玻璃钢管道的应力分析研究
摘 要：目前玻璃钢管道的应力分析并没有具体的规范化做法，文章根据玻璃钢管道力学试验测试结果和有关规范要求，分别讨论了玻璃钢管道许用应力和疲劳应力的校核方法，并以FPSO上部模块玻璃钢管道为例，结合CAESARII软件，具体介绍了玻璃钢管道应力分析的过程，为玻璃钢管道设计提供依据。
关键词：玻璃钢管道：应力；疲劳；校核
0 引言
玻璃钢管道是由玻璃纤维及其制品同树脂构成的一种复合材料，其结构从里向外依次为防腐层、防渗层、结构层和外保护层，主要采用纤维缠绕成型工艺制造而成。与常见的碳钢管、不锈钢管相比，具有耐腐蚀性好、重量轻、流体阻力小、保温性能好等特点。另外，由于玻璃钢管道安装方便、使用寿命长，目前被广泛应用于石油、化工和给排水等各个领域。在海洋平台、FPSO等海洋工程中，玻璃钢管道也已经被广泛应用于海水和消防系统。随着玻璃钢管道的应用范围和规模日益扩大，管道的失效破坏问题也越来越严重，但是目前玻璃钢管道的应力分析并没有具体的规范化做法，因此研究玻璃钢管道的应力分析方法对于油气田的安全生产和经济效益都具有重要意义。
1 玻璃钢管道的破坏因素
在实际应用过程中，导致玻璃钢管道破坏的因素主要有以下几方面：
(1)在输送、安装或使用中，玻璃钢管道会受到由风、地震、波浪等引起的冲击荷载或者偶然荷载，当操作应力超出玻璃钢材料的许用应力时会导致管道破坏。
(2)虽然玻璃钢的耐腐蚀性好，但在长时间周期性载荷作用下，其材料性能会逐渐恶化，因此会引起产品的疲劳应力破坏。
(3)任何材料在受力状态下都会有一个设计寿命，如果产品处于超应力状态，它所能达到的寿命将小于设计寿命，从而发生管道破坏。引发这样的破坏原因往往是与不妥当的设计、制造、安装或允许材料超应力使用等因素有关。
本文主要针对许用应力校核和疲劳应力校核展开分析。
2 玻璃钢管道的应力校核方法
普通钢管的应力分析方法是基于大量的试验和测试研究，可分为一次应力校核和二次应力校核，而玻璃钢应力的特点是非线性和各向异性，按照钢管的应力分类方法已不适用于玻璃钢管的应力分析。本文的做法是根据项目实际材料及使用情况，依照部分规范的要求，采用机构所公布的试验数据，进行模拟稠整，选择合适的计算方法和参数值来进行应力分析。
2.1 玻璃钢管道的设计压力
规范UKOOA中，玻璃钢管道的设计压力p为：
P=LCL×f2×f3
LCL=f1×LTHP
式中LCL――置信下限压力：
f1――97.5％的置信下限压力与LTHP平均值的比率，默认值为0.85；
LTHP――组分20年寿命中，推断的长期平均静态失效压力。
f2――安全系数，其默认值为0.67，它的大小与管道的实际应用失效结果有关，可以根据偶然载荷工况来调节，但是调节的大小与偶然载荷的大小和持续时间没有一定的对应关系。此值必须经过相关的人士和负责人的确认。
f3――无压导致载荷影响条件。
f3的计算公式为：
f3=1-[（2×
）]（r×f1×LTHS）]
式中――系统载荷引起的轴向弯曲应力；
LTHS――长期水压试验强度；
r――玻璃钢轴向强度比率。
式中σa（2:1）――玻璃钢在2:1条件下的长期轴向强度值；
σa（0:1）――玻璃钢在0:1条件下的长期轴向强度值，通过公式σa（0:1）=σas（0:1）×[σa（2:1）×σa（2:1）] 计算得到；
σas（0:1）――玻璃钢在0:1条件下的短期轴向拉伸强度值；
σas（2:1）――玻璃钢在2:1条件下的短期轴向强度值。
2.2 玻璃钢管道的载荷循环次数计算公式
阿麦隆玻璃钢样品的试验和测试所给出的报告RE-200-016的结论表明，玻璃钢管道的破坏先从母材开始，轴向拉伸强度比钢管略低，弹性模量约为钢管的1／16，说明玻璃钢管道的拉伸强度接近于钢管，但是柔性比钢管大得多。报告对于玻璃钢的疲劳测试结果表明，载荷循环次数对许用应力范围的影响较大，通过试验得出的S―N公式如下：
lgN=18.9084-8.527×lgS
式中N――循环载荷次数：
S――总应力范围。
由于这个测试报告采用的是阿麦隆Bondstrand 3400系列环氧树脂型玻璃钢样本，且测试结果已获得DNV认证，所以在大部分场合可以将该报告作为同类型玻璃钢应力校核的一个重要参考依据。
3 FPSO上部模块玻璃钢管道应力分析实例
本文采用CAESAR II应力分析软件，以PYRENEES FPSO项目上部模块海水系统管道的应力分析为例来介绍玻璃钢管道应力分析过程。该FPSO位于澳大利亚西北海域，水深200m，共包括10个油气水处理上部模块，设计寿命25年。材料采用阿麦隆Bondstrand 7000M系列环氧树脂型玻璃钢。
3.1 修订后的许用应力校核公式和参数值
