芳纶增强热塑料管产品设计方法

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1、芳纶增强热塑料管产品设计方法AramidFiberReinforcedThermoplasticPipeDesignMethod摘要：芳纶增强热塑料管是一种新型油气输送管道，通过对芳纶增强热塑料管的失效分析，以长期静强度回归试验分析为基础，利用产品族的概念，推导并建立了芳纶增强热塑料管的基本设计方法，为今后该产品的设计提供了理论依据。Abstract:Aramidfiberreinforcedthermoplasticpipebelongstoanewtypeofpipelineforoilandgasproduction.Anal

2、yzingitsfailuremodesabasicdesignmethodisdeducedbasedonthelong-termhydrostaticpressureregressiontestofproductfamilyrepresentativeandcanbeprobedasatheoreticalbasisforproductdesign.主题词芳纶塑料管设计方法SubjectHeadingsAramidPlasticPipeDesignMethod欧洲在上世纪九十年代初开发了一种新型的油气输送管道——芳纶增强热塑料管

3、，简称RTP（ReinforcedThermoplasticPipe）。该管材以其承载能力高、耐腐蚀、柔性好、重量轻、单根长度长等诸多优点受到油气输送行业的普遍关注，在欧美及中东地区多家石油公司的成功应用表明了该管材优良的经济及技术价值［1］、［2］。RTP管材主要应用于陆地和浅海的原油及天然气输送、油田注水管线以及石油化工行业的高压防腐管道等。由于RTP管材所用材料新颖、使用领域安全性要求高，寻求合理而实用的设计方法显得尤为重要。自从RTP管材在欧洲投入工程实用以来，欧美等国的一些主要油气管道制造商、油气公司以及部分专业研究机构针

4、对该管材的设计与应用开展了一系列试验研究工作。目前，以试验为基础的产品设计思想已得到行业内较为一致的认同，美国石油协会API和欧洲联合工业项目JIP组织分别制定了RTP管的认证规范（草案），现已递交国际标准化组织审定。本文根据两个认证规范（草案）的基本思想，从工程运用的实践出发，初步形成RTP管产品的设计方法，供读者参考。一、设计原理1、产品结构简介RTP管有三层结构：内层为用管道级专用料制成的PE80或PE100级聚乙烯管，它具有较高的强度、较好的径向刚度和防渗透性；增强层为以芳纶纤维为增强材料、以管道级聚乙烯为基体材料的复合增强

5、带，它以平衡角成对缠绕在内管上，形成管材的主要承力构件；外层为用管道级专用料添加专用辅料的聚乙烯保护层，它可抵挡管道在制造、安装和使用过程中的外部损伤、腐蚀以及紫外线侵蚀等。下图为该产品的结构简图。外管增强层内管图1RTP管材结构简图2、产品失效模式主失效模式：由于液体压力造成芳纶纤维拉伸断裂。次失效模式：内管失效，压力穿透增强层击破外管。10次失效模式主要是由于内管材料等级、增强纤维覆盖率、使用温度范围等因素设计不当所致。为了保证产品在寿命期内避免次失效模式的出现，本文讨论的前提条件为：内管材料为PE100管道级聚乙烯混配料；增强

6、纤维覆盖率不低于80%；使用温度范围为-40~65℃。主失效模式的出现标志着产品功能的最终丧失，它集中反映了产品的极限强度和寿命，针对主失效模式开展设计，可以抓住产品的主要特征，充分发挥该产品的应用功能。1、设计原理芳纶纤维、聚乙烯材料力学性能与多因素（如介质特性、时间、温度等）有关，聚乙烯材料的力学性能呈统计学特性，加之在普遍意义上的基础性研究仍有待于足够数量的实用例证，该产品在现阶段的设计必须基于试验统计的方法进行。为了产品认证试验的合理性，认证规范（草案）提出了产品族的概念，只要产品结构相似、材料和加工工艺相同，管材的内径差不

7、大于100mm的产品组可以认为是同一产品族。根据认证规范（草案），在同一产品族内，选择规格居中的产品作为产品族代表，产品族产品的内径范围为产品族代表的内径向下40mm、向上60mm。对产品族代表进行10000小时长期静强度回归试验，试验数据的统计特性可以作为产品族产品设计的依据。二、长期静强度回归试验分析RTP管材的静强度破坏试验结果表现出试验数据的离散性，在一定的温度条件下，压力P与破坏时间t的关系呈现明显的统计学特性，这里选用的统计分布为在一定温度条件下、压力P不变时，对数值服从正态分布，或破坏时间t服从对数正态分布。回归试验采

8、用了如下的假设：P：管道承受的压力（Mpa）；t：失效时间（小时）；F、G：为回归曲线特征常数。令：有：其中：试验通常是在产品最高使用温度下进行。试验设计时，为了保证试验样本有足够的精度，必须满足最小试验样本容量n要求，认证规范（草案