玻璃鋼管道的應力分析研究
摘 要：目前玻璃鋼管道的應力分析并沒有具體的規范化做法，文章根據玻璃鋼管道力學試驗測試結果和有關規范要求，分別討論了玻璃鋼管道許用應力和疲勞應力的校核方法，并以FPSO上部模塊玻璃鋼管道為例，結合CAESARII軟件，具體介紹了玻璃鋼管道應力分析的過程，為玻璃鋼管道設計提供依據。
關鍵詞：玻璃鋼管道：應力；疲勞；校核
0 引言
玻璃鋼管道是由玻璃纖維及其制品同樹脂構成的一種復合材料，其結構從里向外依次為防腐層、防滲層、結構層和外保護層，主要采用纖維纏繞成型工藝制造而成。與常見的碳鋼管、不銹鋼管相比，具有耐腐蝕性好、重量輕、流體阻力小、保溫性能好等特點。另外，由于玻璃鋼管道安裝方便、使用壽命長，目前被廣泛應用于石油、化工和給排水等各個領域。在海洋平臺、FPSO等海洋工程中，玻璃鋼管道也已經被廣泛應用于海水和消防系統。隨著玻璃鋼管道的應用范圍和規模日益擴大，管道的失效破壞問題也越來越嚴重，但是目前玻璃鋼管道的應力分析并沒有具體的規范化做法，因此研究玻璃鋼管道的應力分析方法對于油氣田的安全生產和經濟效益都具有重要意義。
1 玻璃鋼管道的破壞因素
在實際應用過程中，導致玻璃鋼管道破壞的因素主要有以下幾方面：
(1)在輸送、安裝或使用中，玻璃鋼管道會受到由風、地震、波浪等引起的沖擊荷載或者偶然荷載，當操作應力超出玻璃鋼材料的許用應力時會導致管道破壞。
(2)雖然玻璃鋼的耐腐蝕性好，但在長時間周期性載荷作用下，其材料性能會逐漸惡化，因此會引起產品的疲勞應力破壞。
(3)任何材料在受力狀態下都會有一個設計壽命，如果產品處于超應力狀態，它所能達到的壽命將小于設計壽命，從而發生管道破壞。引發這樣的破壞原因往往是與不妥當的設計、制造、安裝或允許材料超應力使用等因素有關。
本文主要針對許用應力校核和疲勞應力校核展開分析。
2 玻璃鋼管道的應力校核方法
普通鋼管的應力分析方法是基于大量的試驗和測試研究，可分為一次應力校核和二次應力校核，而玻璃鋼應力的特點是非線性和各向異性，按照鋼管的應力分類方法已不適用于玻璃鋼管的應力分析。本文的做法是根據項目實際材料及使用情況，依照部分規范的要求，采用機構所公布的試驗數據，進行模擬稠整，選擇合適的計算方法和參數值來進行應力分析。
2.1 玻璃鋼管道的設計壓力
規范UKOOA中，玻璃鋼管道的設計壓力p為：
P=LCL×f2×f3
LCL=f1×LTHP
式中LCL――置信下限壓力：
f1――97.5％的置信下限壓力與LTHP平均值的比率，默認值為0.85；
LTHP――組分20年壽命中，推斷的長期平均靜態失效壓力。
f2――安全系數，其默認值為0.67，它的大小與管道的實際應用失效結果有關，可以根據偶然載荷工況來調節，但是調節的大小與偶然載荷的大小和持續時間沒有一定的對應關系。此值必須經過相關的人士和負責人的確認。
f3――無壓導致載荷影響條件。
f3的計算公式為：
f3=1-[（2×
）]（r×f1×LTHS）]
式中――系統載荷引起的軸向彎曲應力；
LTHS――長期水壓試驗強度；
r――玻璃鋼軸向強度比率。
式中σa（2:1）――玻璃鋼在2:1條件下的長期軸向強度值；
σa（0:1）――玻璃鋼在0:1條件下的長期軸向強度值，通過公式σa（0:1）=σas（0:1）×[σa（2:1）×σa（2:1）] 計算得到；
σas（0:1）――玻璃鋼在0:1條件下的短期軸向拉伸強度值；
σas（2:1）――玻璃鋼在2:1條件下的短期軸向強度值。
2.2 玻璃鋼管道的載荷循環次數計算公式
阿麥隆玻璃鋼樣品的試驗和測試所給出的報告RE-200-016的結論表明，玻璃鋼管道的破壞先從母材開始，軸向拉伸強度比鋼管略低，彈性模量約為鋼管的1／16，說明玻璃鋼管道的拉伸強度接近于鋼管，但是柔性比鋼管大得多。報告對于玻璃鋼的疲勞測試結果表明，載荷循環次數對許用應力范圍的影響較大，通過試驗得出的S―N公式如下：
lgN=18.9084-8.527×lgS
式中N――循環載荷次數：
S――總應力范圍。
由于這個測試報告采用的是阿麥隆Bondstrand 3400系列環氧樹脂型玻璃鋼樣本，且測試結果已獲得DNV認證，所以在大部分場合可以將該報告作為同類型玻璃鋼應力校核的一個重要參考依據。
3 FPSO上部模塊玻璃鋼管道應力分析實例
本文采用CAESAR II應力分析軟件，以PYRENEES FPSO項目上部模塊海水系統管道的應力分析為例來介紹玻璃鋼管道應力分析過程。該FPSO位于澳大利亞西北海域，水深200m，共包括10個油氣水處理上部模塊，設計壽命25年。材料采用阿麥隆Bondstrand 7000M系列環氧樹脂型玻璃鋼。
3.1 修訂后的許用應力校核公式和參數值
