復合柔性軟管用HDPE的蠕變性能

代志雙，王鴻軒，魯成林，宋平娜，陳 星，袁曉燕

(1.天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2.天津市海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384)

復合柔性軟管用HDPE的蠕變性能

代志雙1, 2，王鴻軒2，魯成林2，宋平娜2，陳 星2，袁曉燕1

(1.天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2.天津市海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384)

海洋復合柔性軟管內襯層材料的蠕變行為可能造成軟管內層厚度的過度減少，從而導致內襯層結構受損。采用有限元分析方法對內襯層高密度聚乙烯(HDPE)材料的受力情況進行分析，結果表明：在20 MPa內壓下，不考慮軟管各層之間的相互作用時，內襯層受到的徑向壓應力為11 MPa；考慮HDPE內襯層與外層扁鋼的實際接觸狀態，內襯層受到的徑向壓應力為19.9 MPa。研究了HDPE內襯層材料在11 MPa下的壓縮蠕變行為，計算得到HDPE內襯層在60 ℃、30年設計壽命下，壓縮蠕變量預期為17.5%。設計了帶凹槽的側向約束壓縮蠕變工裝，模擬了內襯層HDPE和其外層扁鋼的接觸形式，測試了20 MPa下HDPE內襯層在不同溫度的側向約束壓縮蠕變性能，計算了HDPE在其30年的設計壽命下，厚度減薄率預期為6.6%。通過內襯層的厚度和扁鋼纏繞縫隙的尺寸，可計算由于蠕變而造成的縫隙填充量，對于HDPE復合軟管的結構設計具有指導意義。

復合柔性軟管；壓縮蠕變；時溫等效；側向約束

0 引 言

隨著深海油氣開采范圍的日益擴大，復合柔性軟管因具有耐腐蝕性和地形適應性好、安裝快捷方便、不需使用大型鋪管船等明顯優勢，得到了越來越廣泛的開發和應用[1-2]。復合軟管根據其結構形式分為粘結型復合柔性軟管和非粘結型復合柔性軟管。其中，粘結型復合柔性軟管由高分子材料層和金屬增強層擠壓而成，并在成型后通過特殊的工藝使高分子材料層和金屬增強層產生較高的粘結強度；而非粘結型復合柔性軟管的聚合物材料層和金屬增強層之間直接裝配，不需要使用特殊的化學工藝粘合，通過摩擦力和接觸壓力傳遞載荷[3]。目前復合軟管的設計以及加工工藝技術在國內尚屬初級階段。依托“十二五”國家科技重大專項，中海油研究總院聯合天津市海王星海上工程技術股份有限公司啟動了“海洋用保溫輸油軟管”研究，從設計、制造到工程使用，該項研究打破了國外技術壟斷，實現了設備國產化和產品的中國制造，有效降低了油田生產成本。在柔性軟管的長期服役過程中，由于高分子材料的黏彈性，內襯層聚合物材料會不斷地發生蠕變。在服役溫度和壓力的作用下，內襯層材料的形變隨時間的推移而逐漸增大，可能會造成內層材料厚度的過度減少，從而引起內襯層材料的結構破壞[4-5]。蠕變性能反映了內襯層材料的尺寸穩定性和長期負載能力。復合柔性軟管的設計標準——美國石油協會(API)標準API 17J[6]中指出：在復合柔性軟管的整個服役周期內，內襯層材料在各種外部因素的作用下厚度減薄應小于30%。因此，對于復合柔性軟管內襯層材料蠕變行為的研究在軟管的結構設計中非常重要。

本文以高密度聚乙烯(HDPE)內襯層為研究對象，采用有限元分析(FEA)方法分析了內襯層材料在受到內壓時的徑向壓力，研究了不同溫度下HDPE材料的蠕變性能，根據時溫等效原理計算了HDPE材料的長期蠕變模型；結合內襯層外的抗壓層結構形式，進行了側向約束下HDPE材料的壓縮蠕變試驗，模擬了HDPE材料在抗壓層空隙中的填充行為，據此計算其服役壽命內在抗壓層空隙中的填充量。

1 非粘結復合軟管結構

非粘結海洋復合柔性軟管的結構形式如圖1所示。其內襯層和外包覆層由高分子聚合物材料連續擠出制成，骨架層及抗拉抗壓層由多層高強度鋼帶(或相互咬合的扁鋼)螺旋纏繞而成。內襯層的作用為密封管道內輸送的流體，外包覆層的作用為阻隔外部海水，高強度鋼帶(或扁鋼)的作用為承受內部壓力或軸向拉力。

圖1 典型的復合柔性軟管結構形式Fig.1 Typical structure of composite flexible pipe

2 試驗

2.1 材料及試樣制備

選擇某8英寸(1英寸=25.4 mm)復合柔性軟管的擠塑內襯層材料HDPE為研究對象。內襯層材料的厚度為12 mm，設計溫度為60 ℃，設計壽命30年。根據美國材料與試驗協會(ASTM)標準ASTM D695[7]，采用機加工的方法從擠塑管材上取樣，試樣的橫截面積為(12.7±0.2) mm × (12.7±0.2) mm，試樣厚度方向與內襯層材料的厚度方向一致。因從擠塑管材上截取的試樣上下表面有一定的弧度，故需將試樣上下兩個表面打磨平整，使其平行。

