王巍堯， 成志強(qiáng)， 張勇， 張?jiān)ィ?陸劍鋒

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院, 成都610031; 2. 應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都610031; 3.四川德源石油天然氣工程有限公司, 成都610041)

環(huán)氧樹脂真空填充過程的數(shù)值模擬

王巍堯1,2， 成志強(qiáng)1,2， 張勇3， 張?jiān)?， 陸劍鋒3

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院, 成都610031; 2. 應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都610031; 3.四川德源石油天然氣工程有限公司, 成都610041)

環(huán)氧鋼套筒是油氣管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的一個(gè)重要手段，研究環(huán)氧樹脂在套筒與管壁間填充的完整性，對(duì)管道補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)具有重要意義?；贔LUENT軟件中的VOF方法，模擬了環(huán)氧樹脂在真空條件下的填充過程，分析了套筒的進(jìn)出膠口位置和真空度對(duì)環(huán)氧樹脂最終填充率的影響。研究結(jié)果表明：(1)環(huán)氧套筒進(jìn)膠口和出膠口相距越遠(yuǎn)，環(huán)氧樹脂填充率越高。在進(jìn)膠口和出膠口分別位于套筒上下兩端時(shí)填充效果最好，在真空度為80 kPa時(shí)，填充率為99.90%；(2)出膠口真空度對(duì)環(huán)氧樹脂的填充完整性影響較小，在真空度為50 kPa時(shí)，填充率為99.79%。在真空度為80 kPa時(shí)，填充率為99.90%，填充率僅增加了0.11%。

環(huán)氧鋼套筒；環(huán)氧樹脂；真空度；進(jìn)/出膠口位置；填充率

引言

埋地油氣管道往往存在腐蝕缺陷、裂紋缺陷、焊接缺陷和機(jī)械損傷缺陷等，這些缺陷對(duì)于高壓管道而言，極易發(fā)生泄漏事故，影響油氣的正常輸運(yùn)[1-2]。為保障管道的正常運(yùn)行，需要對(duì)存在缺陷的埋地管道進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。環(huán)氧鋼套筒補(bǔ)強(qiáng)作為管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的重要技術(shù)，已被廣泛使用[3]。補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)前先將管道外表面打磨至ST3級(jí)，然后將環(huán)氧套筒定位安裝在管道缺陷部位，接著使用環(huán)氧膠泥將套筒兩端做密封處理，最后將環(huán)氧樹脂填充套筒和管壁之間的環(huán)形空間[4]。固化之后，具有高抗壓強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂將把管道缺陷部位的應(yīng)力傳遞到環(huán)氧套筒上，管道所受應(yīng)力將由管道、固化后的環(huán)氧樹脂、環(huán)氧套筒三部分承擔(dān)，能夠有效地對(duì)管道缺陷部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，保障了油氣在管道中安全輸運(yùn)。但在環(huán)氧樹脂填充過程中極易出現(xiàn)氣泡夾雜和填充不完整等缺陷，使管道所受應(yīng)力傳遞不佳，嚴(yán)重影響管道的補(bǔ)強(qiáng)效果[5]。工程中常用的方法是采用真空泵抽除套筒和管壁之間環(huán)形空間的空氣，一定的真空度可以降低環(huán)形空間的空氣密度，減少環(huán)氧樹脂流動(dòng)前沿的卷氣現(xiàn)象[6-7]。但是，環(huán)氧樹脂的填充過程很難直接觀察，同時(shí)，不同套筒結(jié)構(gòu)和不同真空度導(dǎo)致的填充效果也不盡相同[8]。國(guó)內(nèi)外大多研究者采用數(shù)值模擬方法、水力模擬實(shí)驗(yàn)和X射線顯示[9]。而隨著數(shù)值模擬仿真技術(shù)不斷發(fā)展，采用仿真技術(shù)模擬環(huán)氧樹脂的填充過程已成為最方便的方法之一。

本文運(yùn)用ANSYS FLUENT專業(yè)流體軟件，開展環(huán)氧樹脂填充過程的模擬，預(yù)測(cè)填充時(shí)間和填充缺陷產(chǎn)生的部位[10]，對(duì)比分析套筒進(jìn)出膠口位置和真空度對(duì)環(huán)氧樹脂填充完整性的影響，得出更合理的設(shè)計(jì)，以此優(yōu)化填充過程[11-13]。

