算，加拿大标准CSA Z662在第十七章中有公式对此种管道的设计压力进行计算，公式如下：
式中，P为设计压力，MPa；D为钢管外径，mm；S为钢管最小屈服强度，MPa；t为钢管设计壁厚，mm；T为温度参数；Th为95％置信下限纤维增强复合材料环向拉伸强度，MPa；W为纤维增强复合材料层的设计壁厚，mm；F为设计参数，为0.5；L为位置参数等参数的乘积。
使用此公式计算复合材料增强管线钢管的设计压力，当增强层较薄时，复合管道的设计压力甚至低于内层钢管的设计压力。而当增强层的厚度比例较大时，通过此公式计算得到的设计压力与试验实测结果相比偏大，这会直接导致管道在运行时的安全问题。通过有限元模型计算分析，并结合复合材料的基本属性，0.5设计系数的选取存在一定的不合理性。由于当复合材料的长期应力只有在其拉伸强度的40％以内时，材料才不会发生蠕变破坏，因此在进行管道设计时，工作压力下复合材料的应力不应超过其拉伸强度的40％。而CSA Z662的公式把整个管材的设计系数取为0.5，即在设计压力计算时，内层钢管强度取值为其最小屈服强度的50％，复合材料强度取值为其拉伸强度的50％。此算法对于钢管来说是比较保守的，因为钢管的设计系数通常取值为0.72(一级二类地区)，但是对于复合材料来说具有一定的风险，尤其是当增强层较厚时，复合材料部分在设计压力计算中的比例会更大，计算结果往往会偏大，存在一定的不合理性。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，提供一种复合材料增强金属管道的设计压力计算方法。在复合材料增强金属管道承压时，承压能力是复合材料和金属管道承载能力的加和，因此在对管道进行设计压力计算时，选取双设计系数的方法，与之前对整个管道取0.5为设计系数不同，对金属层和复合材料层分别确定一个设计系数，对管材的设计压力进行计算。其中金属层的设计系数与未增强的金属管道取值法相同，复合材料增强层的设计系数通过有限元模型分析计算及试验研究，取值为0.2～0.35之间。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种复合材料增强金属管道的设计压力计算方法，按照如下公式计算：
其中：P为设计压力，单位为MPa；D为金属管外径，单位为mm；S为金属材料最小屈服强度，单位为MPa；t为金属管设计壁厚，单位为mm；T为温度参数；Th为95％置信下限纤维增强复合材料环向拉伸强度，单位为由在最高设计温度下的强度测试确定，单位为MPa；W为纤维增强复合材料层的设计壁厚，单位为mm；Fm为金属设计系数；Fc为复合材料设计系数；L为位置参数。
本发明进一步的改进在于：
所述复合结构管道通过连续纤维复合材料增强金属管道而成。
还包括后续步骤，对通过理论计算得到的设计压力进行水压爆破试验研究，验证满足相应的设计要求。
所述温度系数T的取值按照内层金属管的相应标准取值，取值范围为0.87～1。
所述位置系数L的取值按照内层金属管的相应标准取值，取值范围为0.5～1。
所述金属设计系数Fm根据管线铺设的具体位置及输送流体取值，取值范围为0.4～0.8。
所述复合材料设计系数Fc取值范围为0.2～0.35。
所述复合材料设计系数Fc的取值为0.3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为复合材料增强金属管道的设计压力提供了计算方法，并与加拿大标准CSA Z662中的计算方法相比，在所有结构层比例范围内与实际管道的承压能力更为符合。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明复合材料增强金属管道的设计压力计算方法，其特征在于，按照如下公式计算：
其中：P为设计压力，单位为MPa；D为金属管外径，单位为mm；S为金属材料最小屈服强度，单位为MPa；t为金属管设计壁厚，单位为mm；T为温度参数；Th为95％置信下限纤维增强复合材料环向拉伸强度，单位为由在最高设计温度下的强度测试确定，单位为MPa；W为纤维增强复合材料层的设计壁厚，单位为mm；Fm为金属设计系数；Fc为复合材料设计系数；L为位置参数。
