復合材料內襯管修復過程受力分析

劉 曉 光

(哈爾濱市建源市政工程排水規劃設計有限責任公司，哈爾濱 150080)

復合材料內襯管修復過程受力分析

劉 曉 光

(哈爾濱市建源市政工程排水規劃設計有限責任公司，哈爾濱 150080)

采用折疊變形法修復技術安裝復合材料內襯管過程中需要充分考慮折疊對材料內部性能的影響.對復合材料內襯管在折疊和恢復展開過程進行了有限元建模分析，考慮了折疊后綁膠帶維持管U形以及施加內壓膠帶撐破的過程，充分對復合材料內襯管在折疊和恢復過程中的應力及應變進行分析，發現在折疊成U形管過程中容易使復合材料內襯管纖維增強層出現損傷，從而影響復合材料內襯管的使用壽命.

折疊變形法；復合材料內襯管；管道修復；有限元；應力分析

很多給排水管道因路面沉降及管道腐蝕等諸多因素的影響往往需要修復，采用非金屬內襯管修復可以有效恢復管網的給排水能力和運行安全.目前國內已有利用PE管[1]、HDPE管[2]和PVC管[3]對給水或排水管道進行修復的相關探討及應用[4].非金屬內襯管的安裝修復主要采用非開挖修復技術完成.非開挖修復技術是傳統的開挖修復技術的一次變革，可以徹底解決管道修復問題，并且對城市交通影響小、效率高、成本低等特點[5].主要的非開挖修復技術包括穿插法、折疊變形法、縮徑法、纏繞法、原位固化法、噴涂法、爆碎管襯裝修復技術等[6]，其中折疊變形法是可變形修復管折疊成U形或C形等形狀減少管的斷面面積，然后用加熱或加壓的方法使其恢復原始的管道形狀與舊管道緊密貼合達到管道修復的目的.折疊變形法修復技術對內襯管有一定的要求，要求在折疊和恢復過程中不能對內襯管造成損傷或潛在的缺陷，因此需要充分考慮在安裝設計過程內襯管的受力狀態.針對埋地PE管道工程設計已經有相應的設計規范[7]，但對于內壓有一定要求的給水管道PE管可能不能滿足結構要求，德國公司開發了一種復合材料內襯管Primus Line，該管中間增加了纖維增強層，有效提高了管道的抗內部正壓或負壓能力.因此在采用折疊變形法修復技術安裝該管過程中需要充分考慮折疊對材料內部纖維性能的影響.本文針對復合材料內襯管折疊變形法修復技術，對管道在折疊及恢復進行受力評價分析，本研究可用于復合材料內襯管折疊變形法安裝及相應設計規范的制定.

1 工程概述

在對復合材料內襯管采用折疊變形法進行安裝過程中，復合材料內襯管折疊成U形，每隔0.25 m綁一定厚度的膠帶，控制管折疊后的變形形狀，折疊后管的橫截面變為如圖1所示.在折疊過程中復合材料管發生了大的變形，同時在管恢復過程中需要加內壓把膠帶撐破.

圖1 折疊變形法安裝及內襯管在折疊狀態下的橫截面

因此需要詳細考慮在折疊和恢復過程內襯管的應力狀態，需要充分分析在變截面過程中對復合材料內襯管的影響.

2 復合材料內襯管有限元建模及計算過程

復合材料內襯管增加了纖維增強層，所以具有很好的力學性能，同時為了不損傷纖維該復合材料內襯管的最大變形有嚴格的要求.該復合內襯管由三層組成，最外層為PE層，中間層為Kevlar纖維增強層，最外層為TPU層，如圖2所示.管的外徑和內徑分別為182 mm和169 mm，PE層、Kevlar纖維層和TPU層厚度分別為2、2.3和2.2 mm，整體管厚為6.5 mm.Kevlar纖維層內部紗線數為1 K，經緯向每10 cm內有42根紗線.纖維增強層材料性能可以由公式(1)計算得到.PE、TPU、Kevlar、復合材料以及膠帶的材料性能如表1所示.

圖2 復合材料管示意圖

材料彈性性能密度/(g·cm3)斷裂伸長率/%PEE=150MPav=0.420.918510TPUE=27MPav=0.451.24635Kevlar29Ef11=70.5GPavf12=0.32vf23=0.3Gf11=1.8GPa1.443.6纖維增強復合材料層E1=2.04GPaE2=312.9MPavf12=0.376vf23=0.37Gf11=112MPa1.279膠帶E=1.3GPav=0.450.958

E1=VfEf11+(1-Vf)Em

v12=v13=Vfvf12+(1-Vf)vm

v23=E2/(2G23)-1

(1)

首先建立復合材料內襯管有限元模型，采用三維殼單元對模型進行離散，把殼單元分為四層：PE層、以PE為基體的纖維增強復合材料層、以TPU為基體的纖維增強復合材料層和TPU層.模型中環向和軸向分別對應局部坐標1和2方向.

為了實現復合材料內襯管折疊及恢復的過程，需要施加一系列的邊界條件：首先需要形成一個U型的界面形狀需要把復合材料內襯管通過一個壓頭把管壓扁，為了使管內翻需要增加一個V形模具限制其變形；然后當壓頭壓到兩個面相貼時，去除V形模具和壓頭，利用平行的兩塊板把模型擠壓成U型；再增加塑料膠帶把固定U形管形狀，同時去除兩塊平行的擠壓板；最后對內襯管施加內壓，把塑料膠帶撐破，恢復到初始形狀.