1 力學(xué)模型

VOF模型是建立在固定的Euler網(wǎng)格上的一種追蹤方法，可追蹤兩種或多種互不溶流體的界面[14]。在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)對(duì)互不溶流體求解同一個(gè)動(dòng)量方程組，并通過追蹤每種流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬多相流。兩相間的界面通過計(jì)算單元網(wǎng)格中第q相所占體積分?jǐn)?shù)aq來追蹤。aq=0表示單元中沒有第q相，aq=1表示單元中充滿第q相，0

(1) 體積分?jǐn)?shù)方程

通過求解兩相或多相體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程，可以追蹤各相間的界面，第q相體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程為：

(1)

基本相的體積分?jǐn)?shù)由所有相所占體積分?jǐn)?shù)之和為1的約束條件計(jì)算，而不求解體積分?jǐn)?shù)方程：

(2)

(2) 動(dòng)量方程

(3)

(4)

其中粘性系數(shù)vt又可寫成湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的函數(shù)：

(5)

其中：Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取值為0.09。k和ε可通過式(6)和式(8)進(jìn)行求解，即標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能方程(k方程)和耗散率方程(ε方程)。

k方程：

(6)

式中：Ck為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取值為0.09～0.11；Pk表達(dá)式為：

(7)

ε方程：

(8)

式中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Cε=0.07～0.09，Cε1=1.41～1.45，Cε2=1.9～1.92。

2 模型建立及材料參數(shù)

2.1 實(shí)體建模

以直徑為219 mm的管線為例,利用Gambit軟件建立鋼套筒與管道之間的環(huán)形空間模型，即環(huán)氧樹脂的待填充區(qū)域，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。環(huán)形空間長(zhǎng)500 mm、外徑239 mm、內(nèi)徑219 mm，進(jìn)膠口和出膠口直徑均為16 mm。考慮環(huán)氧樹脂重力的作用，進(jìn)膠口設(shè)計(jì)于套筒底部，出膠口則在套筒頂部。圖1為專門設(shè)計(jì)的四種不同進(jìn)出膠口結(jié)構(gòu)的環(huán)氧套筒模型。模型1的進(jìn)膠口在套筒中部，出膠口在套筒端部；模型2為進(jìn)膠口和出膠口分別在套筒的兩端；模型3為進(jìn)膠口在套筒端部，出膠口在套筒1/4位置；模型4為進(jìn)膠口在套筒端部，出膠口在套筒中部。對(duì)比4種模型，以分析進(jìn)出膠口距離對(duì)填充率的影響。

圖1四種不同進(jìn)出膠口結(jié)構(gòu)的環(huán)氧套筒模型

2.2 材料參數(shù)及邊界條件

填充材料選用環(huán)氧樹脂，材料參數(shù)見表1。環(huán)形空間中的空氣假定為理想氣體，在20 ℃時(shí)的密度為1.205 kg.m-3，動(dòng)力粘度為0.000 18 Pa.s。由于環(huán)氧填充時(shí)間短，鋼套筒的熱傳導(dǎo)性能良好，整個(gè)填充可看作等溫過程。出膠口真空度分別為50 kPa、60 kPa、70kPa和80 kPa，入膠口壓力為大氣壓。入膠口處環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)為1，即入膠口只有環(huán)氧樹脂流入，不含空氣組分。

表1材料參數(shù)

3 填充結(jié)果分析

3.1 填充過程模擬

FLUENT模擬計(jì)算結(jié)束后，使用其自帶的后處理模塊顯示模擬結(jié)果。以模型2(進(jìn)出膠口分別在套筒兩端)的結(jié)構(gòu)為例，展示真空度為80kPa工況下環(huán)氧樹脂的填充過程，如圖2所示。

圖2環(huán)氧樹脂填充模擬過程

首先，環(huán)氧樹脂通過套筒進(jìn)膠口平穩(wěn)進(jìn)入套筒內(nèi)壁與管道外壁的環(huán)形空間，并沿著套筒壁向四周擴(kuò)散[15]。在大約0.4 s時(shí)，環(huán)氧樹脂前沿面與進(jìn)膠口一側(cè)的套筒端部接觸，環(huán)氧樹脂與套筒端部發(fā)生碰撞，產(chǎn)生裹氣和卷氣現(xiàn)象。隨著環(huán)氧樹脂的不斷填充和套筒內(nèi)空氣的不斷排出，套筒端部的裹氣和卷氣現(xiàn)象逐漸消失[16]。隨后，環(huán)氧樹脂前沿面成弧形面，逐漸向出口蔓延。在大約9.7 s時(shí)，套筒兩側(cè)的環(huán)氧樹脂在套筒頂部匯合并發(fā)生碰撞，在套筒頂部形成一條形狀卷氣區(qū)域。隨著環(huán)氧樹脂的不斷填充，套筒內(nèi)環(huán)氧樹脂的緩慢流動(dòng)，套筒頂部的卷氣逐漸被排出，卷氣區(qū)域逐漸減小。大約在24.5 s時(shí)，出膠口出膠，填充完畢。此時(shí)套筒頂部有少量空氣殘留。

