增强层的缠绕角技巧

第2章中管道各层应力分析显示增强层中环向和轴向应力之比为2，可知：

图7.14　爆破压力随增强层缠绕角度变化的变化趋势

由此可得，增强层的理论最优缠绕角为α=54.7°，增大缠绕角可以增强管道的抗轴向拉伸性能。由图7.14可见，增大缠绕角度会明显增加管道的抗内压性能，对于内径为2英寸的管道，当增强层缠绕角度为30°时计算爆破压力为24.5 MPa，随着缠绕角度增加则爆破压力值逐渐上升，在54.7°时计算爆破应力为40.65 MPa，66°时为44.7 MPa。总体而言，整条曲线变化平缓，说明缠绕角度对管道爆破性能的影响接近线性，这种性能的线性变化规律对实际工程应用具有一定指导意义。

图7.15　不同缠绕角度的增强层中环向应力随内压的变化趋势(www.xing528.com)

注：从上到下的曲线分别代表缠绕角为70°、64°、58°、54.7°、50°、46°、40°

但是过大的缠绕角度会削弱管道的轴向抗拉伸性能［141-142］，由于钢带缠绕增强复合管中不包含抗拉伸层，钢带需提供一定的抗拉伸性能并通过偶数层交错缠绕的方式抵消扭转。当缠绕角度增大时，由钢带的偏轴环向应力提供的轴向分力会减小，从而导致管道的轴向刚度变小。

不同缠绕角度的增强层中的环向应力随内压的变化趋势也有所差异。图7.15显示了考虑应力集中效应时拥有不同增强层缠绕角度的管道中钢带上环向应力随内压的变化趋势。由图可见，更大的增强层缠绕角度意味着环向应力上升更快且峰值更大。采用40°缠绕角度时，爆破压力为31.5 MPa，环向应力峰值为318.34 MPa；而缠绕角度达到70°时，爆破应力为45.97 MPa，且环向应力峰值达到了640.16 MPa，达到40°缠绕角度时的2倍。这是由于缠绕角度增大意味着增强层中钢带上的偏轴环向应力的环向分力也会增大，从而导致其对内压的变化更加敏感。这种变化趋势与第3章中管道抗拉伸性能随缠绕角度的变化趋势相呼应：抗内压性能与增强层缠绕角度成正比，而抗拉伸性能与其成反比。