2.2 試驗測試

參考ASTM D2990標準[8]，采用DWRS10型蠕變試驗機進行不同溫度下的壓縮蠕變試驗，測試之前試樣預先在測試溫度下處理1 h，使試樣內外溫度均衡，每個溫度下的蠕變時間為24 h，記錄蠕變應變隨時間的變化。

3 結果與討論

3.1 試驗應力的選擇

復合柔性軟管管道運行期間的內壓載荷直接作用到內襯層上，但由于聚合物的強度較低，其將內壓載荷傳遞到其外的金屬層來承擔。為計算內襯層在內壓載荷下承受的徑向壓力，對其進行了有限元建模分析。如不考慮軟管各層之間的相互作用關系，則當內襯層受到20 MPa內壓時，內襯層材料的徑向應變為6.25%，如圖2所示。根據壓縮試驗試樣在60 ℃下的壓縮應力-應變曲線(見圖3)計算出壓縮率為6.25%時的壓縮應力為11 MPa。

圖2 不考慮軟管層間相互作用的有限元模擬結果Fig.2 Simulation result by finite element analysis (FEA) without consideration of the interaction between layers of flexible pipe

圖3 HDPE的壓縮應力-應變曲線Fig.3 Compression stress versus compression strain for HDPE

考慮復合柔性軟管內襯層以及其外層金屬鎧裝層之間的相互作用，采用有限元模擬的方法對其徑向壓應力進行了模擬，輸入軟管的尺寸參數、內襯層以及其外層金屬鎧裝層的厚度參數以及力學性能參數，分析結果如圖4所示。內襯層所受的徑向壓應力為19.99 MPa，徑向應變為3.15%。

3.2 壓縮蠕變及長效壽命預測

首先不考慮軟管各層之間的相互作用，對內襯層HDPE材料進行壓縮蠕變分析。選擇壓縮應力11 MPa，測試不同溫度下的壓縮蠕變。試樣夾持方式如圖5所示，試樣的尺寸為(12.7±0.2) mm×(12.7±0.2) mm，每個溫度下的蠕變時間為24 h，蠕變試驗結果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著溫度的升高，試樣的初始壓縮應變增大，且在蠕變的初始階段，蠕變量隨著溫度的升高而增加。從圖中還可以看出，在蠕變曲線的最初階段，蠕變量增加很快，為材料的彈性變形階段，而后材料的變形由彈性變形轉變為黏性變形，并且隨著時間的延長，蠕變速率變緩。

圖5 壓縮蠕變試樣夾持方式示意圖Fig.5 Schematic diagram of the sample clamp for compression creep

圖6 HDPE的壓縮蠕變應變-時間曲線Fig.6 Strain-time curve of compression creep for HDPE

根據時溫等效原理，可通過平移的方法將不同溫度下的蠕變曲線疊加至60 ℃，平移因子曲線如圖7所示。從圖中可以看出，平移因子隨溫度的變化幾乎呈線性關系，這也可以進一步說明采用時溫等效原理可以有效地評價HDPE的長期蠕變行為[9]。圖8給出了平移后的蠕變疊加曲線，60 ℃下的蠕變曲線可平移拓展至1012s，設計壽命終點(30年)時，HDPE內襯層的蠕變量為17.5%左右。該蠕變試驗方法得到的結果在后續項目中可用于內襯層材料的選擇和確定。

3.3 側向約束下壓縮蠕變及長效壽命預測

材料本身的壓縮蠕變性能可以評價HDPE作為內襯層的長期尺寸穩定性，但是HDPE作為內襯層，其外層通常會纏繞一層扁鋼作為抗壓鎧裝層，扁鋼之間會有一定的間隙。同時，在實際使用時，HDPE內襯層在長度方向受到軟管接頭的固定而環向受到抗壓鎧裝層的約束，蠕變只能發生在內襯層的徑向，因此HDPE內襯層的蠕變行為會使其在內壓作用下填充進扁鋼的縫隙而造成厚度減小。據此設計了側向約束壓縮蠕變工裝，模擬了扁鋼的間隙以及內襯層材料在軟管中的實際使用狀況，其剖視圖如圖9所示。該工裝分為三部分：最底部為一平板，厚度為5 mm，用于承載試樣；中間部分為一正方形筒體，筒體的內徑為13 mm×13 mm，壁厚為5 mm；最上部為一帶凹槽的壓塊，該壓塊能平滑無摩擦地放入筒體內，凹槽的寬度為2 mm，深度為7 mm。蠕變試驗加載時，平板放置在蠕變試驗機的下夾具上，壓塊與蠕變試驗機的上夾具接觸。

圖7 HDPE的壓縮蠕變平移因子與溫度的關系Fig.7 Shift factor with temperature of compression creep for HDPE

