纤维缠绕复合材料石油套管结构设计与优化

复合材料科学与工程 ›› 2015, Vol. 0 ›› Issue (5): 5-10.

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纤维缠绕复合材料石油套管结构设计与优化

汪准¹, 邓京兰¹, 王继辉², 祖磊^2*

1.武汉理工大学理学院,武汉 430070;
2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070

收稿日期:2015-02-09 出版日期:2015-05-28 发布日期:2015-05-28
通讯作者: 祖磊(1983-),男,博士,教授,主要从事纤维缠绕技术、复合材料力学与结构设计等方面的研究,zulei@whut.edu.cn。
作者简介:汪准(1988-),男,硕士研究生,主要从事复合材料力学与结构设计方面的研究。本文作者还有谢丽婷和穆建桥。
基金资助:
国家自然科学基金(11302168);湖北省自然科学基金(2014CFB140);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(143101001)

DESIGN AND OPTIMIZATION OF FILAMENT-WOUND COMPOSITE OIL CASING PIPES

WANG Zhun¹, DENG Jing-lan¹, WANG Ji-hui², ZU Lei^2*

1. College of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
2. School of Materials Science and Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

Received:2015-02-09 Online:2015-05-28 Published:2015-05-28

摘要/Abstract

摘要： 缠绕复合材料管道的缠绕角,是控制管道力学性能的重要工艺指标。传统的网格理论设计缠绕角时,没有考虑树脂的作用,而石油套管是以表层树脂开裂来判断破坏失效的,此类管道按网格理论计算出来的角度并不是实际测试时的最优角度。本文利用有限元方法,建立数值模型,计算了不同缠绕角的石油套管的力学性能及爆破压力。通过对比分析不同缠绕角对缠绕管的力学性能的影响,得出较优的缠绕角为51°,并测试得型号为9-5/8的碳纤维缠绕套管最小爆破压力比按网格理论计算的缠绕角时的爆破压力提高了20.3%,较大地提高了石油套管的力学性能,对复合材料在工程中的应用具有一定的实际意义。

关键词: 缠绕角度, 有限元方法, 力学性能, 爆破压力

Abstract: The winding angle of filament-wound composite oil casing pipes acts as an important technical index for controlling the mechanical properties of the oil pipes. The winding angle used in production can be calculated according to the netting theory. Without considering the effect of resin, the winding angle of theoretical calculation is not optimal;the fiber can not fully play its role in test and actual application. We use the finite element method to establish a numerical model with which we calculate and analyze the influence of different winding angles on the mechanical properties of petroleum casing, and predict the minimum burst pressure. Through comparing the effect of different winding angle on the mechanical properties of the winding composite pipe, we concluded that the optimum winding angle is 51°, and the minimum burst pressure of casing pipe 9-5/8 is significantly improved by 20.3% as compared to the burst pressure of winding composite pipe of which winding angle according to the theory of grid. The mechanical properties of the oil casing pipe are improved and there is a certain practical significance in engineering application of composite materials.

Key words: winding angle, finite element method, mechanical properties, burst pressure

中图分类号:

TB332

汪准, 邓京兰, 王继辉, 祖磊. 纤维缠绕复合材料石油套管结构设计与优化[J]. 复合材料科学与工程, 2015, 0(5): 5-10.

WANG Zhun, DENG Jing-lan, WANG Ji-hui, ZU Lei. DESIGN AND OPTIMIZATION OF FILAMENT-WOUND COMPOSITE OIL CASING PIPES[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2015, 0(5): 5-10.

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DESIGN AND OPTIMIZATION OF FILAMENT-WOUND COMPOSITE OIL CASING PIPES

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