3.2 進(jìn)出膠口位置對(duì)填充的影響

應(yīng)用FLUENT軟件，模擬對(duì)比在真空度為80 kPa條件下，環(huán)氧樹脂在圖1所示的四種不同進(jìn)出膠口結(jié)構(gòu)的套筒中填充24.5 s時(shí)的填充結(jié)果，分析進(jìn)出膠口位置對(duì)環(huán)氧樹脂填充完整性的影響。

圖3為環(huán)氧樹脂在四種不同進(jìn)出膠口結(jié)構(gòu)的套筒中的填充模擬結(jié)果。由圖3所示，模型1為進(jìn)膠口在中部，出膠口在端部的套筒模型，在填充結(jié)束后，模型頂部存在一條形連續(xù)未填充區(qū)域，填充率為99.50%；模型2為進(jìn)出膠口分別在兩端的套筒模型，在填充結(jié)束后，模型頂部的條形未填充區(qū)域?yàn)閿嗬m(xù)形式，填充率為99.90%；模型3為進(jìn)膠口在端部，出膠口在1/4位置的套筒模型，填充結(jié)束后，其未填充區(qū)域主要分布在套筒頂部?jī)啥?，頂部中間位置也有少量未填充區(qū)域，填充率為99.52%；模型4為進(jìn)膠口在端部，出膠口在中部的套筒模型，填充結(jié)束后，在出膠口一側(cè)存在明顯未填充區(qū)域，其填充率為98.95%。

圖3進(jìn)出膠口位置對(duì)填充的影響

通過對(duì)比分析四種套筒結(jié)構(gòu)可知，模型1的套筒結(jié)構(gòu)，進(jìn)出膠口之間的距離約為套筒長(zhǎng)度的1/2。環(huán)氧樹脂聚合到套筒頂部后，進(jìn)膠口右側(cè)的空氣便無法排除，導(dǎo)致模型中一定量的空氣滯留在模型頂部[17]；模型2進(jìn)出膠口之間的距離約為套筒長(zhǎng)度。在環(huán)氧樹脂聚合到套筒頂部后，排氣通道依然通暢，卷氣和裹氣逐漸被排出，在頂部?jī)H有少量卷氣和裹氣殘留；模型3進(jìn)出膠口之間的距離約為套筒長(zhǎng)度的3/4，在環(huán)氧樹脂到達(dá)出膠口位置后，環(huán)氧樹脂從出膠口流出，出膠口左側(cè)的空氣便排氣困難，導(dǎo)致模型中部分空氣殘留在出膠口左側(cè)，但出膠口處填充完好；模型4進(jìn)出膠口之間的距離亦約為套筒長(zhǎng)度的1/2。同樣，在環(huán)氧樹脂到達(dá)出膠口位置后，環(huán)氧樹脂從出膠口流出，導(dǎo)致模型中的空氣無法被排出，殘留在出膠口左側(cè)。因此，對(duì)比以上四種不同進(jìn)出膠口位置的套筒模型，得知隨著進(jìn)出膠口距離的增大，環(huán)氧樹脂的填充率逐漸提升，進(jìn)出膠口位于套筒兩端時(shí)填充效果最好。

3.3 真空度對(duì)填充的影響

選用填充效果較優(yōu)的進(jìn)出膠口分別在兩端的套筒結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析出膠口真空度分別為50 kPa、60 kPa、70 kPa和80 kPa時(shí)環(huán)氧樹脂填充24.5 s時(shí)的填充率。此時(shí)出膠口均已出膠。圖4和圖5分別為不同真空度下環(huán)氧樹脂的填充率曲線圖和模擬結(jié)果圖。

圖4不同真空度下環(huán)氧樹脂填充率曲線圖

圖5不同真空度下環(huán)氧樹脂填充模擬結(jié)果

在出膠口真空度為50 kPa工況，環(huán)氧樹脂填充率為99.79%。出膠口真空度為60 kPa工況，填充完畢時(shí)，環(huán)氧樹脂填充率為99.83%。出膠口真空度為70 kPa，填充完畢時(shí)，環(huán)氧樹脂填充率為99.87%。出膠口真空度為80 kPa工況，填充完畢時(shí)，環(huán)氧樹脂填充率為99.90%。根據(jù)圖4的填充率曲線可知，隨著真空度的提高，環(huán)氧樹脂的填充率雖有提高，但變化很小。出口真空度每增大10 kPa，填充率僅增加約0.03%。