圖8 HDPE的壓縮蠕變疊加曲線Fig.8 Master curves of compression strain for HDPE

根據有限元模擬結果，HDPE內襯層材料所受的徑向壓力為19.9 MPa，因此在進行側向約束壓縮蠕變試驗時，將該項目的內壓20 MPa作為壓縮應力，測試了不同溫度時的側向約束下壓縮蠕變，每一溫度下的蠕變時間為24 h。從圖10的蠕變應變-時間曲線中可以看出，隨著溫度的升高，試樣的初始壓縮應變增大；而試驗初始階段壓縮蠕變的增量隨溫度的升高有所減小。隨著時間的延長，壓縮蠕變應變的增加變得緩慢。根據時溫等效原理，不同溫度時側向約束下的壓縮蠕變曲線可通過平移的方法疊加至60 ℃，平移因子曲線如圖11所示。從圖中可以看出，平移因子隨溫度的變化同樣呈線性關系。圖12給出了平移后的側向約束下壓縮蠕變疊加曲線，60 ℃下的蠕變曲線可平移拓展至1015s，設計壽命終點(30年)時，內襯材料的側向約束下壓縮蠕變量不超過6.6%，遠遠小于圖8所示的壓縮蠕變量。產生區別的主要原因如下：圖8所示蠕變曲線的試樣只有上下兩個表面受到壓縮，試樣的蠕變空間為試樣非受壓的各個方向，蠕變空間很大。圖12所示蠕變曲線的試樣在各個方向上均有約束，沒有蠕變的空間，而材料的密度受到壓縮而變化的可能較小，由于壓縮而造成試樣厚度減小量只能被擠入試驗夾具(圖9)中壓塊的間隙內。由于壓塊的間隙尺寸有限，因此向間隙內的蠕變速率也遠小于圖5所示夾持方式下得到的試驗結果。

圖9 側向約束下壓縮蠕變試驗夾具Fig.9 Clamps for side restrained compression creep test

圖10 側向約束下HDPE的壓縮蠕變曲線Fig.10 Strain-time curves of side restrained compression creep for HDPE

圖11 側向約束下HDPE的壓縮蠕變平移因子Fig.11 Shift factor of HDPE with side restrained compression creep

圖12 側向約束下HDPE的壓縮蠕變疊加曲線Fig.12 Master curves of side restrained compression creep for HDPE

4 結 語

采用有限元方法模擬了內襯層材料在內壓下的受力情況，結果表明，不考慮結構層之間的相互作用，HDPE內襯層所受的徑向壓應變為6.25%，徑向壓應力為11 MPa；考慮HDPE內襯層與外層扁鋼的實際接觸狀態，HDPE內襯層受到的徑向壓應力為19.9 MPa。選擇壓應力11 MPa，測試了HDPE

材料的壓縮蠕變性能，根據時溫等效原理，設計壽命30年時，HDPE材料的壓縮蠕變量預計為17.5%，材料本身的壓縮蠕變試驗可用于內襯層材料的選擇，但不能直接作為結構設計時所使用的蠕變量。設計了壓縮蠕變工裝，模擬了扁鋼的間隙以及內襯層材料在軟管中的實際使用狀況。選擇壓應力20 MPa，設計壽命30年時，內襯層HDPE的厚度減薄率為6.6%左右，遠小于不受約束試樣的厚度減薄量以及API規范規定的最大值30%。該側向約束下的蠕變試驗結果為HDPE內襯層的厚度設計提供了理論依據。

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CreepBehaviorsofHDPEAppliedinCompositeFlexiblePipes

DAI Zhi-shuang1, 2, WANG Hong-xuan2, LU Cheng-lin2, SONG Ping-na2, CHEN Xing2, YUAN Xiao-yan1

(1. School of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Neptune Offshore Engineering Development Co.,Ltd., Tianjin 300384, China)

The creep of inner liner material for subsea composite flexible pipe may result in the over-reduction of its thickness, which may consequently lead to structural failure. The radial compression stress of high-density polyethylene (HDPE) is studied by using finite element analysis (FEA) method. Under 20 MPa inner compression load, the radial compression stress is 11 MPa when the interaction of structural layers is ignored, while the radial compression stress is 19.9 MPa when the real contact status between HDPE and flat steel is considered. The compression creep properties at 11 MPa under different temperatures are measured. According to the time-temperature equivalence principle, the predicted compression creep deformation of HDPE during 30 years at 60 ℃ is 17.5%. A groove clamp with a gap span for side restrained compression creep is designed, and the side restrained compression creep properties under different temperatures are investigated. The results indicate that the reduction of thickness of HDPE during 30 years at 60 ℃ is 6.6%. The filling volume in the gap span can be calculated according to the thickness of inner liner and the size of gap span of the armour layers, which can be the guidance of construction design for the flexible pipe.

composite flexible pipe; compression creep; time-temperature equivalence; sidewise restraint

2016-03-02

國家科技重大專項(2011ZX05026-005)

代志雙(1984—)，博士，工程師，主要從事非金屬材料在海洋軟管中應用的研究。

P754；TE973.6

A

2095-7297(2016)02-0135-05