温度系数T的取值按照内层金属管的相应标准取值，取值范围为0.87～1。位置系数L的取值按照内层金属管的相应标准取值，取值范围为0.5～1。金属设计系数Fm根据管线铺设的具体位置及输送流体取值，取值范围为0.4～0.8。复合材料设计系数Fc取值范围为0.2～0.35，优选0.3。
复合结构管道通过连续纤维复合材料增强金属管道而成。复合材料增强金属管道设计压力计算方法适用于经过预应力处理及未经预应力处理的复合材料增强金属管道。内层金属管及增强用复合材料的的力学性能测试必须满足相关标准的要求。
还包括后续步骤，对通过理论计算得到的设计压力进行水压爆破试验研究，验证满足相应的设计要求。
实施例1～3给出了不同增强层壁厚使用标准CSA Z662及本发明计算出的复合材料增强管线钢管的设计压力。
实施例2～3给出了复合材料增强管线钢管水压试验的实测值。针对此类管材，爆破安全系数取2.0，要求通过试验测得的爆破压力除以爆破安全系数2后得到的最大操作压力应不低于设计压力。
在实施例1～3中，内层金属管道外径为508mm，壁厚为9.5mm；内层金属管道为X65钢级管线钢管，最小屈服压力为450MPa；使用玻璃纤维增强环氧树脂E51为复合材料，95％置信下限纤维增强复合材料环向拉伸强度为1000MPa。
在实施例1～3中，内层管线钢管的设计系数按照GB/T 50251-2015对输气管道工艺设计的规范要求，取一级二类地区的管线钢管的设计系数，为0.72；复合材料的设计系数取0.3；温度系数T及位置系数L取1。
实施例1
复合材料增强层壁厚1mm。
按照CSA Z662中计算的复合材料增强管线钢管的设计压力为10.4MPa，按照本发明计算的设计压力为13.3MPa，内层钢管的设计压力(设计系数取0.72)为12.1MPa。通过以上数据可以看出，使用CSA Z662的计算方法得到的复合材料增强管线钢管的设计压力值低于未增强的钢管，与实际情况不符。
实施例2
复合材料增强层壁厚3.58mm。
按照CSA Z662中计算的复合材料增强管线钢管的设计压力为15.5MPa，按照本发明计算的设计压力为16.3MPa，此规格复合材料增强管线钢管的水压爆破试验实测值为34.5MPa，按照爆破安全系数取2计算，最大操作压力为17.3。对比以上数据，此时通过CSA Z662及本发明的设计压力计算方法都满足试验要求，即设计压力低于试验实测值计算得到的最大操作压力。
实施例3
复合材料增强层壁厚7.3mm。
按照CSA Z662中计算的复合材料增强管线钢管的设计压力为22.8MPa，按照本发明计算的设计压力为20.7MPa，此规格复合材料增强管线钢管的水压爆破试验实测值为44.8MPa，按照爆破安全系数取2计算，最大操作压力为22.4。对比以上数据，通过CSA Z662计算得到的设计压力值高于试验实测值计算得到的最大操作压力，而使用本发明计算得到的数据满足相应的要求。
本发明的求证过程：
1)复合材料增强金属管道的承压能力是复合材料增强层及金属层在同一应变下，两个结构层应力响应的叠加。
2)内层金属管道的承载能力不因复合材料增强而产生变化。
3)为了防止复合材料增强层在使用过程中因蠕变而失效，其长期使用应力应低于其拉伸强度的40％。
4)表1为内层金属管道为X65钢级管线钢管，外径508mm，壁厚9.5mm管线钢管时，设计压力为17MPa，使用本发明计算得到的增强层厚度，并使用有限元分析软件计算设计压力下两个结构的应力情况。从表中可以看出，复合材料的应力在其拉伸强度的30％以下，并且结合钢层的应力水平，与本发明中公式的设计系数基本相符。
表1相同设计压力不同结构层厚度管道的应力分析
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。