通過對(duì)模擬過程分析可知，隨著真空度的不斷提高，管壁與套筒之間環(huán)形空間中的環(huán)氧樹脂流動(dòng)速度逐漸增快，環(huán)氧樹脂前沿面越容易出現(xiàn)卷氣和裹氣。但由于管壁與套筒之間的間隙僅為10 mm，在環(huán)氧樹脂的粘性阻力和表面張力的共同作用下，環(huán)氧樹脂在流入套筒和管道之間的環(huán)形空間之后，初始動(dòng)量很快被耗散，環(huán)氧樹脂填充速度減慢，填充前沿面的主渦流區(qū)得到極大的抑制，使得裹氣和卷氣現(xiàn)象減弱[11]。同時(shí)，隨著真空度的增大，環(huán)形空間中的空氣密度逐漸減小，裹入或卷入的空氣量自然減少。因此，真空度的提高，一方面，使得環(huán)氧樹脂的填充速度增加，另一方面，又使得套筒與管壁之間環(huán)形空間的空氣密度減小，兩者對(duì)填充度的正負(fù)作用，以及環(huán)形空間小間隙的結(jié)構(gòu)特征，使得真空度的改變對(duì)填充率的影響甚微。

4 結(jié)論

文章模擬分析了環(huán)氧樹脂的填充過程，分析了進(jìn)出膠口位置和出膠口真空度對(duì)環(huán)氧樹脂填充完整性的影響，得出如下結(jié)論和套筒設(shè)計(jì)建議：

(1) 套筒進(jìn)膠口和出膠口距離越遠(yuǎn)，填充效果越好。進(jìn)出膠口分別在套筒兩端的填充完整性明顯優(yōu)于其他三種套筒結(jié)構(gòu)。建議套筒設(shè)計(jì)盡量采用進(jìn)出膠口分別在套筒兩端的結(jié)構(gòu)。

(2) 四種套筒結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂未填充區(qū)域均集中在套筒頂部。若缺陷恰好在管道頂部，可采用模型3的結(jié)構(gòu)，將缺陷置于套筒頂部出膠口位置。

(3) 在合理的填充速度下，真空度的改變對(duì)環(huán)氧樹脂填充率的影響很小。在真空度為50 kPa時(shí)，填充率為99.7%。真空度為80 kPa時(shí)，填充率為99.9%，僅提升0.11%。

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Numerical Simulation of Filling Process of Epoxy Resin Steel Sleeve

WANGWeiyao1,2,CHENGZhiqiang1,2,ZHANGYong3,ZHANGYu3,LUJianfeng3

(1.School of Mechanics & Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China; 2.Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610031,China;3.Sichuan Deyuan Petroleum and Gas Engineering Co., Ltd., Chengdu 610041,China)

As an important method to repair the oil and gas pipeline, the study of the filling integrity of epoxy resin between the steelsleeve and the tube wall is of great importance for the pipeline rehabilitation. Based on VOF method in FLUENT software, the filling process of the epoxy resin drivenby the vacuum absorption effect in outlet is simulated. The effects of inlet/outlet positions and vacuum degree areanalyzed. The results show that the farther distance between inlet and outlet of the epoxy sleeve, the better isthe filling integrity.When the inlet and outlet are located at both ends of the sleeve, one in down sleeve side and another in up sleeve side respectively, the performance of filling is best. And when the vacuum degree is 80 kPa, the filling rate arises up to 99.9%. The vacuum degreehas little effect on the filling integrity of the epoxy resin. When the vacuum degree is 50 kPa, the filling rate is 99.79%. When the vacuum degree is 80 kPa, the filling rate is 99.90%, and the filling rate is only increased in 0.11%.

epoxy resin steel sleeve; epoxy resin;vacuum degree;positions of inlet and outlet;filling degree

1673-1549(2017)06-0018-05

10.11863/j.suse.2017.06.04

2017-09-05

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20110184110017)

王巍堯(1993-),男,四川閬中人,碩士生,主要從事結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面的研究,(E-mail)2468263897@qq.com

成志強(qiáng)(1969-),男,四川成都人,教授,博士,主要從事結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面的研究,(E-mail)zqcheng@netease.com

TB126

A