玻璃鋼許用應力的校核主要判斷各種工況下的計算應力是否小于玻璃鋼材料在各種參數修訂后的許用應力。按照持續載荷(SUS)、操作載荷(OPE)和偶然載荷(OCC)三種情況進行校核。
(1)將玻璃鋼的許用應力輸入計算軟件。由于玻璃鋼管道不用校核二次應力，所以不使用預計低溫度下的基本許用應力Se。按照UKOOA的計算方法，預計高溫度下的基本許用應力Sh對應玻璃鋼的許用應力，計算方法為：
Sh=f1×LTHS
式中f1――長期水壓試驗系數；
LTHS――長期水壓試驗強度，按照ASTM D2992方法確定，具體值參考相應產品數據(HDB值)。
(2)安全系數f2的默認值為0.67，但是針對各種不同的工況，本文確定三種工況對應的安全系數分別為0.67(SUS)，0.83(OPE)，0.89(OCC)，三種工況需分別進行校核。
(3)理想許用應力范圍參數：F=r=Sa（0:1）/Sa（2:1）
式中Sa（2:1）――玻璃鋼在2:1條件下的長期軸向強度值，具體值參考相應產品數據(HDB值除以2)；
Sa（0:1）――玻璃鋼在0:1條件下的長期軸向強度值，通過公式Sa（0:1）=Sas（0:1）×[Sas（0:1）/Sas（0:1）]計算得到；
Sas（2:1）――對應的短期軸向強度值，按照相應產品環向拉伸強度值除以2得到；
Sas（0:1）――相應產品的短期軸向拉伸強度值。
(4)平均溫度變化系數K：根據標準BS7159中7.2.1的規定，液體為0.85，氣體為0.8，環境溫度改變為1。
3.2 疲勞應力的校核方法
FPSO上部模塊玻璃鋼管道的疲勞校核．采用累計疲勞應力的計算方法，根據管道的特性可以按照如下方式進行：先計算全壽命周期內的許用循環次數．包括三種工況：許用加載／卸載和熱膨脹載荷循環次數，許用波浪載荷循環次數，許用拖航工況波浪載荷循環次數；其次，根據上述三種載荷工況計算的總應力范圍，依據SLP報告S-N公式計算實際的循環載荷次數，后將計算結果與全壽命周期內相對應的管道失效循環次數相比，并進行累加。如果累加數值之和小于1，則可認為該玻璃鋼疲勞應力校核在許用范圍內。
3.3 CAESAR II軟件計算基礎數據設置
先在CAESAR II模型標準中選擇UKOOA，玻璃鋼材料為阿麥隆Bondstrand環氧系列，具體的材料及計算方法修訂后的相關參數設置見表1，CAESAR II配置文件的設置見表2、表3。
3.4 建立計算模型
根據海水系統管道ISO圖資料，在CAESAR II中正確輸入管道的尺寸、溫度、壓力，以及相應的加速度、變形、集中荷載、偶然載荷等計算參數。確定相應的載荷工況組合計算方法，計算模型見圖1。
3.5 應力分析計算結果
本文不對FPSO上部模塊玻璃鋼管道的應力分析工況組合方法進行展開介紹，根據項目的具體情況，校核FPSO正常操作工況下的持續載荷(工況38)；正常操作工況下的操作載荷(工況60)；正常操作工況下的偶然載荷(工況59)；正常操作工況波浪載荷作用下的疲勞應力(工況71)：正常操作工況下加載，卸載與熱脹載荷的疲勞應力(工況77)；拖航工況下的持續載荷(工況26)；拖航工況下的操作載荷(工況29)，在拖航工況時，由于FPSO已經停止生產，所以也屬于偶然載荷；拖航工況下的偶然載荷(工況28)；拖航工況下的疲勞應力(工況38)。分析結果見表4~8。
許用應力校核結果：兩種工況下，各種校核載荷的大應力比均小于1.0，應力校核通過。
疲勞應力校核結果：兩種工況下．計算單工況的疲勞應力比小于1.0，滿足應力要求。對于疲勞破壞還應進行累計疲勞校核。各工況在全壽命周期內的許用循環次數為(設計25年壽命)：
設計周期內假定的加載／卸載次數為667次，考慮疲勞系數為3.0，終的許用加載腳載與熱脹載荷循環次數為2000次。
許用波浪載荷循環次數(設計壽命的97％)：63729000次；許用拖航波浪載荷循環次數(設計壽命的3％)：1971000次。
根據前面的單工況疲勞應力計算結果，采用SLP報告S-N公式計算得到相應的計算載荷循環次數為：
加載/卸載與熱脹載荷循環次數(NT)：4.42×106次；波浪載荷循環次數(NW)：6.82×108次；拖航波浪載荷循環次數(NE)：9.51×106次。
累計疲勞應力計算公式為：
2000/NT+63729000/NW+1971000/NE=0.301
累計應力計算結果小于1.0，因此疲勞應力校核通過。
通過前面的計算，該玻璃鋼管道各工況應力比和累計疲勞應力均處于許用應力范圍，故整體應力校核通過。
4 結束語
本文結合實際FPSO設計項目以及CAESAR II應力分析計算軟件，在相關標準規定及試驗成果的基礎上，用實例對玻璃鋼管道的許用應力校核和疲勞應力校核方法進行了介紹，并且對累計疲勞應力計算方法進行了著重說明。文中所選擇的計算方法和參數值，為玻璃鋼管道應力分析的規范化研究提供了依據，對玻璃鋼管道的安全生產具有重要意義。