玻璃钢许用应力的校核主要判断各种工况下的计算应力是否小于玻璃钢材料在各种参数修订后的许用应力。按照持续载荷(SUS)、操作载荷(OPE)和偶然载荷(OCC)三种情况进行校核。
(1)将玻璃钢的许用应力输入计算软件。由于玻璃钢管道不用校核二次应力，所以不使用预计低温度下的基本许用应力Se。按照UKOOA的计算方法，预计高温度下的基本许用应力Sh对应玻璃钢的许用应力，计算方法为：
Sh=f1×LTHS
式中f1――长期水压试验系数；
LTHS――长期水压试验强度，按照ASTM D2992方法确定，具体值参考相应产品数据(HDB值)。
(2)安全系数f2的默认值为0.67，但是针对各种不同的工况，本文确定三种工况对应的安全系数分别为0.67(SUS)，0.83(OPE)，0.89(OCC)，三种工况需分别进行校核。
(3)理想许用应力范围参数：F=r=Sa（0:1）/Sa（2:1）
式中Sa（2:1）――玻璃钢在2:1条件下的长期轴向强度值，具体值参考相应产品数据(HDB值除以2)；
Sa（0:1）――玻璃钢在0:1条件下的长期轴向强度值，通过公式Sa（0:1）=Sas（0:1）×[Sas（0:1）/Sas（0:1）]计算得到；
Sas（2:1）――对应的短期轴向强度值，按照相应产品环向拉伸强度值除以2得到；
Sas（0:1）――相应产品的短期轴向拉伸强度值。
(4)平均温度变化系数K：根据标准BS7159中7.2.1的规定，液体为0.85，气体为0.8，环境温度改变为1。
3.2 疲劳应力的校核方法
FPSO上部模块玻璃钢管道的疲劳校核．采用累计疲劳应力的计算方法，根据管道的特性可以按照如下方式进行：先计算全寿命周期内的许用循环次数．包括三种工况：许用加载／卸载和热膨胀载荷循环次数，许用波浪载荷循环次数，许用拖航工况波浪载荷循环次数；其次，根据上述三种载荷工况计算的总应力范围，依据SLP报告S-N公式计算实际的循环载荷次数，后将计算结果与全寿命周期内相对应的管道失效循环次数相比，并进行累加。如果累加数值之和小于1，则可认为该玻璃钢疲劳应力校核在许用范围内。
3.3 CAESAR II软件计算基础数据设置
先在CAESAR II模型标准中选择UKOOA，玻璃钢材料为阿麦隆Bondstrand环氧系列，具体的材料及计算方法修订后的相关参数设置见表1，CAESAR II配置文件的设置见表2、表3。
3.4 建立计算模型
根据海水系统管道ISO图资料，在CAESAR II中正确输入管道的尺寸、温度、压力，以及相应的加速度、变形、集中荷载、偶然载荷等计算参数。确定相应的载荷工况组合计算方法，计算模型见图1。
3.5 应力分析计算结果
本文不对FPSO上部模块玻璃钢管道的应力分析工况组合方法进行展开介绍，根据项目的具体情况，校核FPSO正常操作工况下的持续载荷(工况38)；正常操作工况下的操作载荷(工况60)；正常操作工况下的偶然载荷(工况59)；正常操作工况波浪载荷作用下的疲劳应力(工况71)：正常操作工况下加载，卸载与热胀载荷的疲劳应力(工况77)；拖航工况下的持续载荷(工况26)；拖航工况下的操作载荷(工况29)，在拖航工况时，由于FPSO已经停止生产，所以也属于偶然载荷；拖航工况下的偶然载荷(工况28)；拖航工况下的疲劳应力(工况38)。分析结果见表4~8。
许用应力校核结果：两种工况下，各种校核载荷的大应力比均小于1.0，应力校核通过。
疲劳应力校核结果：两种工况下．计算单工况的疲劳应力比小于1.0，满足应力要求。对于疲劳破坏还应进行累计疲劳校核。各工况在全寿命周期内的许用循环次数为(设计25年寿命)：
设计周期内假定的加载／卸载次数为667次，考虑疲劳系数为3.0，终的许用加载脚载与热胀载荷循环次数为2000次。
许用波浪载荷循环次数(设计寿命的97％)：63729000次；许用拖航波浪载荷循环次数(设计寿命的3％)：1971000次。
根据前面的单工况疲劳应力计算结果，采用SLP报告S-N公式计算得到相应的计算载荷循环次数为：
加载/卸载与热胀载荷循环次数(NT)：4.42×106次；波浪载荷循环次数(NW)：6.82×108次；拖航波浪载荷循环次数(NE)：9.51×106次。
累计疲劳应力计算公式为：
2000/NT+63729000/NW+1971000/NE=0.301
累计应力计算结果小于1.0，因此疲劳应力校核通过。
通过前面的计算，该玻璃钢管道各工况应力比和累计疲劳应力均处于许用应力范围，故整体应力校核通过。
4 结束语
本文结合实际FPSO设计项目以及CAESAR II应力分析计算软件，在相关标准规定及试验成果的基础上，用实例对玻璃钢管道的许用应力校核和疲劳应力校核方法进行了介绍，并且对累计疲劳应力计算方法进行了着重说明。文中所选择的计算方法和参数值，为玻璃钢管道应力分析的规范化研究提供了依据，对玻璃钢管道的安全生产具有重要意义。
