浅析FRP管与金属管在柔性设计中的差异

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［２３］为３２３ｍｍ，壁厚为８．０ｍｍ。越是大直径的管
ｑ — — —每米管道的基本荷载，Ｎ／ｍ。（２）按强度条件跨距的计算
ｔＬ０．０７１槡［］ＷＰ／ｑ σ Ｓ＝
道，这种差异就越大。尤其是ＤＮ３００以上的大口径管件，在水压试验工况下，一些分支点、拐弯点处的应力往往比较集中，应力通不过。这时就需要按照管件的实际壁厚输入，应力方能通过。实际中管件的壁厚往往比管道的壁厚要厚得多。
７］设立型钢吊架，以避免管道摆动［。
而连续水平敷设的金属管道，其基本跨距应按三跨连续梁承受均布荷载的刚度条件和强度条件计算，并取两者中的较小值。（１）按刚度条件跨距的计算０．０３９槡ＥＩｑ装置内：ＬＴ＝ｔＰ／装置外：Ｌ ′ ０．０４８槡ＥＩｑＴ＝ｔＰ／式中Ｅ — — —管道材料在设计温度下的弹性模量，ｔＭＰａ； — — —管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的惯性ＩＰ矩，ｍｍ；Ｌ — — —装置内管道由刚度条件决定的跨距，ｍ；ＴＬ ′ — — —装置外管道由刚度条件决定的跨距，ｍ；Ｔ
ＦＲＰ（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）管，也叫玻璃钢管，是将浸有树脂基体的纤维为增强材料，按照特定的工艺条件逐层缠到芯模上并进行固化而制成的
［１］
ＦＲＰｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ目录下修改相应的参数，同时选择创建的（．ｆｒｐ）文件。１．２模型的输入在柔性分析中，ＦＲＰ管道模型的输入与金属管道的输入方式基本相同，但下列几点值得注意：（１）材料的选用。金属管道根据不同的等级选用相应的材料代号即可。而ＦＲＰ管道选择的材料代号唯一，只能选用（２０）ＦＲＰ（ＦＩＢＥＲＲＥＩＮＰＬＡＳＴＩＣ），且建立好的ＦＲＰ管道的数据库文件与之息息相关。（２）计算标准为ＢＳ７１５９，且输入相应的特性数据，如不同温度下对应的许用应力，周向弹性模量与轴向弹性模量的比值（ＥＥ），无因次系数Ｋ。ｈ／ａ对于不同的标准对Ｋ的定义也不尽相同。在ＢＳ７１５９中定义为温度变化系数，而且不同的介质取值也不一样。液体介质取０．８５，气体介质取０．８。（３）在输入ＦＲＰ管道模型时，直管和管件的外径、壁厚均有差异。例如，ＰＮ０．６，ＤＮ３００的ＦＲＰ管道，直管外径为３２１ｍｍ，壁厚为５．５ｍｍ，弯头外径
ＭＰａ。值得注意是，ＦＲＰ管的跨距随不同的项目而略有不同，不像金属管道的跨距有标准或设计手册可直接查询得到。２．３应力评定的差异在柔性分析中，由于采用的标准和自身材料的特性上的差异，ＦＲＰ管应力评定和金属管道也略有不同。表１中清晰地表明了应力评定工况简单的对照。
收稿日期：２０１１０３２７；修回日期：２０１１０５１８作者简介：宁枫（１９７９ —），男，四川省旺苍县人，工程师。从事管道设计和管道应力分析。
２０１１年１２月
宁枫．浅析ＦＲＰ管与金属管在柔性设计中的差异
１ＦＲＰ管的柔性分析
１．１ＦＲＰ管道材料特性文件由于选用不同的树脂基体、不同配比方案、不同的制造工艺制造出来的ＦＲＰ管道物理性能相差较大。对不同的项目，选购哪家的管道，将直接影响该项目中ＦＲＰ管的柔性分析。因此，需要完善ＣＡＥＳＡＲＩＩ数据库中ＦＲＰ管的数据库。在ＦＲＰ管柔性分析前，需根据项目实际情况创建一个（．ｆｒｐ）数据库文件，并在ＣＡＥＳＡＲＩＩ软件中Ｔｏｏｌｓ／Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ／
［４］ — — —管道壁厚，ｍｍ。ｔｄ３ｉｄ０．３３３０．５（２）受集中载荷时，Ｌ＝（ＥＤ１６Ｐ）ＬＡＭｔｄｉ／
ｑ — — —每米管道的基本荷载，Ｎ／ｍ；
ｔ［］ — — —管道材料在设计温度下的许用应力 σ ［５６］，（按ＳＨ３０７３中的表３选用）
。它的优点是轻质高强、耐腐蚀性能好、抗渗
漏、绝缘性能好、隔热性能良好等。缺点是弹性模量低、长期耐温性差、层间剪切强度低，易损伤、断裂。尤其对公称直径大于３００ｍｍ以上的ＦＲＰ管道，如果设计不合理，将导致其断裂破坏。在工程设计中，目前外资企业比较重视ＦＲＰ管的柔性分析。在有机硅和炭黑项目中就已经应用到了大口径的ＦＲＰ管道。因此，非常有必要了解ＦＲＰ管的柔性分析，以及其与金属管道在设计上的差异，从而保证ＦＲＰ管的设计质量。
第４８卷第６期２０１１年１２月
化工设备与管道ＰＲＯＣＥＳＳＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＰＩＰＩＮＧ
Ｖｏｌ４８Ｎｏ６Ｄｅｃ２０１１
浅析ＦＲＰ管与金属管在柔性设计中的差异
宁枫
（德希尼布天辰化学工程（天津）有限公司上海分公司，上海２０００３１）摘要：通过介绍如何利用ＣＡＥＳＡＲＩＩ软件对ＦＲＰ管道进行柔性分析，进一步比较ＦＲＰ管和金属管在柔性分析和支架设计中存在的差异，从而保证ＦＲＰ管道设计的质量，特别是对大口径ＦＲＰ管道的设计以及支架的设计提供可靠的依据。关键词：ＦＲＰ管；金属管；柔性分析；支架设计中图分类号：ＴＱ０５０．２；ＴＨ１２２文献标识码：Ａ文章编号：１００９３２８１（２０１１）０６００４８０３