3 結果及討論

3.1復合材料內襯管折疊過程受力分析

采用兩個面成90°的V形模具對復合材料內襯管進行位移限制，在復合材料內襯管的上方采用半弧狀的壓頭向下壓，復合材料內襯管與V形模具采用硬接觸邊界條件，其中V形模具和壓頭采用剛體.壓縮的過程如圖3所示，計算發現發生環向的應變達到-9.55%，軸向應變達到了12.79%，該值對PE和TPU材料是可以接受的，但對于Kevlar纖維可能存在損壞的風險.

圖3 復合材料內襯管壓扁的過程

當把復合材料內襯管在V形模具中壓平后，再利用兩個垂直的滾輪把管擠壓成U形，該過程可以利用兩個垂直的板施加水平方面的位移把管擠壓成U形管，再該過程中需要把V形模具和半弧形壓頭去除，最后的變形如圖4所示，最后所得的變形圖與真實的變形狀態相似.可是由于網格尺寸的限制，折疊管的應變偏大，在該折疊過程中軸向應變達到了17.8%，環向應變達到了11.6%，因此復合材料內襯管在折疊過程中Kevlar纖維層處于高損傷風險狀態，需要注意的是在模擬過程中沒有考慮Kevlar增強層纖維重取向的影響，由于較大的變形可以導致增強層纖維束重取向，并且能夠降低增強層的應力水平.該折疊的計算過程是利用有限元顯性求解器進行求解的.

圖4 復合材料內襯管折疊過程

復合材料內襯管折疊后，需要對折疊后的內襯管隔0.5 m綁一個膠帶用于保持該折疊變形，為了精確求解結構在折疊后的應力及變形該過程采用有限元隱性求解器求解.在計算過程中需要建立膠帶與折疊管的接觸，同時去除兩個垂直板.經過把顯性求解結果傳遞到隱性求解器進行計算后，應力達到平衡，得到軸向最大應變為3.04%，環向最大應變為4.49%，因此最大應變在材料允許的范圍內.

3.2復合材料內襯管靜水壓力恢復展開過程

通過膠帶把復合材料內襯管控制為U型小截面管后，通過拖拉裝置把復合材料內襯管拖進給水管道，拖到位置后需要對U型管施加內壓把膠帶撐破，并且使復合材料內襯管恢復到原來的尺寸與給水管道緊密貼合，從而達到修復管道的目的.為了計算復合材料內襯管在內壓的作用下使膠帶斷裂需要把模型從隱性求解器轉到顯性求解器求解，當膠帶全部斷裂后再把模型轉到隱性求解器求解，最終使復合材料內襯管達到應力平衡.圖5是復合材料內襯管在施加內壓條件下恢復展開過程，其中給出了軸向應力分布.從圖5中可以看出當中心三個膠帶破壞后，有一個應力釋放的過程，然后應力繼續增加，五個膠帶全部破壞.然后把模型轉到隱性求解器繼續進行計算，U型管橫截面最終恢復為圓管，因為管恢復產生大的變形應力得到了有效釋放，因此應力有下降的趨勢，最終復合材料內襯管的應力用于平衡所施加的內壓力.在展開的過程中計算得到復合材料內襯管出現的最大軸向應變為8.79%，該值在材料允許的范圍內.

圖5 復合材料內襯管加內壓展開過程分析

4 結 語

本文對復合材料內襯管采用折疊變形法安裝的折疊和恢復展開過程進行了分析，采用了有限元隱性求解器與顯性求解器交互計算分析，充分分析了折疊過程、綁膠帶過程、撐破膠帶過程以及恢復過程.通過分析發現帶有纖維增強的復合材料內襯管在U形折疊過程中容易對纖維增強層造成損傷，可能會影響復合材料內襯管的使用壽命，因此復合材料內襯管采用U型折疊變形不可取，需要探索采用其他形狀的折疊變形.

[1] 徐 晶, 夏西寧, 畢征云, 等. PE 內襯技術在給水管網維修方面應用的探討[J]. 環境保護科學, 2004, 30(4): 68-70.

[2] 曹依雯. HDPE 中空壁纏繞內襯應用于排水管道半結構性修復的驗算設計方法[J]. 中國市政工程, 2016 (3): 69-71.

[3] 李 昂. PVC 防蝕內襯在排污, 排水管道中的應用[J]. 混凝土世界, 2010 (9): 72-73.

[4] 呂喜正. 天津開發區排水管道非開挖內襯修復工藝的選型[J]. 管道技術與設備, 2012 (2): 40-42.

[5] 王朝建. 內襯非開挖管道修復技術及其應用分析[J]. 探礦工程: 巖土鉆掘工程, 2008, 35(3): 54-56.

[6] 馮運玲, 田國偉, 張力高. 國內外供水排水管道非開挖修復技術介紹及相關建議[J]. 特種結構, 2011, 28(4): 6-11,76.

[7] 2004 J362-2004 CJJ.埋地聚乙烯給水管道工程技術規程[S].

Foldingandinflationprocessanalysisofcompositeliningpipeforrepairingwatersupplyanddrainagepipeline

LIU Xiao-guang

(Harbin Jianyuan Municipal Engineering Drainage Planning and Design Co., Ltd., Harbin 150080, China)

It is necessary to consider the effect of folding on the material properties of composite lining pipe during folding deformation repairing process. The finite element analysis for folding and inflation processes of composite lining pipe was conducted, and the binding and bursting of adhesive tape was also taken into account. The stress and strain analysis for composites during installation process was analyzed. It was found that the reinforced fiber of composites may appear damage during the folding process, which may influence the using life of the composite lining pipe.

folding deformation method; composite lining pipe; pipe repairing; finite element method; stress analysis

2017-01-25.

劉曉光(1982-)，女，工程師，研究方向：市政管線規劃設計.

TV31

A

1672-0946(2017)05-0533-04