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎＦｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙＤｅｓｉｇｎｆｏｒＦＲＰＰｉｐｅａｎｄＭｅｔａｌＰｉｐｅ
ＮＩＮＧＦｅｎｇ
（ＴＥＣＨＮＩＰＴｉａｎｃｈｅｎＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｔｉａｎｊｉｎ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ，ＳｈａｎｇｈａｉＢｒａｎｃｈ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｕｓｉｎｇＣＡＥＳＡＲＩＩｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＦＲＰｐｉｐｉｎｇ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｉｎｔｈｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒＦＲＰｐｉｐｉｎｇａｎｄｍｅｔａｌｐｉｐｉｎｇｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ．Ｉｎｔｈｉｓｗａｙ，ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＦＲＰｐｉｐｉｎｇｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｏｌｉｄｓｕｐｐｏｒｔｗｉｌｌｂｅｐｒｏｖｉｄｅｄｆｏｒｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒＦＲＰｐｉｐｉｎｇａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｄｅｓｉｇｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＲＰｐｉｐｅ；ｍｅｔａｌｐｉｐｅ；ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｕｐｐｏｒｔｄｅｓｉｇｎ
（ＨＹＤ）ＷＷ＋ＨＰ水压试验工况金属管道（ＳＵＳ）Ｗ＋Ｐ１（ＭｅｔａｌＰｉｐｅ）（ＥＸＰ）Ｌ２Ｌ４（ＥＸＰ）Ｌ３Ｌ４安装工况仅正常操作温度下的热膨胀工况仅设计温度下的热膨胀工况
从表１中可以看出，ＦＲＰ管道应力报告中没有热胀冷缩引起的二次应力报告，但多了在操作工况下的应力报告，这是ＦＲＰ管在应力评定时与金属管道非常大的差异。２．４支架设计的差异在金属管道的支架设计，有ＨＧ／Ｔ２１６２９管架标准图或工程公司的标准管架图来利用，方便快捷。但ＦＲＰ管道与管架（包括支座）不得直接粘结或焊接固定，通常用管夹型的管托或吊架，且在一条管道上不宜连续使用两个吊架，必要时应在适当的位置
表１应力评定工况对照
项目工况（ＨＹＤ）ＷＷ＋ＨＰ水压试验工况ＦＲＰ管道（ＯＰＥ）Ｗ＋Ｐ１＋Ｔ１正常操作温度下工况（ＦＲＰＰｉｐｅ）（ＯＰＥ）Ｗ＋Ｐ１＋Ｔ２设计温度下工况（ＳＵＳ）Ｗ＋Ｐ１安装工况描述
— — —装置内、外管道由强度条件决定的跨式中ＬＳ距，ｍ；ＷＰ— — —管子扣除腐蚀裕量及负偏差后的抗
３弯断面系数，ｍｍ；
２ＦＲＰ管与金属管在柔性设计上的差异
２．１计算和评定的标准不同对于工艺管道，采用的标准是ＡＳＭＥＢ３１．３；对于动力管道，采用的标准是ＡＳＭＥＢ３１．１。然而对于ＦＲＰ管道，在柔性分析中采用的并不是ＡＳＭＥ标准，而是英国国家标准ＢＳ７１５９， “ Ｃｏｄｅｏｆｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｇｌａｓｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓ（ＧＲＰ）ｐｉｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｐｌａｎｔｓｏｒｓｉｔｅｓ ” 。ＡＳＭＥ标准中对ＦＲＰ管只有概括性的描述，像上面提到的无因次系数Ｋ在Ｂ３１．１和Ｂ３１．３中均没有定义。而ＢＳ７１５９不仅详细地概括了ＦＲＰ管材料性能、机械特性，还对ＦＲＰ管管道支架的设计、柔性分析、管道的试验与检验都有详细的论述。２．２管道跨距计算的差异ＦＲＰ管层间剪切强度低，即刚性差，就决定了其跨距比较小。跨距按ＢＳ７１５９中的公式来计算，如下：／１０Ｗ）（１）受均布载荷时，Ｌ＝（ＥＬＡＭＤｔ式中Ｌ — — —管道的跨距，ｍｍ；Ｄ — — —管道的内径，ｍｍ；ｉＷ— — —均布荷载，Ｎ／ｍ；Ｐ — — —集中荷载，Ｎ； — —弹性模量，ＭＰａ；ＥＬＡＭ—