柔性復(fù)合管剩余強度試驗及失效機理研究*

齊國權(quán)，丁 楠，李厚補，邵曉東

(石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

柔性復(fù)合管管道具有優(yōu)良的耐腐蝕性和較低的水力摩阻，近幾年在油氣田開發(fā)地面工程建設(shè)中得到了較大規(guī)模的應(yīng)用，對減緩鋼制管道腐蝕、節(jié)省地面投資、降低維護成本等發(fā)揮了重要的作用。目前，柔性復(fù)合管管材已應(yīng)用于油氣田的油氣集輸及輸送、供水及注水等系統(tǒng)，長度超過20 000 km，占油氣田地面工程管道總數(shù)的10%以上[1-6]。

在油氣輸送過程中，管體內(nèi)部存在壓力，尤其是某些特殊工況下耐壓要求更高。為了保障管道輸送的安全性以及生產(chǎn)順利進行，必須要保證所投入生產(chǎn)的管線承受輸送介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓要求。然而，目前我國生產(chǎn)增強熱塑性連續(xù)管的歷史并不長，目前國內(nèi)產(chǎn)品尚無統(tǒng)一的正式名稱，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家的情況也是各不相同，有的引進國外成熟的生產(chǎn)技術(shù)，有的則是自行設(shè)計研制生產(chǎn)工藝；有的選用高性能材料生產(chǎn)高檔產(chǎn)品，有的則選用相對低檔的經(jīng)濟型材料；目前市場上的產(chǎn)品可謂是品種多樣、性能各異。針對不同種類的產(chǎn)品，部分廠家并沒有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行產(chǎn)品評定，有些生產(chǎn)廠不具備長期靜水壓試驗條件[7-9]。

準(zhǔn)確地進行疲勞壽命估算，對于消除事故發(fā)生隱患、制訂有效的檢修計劃和延長使用壽命都具有重要的理論意義和工程實際價值[3]。關(guān)于長期靜水壓推算方法目前有GB/T 18252-2000中用外推法對熱塑性塑料管材長期靜液壓強度的測定。該標(biāo)準(zhǔn)雖然節(jié)省了大量時間，但是還是需要1年時間用來做測定，另外試驗數(shù)據(jù)采集點過多，給實際操作帶來不便。面對迅速發(fā)展的柔性復(fù)合管行業(yè)，很少有供方或買方按此標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。本文中提出了一種利用靜水壓試驗結(jié)合水壓爆破試驗來測試該批管材剩余強度的方法，并對不同靜水壓時間下對應(yīng)的剩余強度值進行數(shù)值擬合，最終進行管材壽命預(yù)測。

1 靜水壓和爆破試驗

1.1 試驗樣品

靜水壓和爆破試驗選用的試樣為未使用過的新柔性復(fù)合高壓輸送管，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從圖1可見，該樣品由內(nèi)至外分別為塑料內(nèi)襯層、環(huán)向玻璃鋼管層、骨架層、交叉螺旋纏繞層以及外保護層，產(chǎn)品型號為DN80 PN16 MPa。其中塑料內(nèi)襯層材質(zhì)為PVDF，環(huán)向玻璃鋼管層、骨架層和交叉螺旋纏繞層材質(zhì)均為玻纖帶，外保護層材質(zhì)為PE。

圖1 試驗用柔性復(fù)合高壓輸送管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗內(nèi)容

以上述提供的柔性復(fù)合管試樣為研究對象，90 ℃條件下，在確定管材所需靜水壓壓力值后，開展系列時長的靜水壓試驗和爆破試驗，以此確定剩余強度。試驗步驟如下：

1)確定管材進行靜水壓試驗所需要壓力

對所選取的管材進行靜水壓試驗，試驗依據(jù)GB/T 6111-2003進行，試驗溫度為90 ℃，采用水浴加熱法。靜水壓壓力值選取置信下限LCL，該值按照SY/T 6794中規(guī)定方法計算。其中：MSP=16 MPa；壓力安全系數(shù)缺省PSF=0.67；循環(huán)工作折減系數(shù)fcyclic=1；流體折減系數(shù)fFluid=0.67。另外，結(jié)合Arrhenius公式，最終靜水壓壓力值確定為20 MPa。

2)進行靜水壓試驗

任意選取同批次中的柔性復(fù)合管試樣12根，每組2根，分為6組。在第一步確定的靜水壓壓力、在90 ℃條件下進行靜水壓試驗，試樣選取及試驗條件見表1。

表1 柔性復(fù)合高壓輸送管長期服役性能評價試驗方案

3)進行爆破試驗

按照GB/T 15560-1995標(biāo)準(zhǔn)對靜水壓試驗后的管材試樣進行爆破試驗，對在不同時間下完成靜水壓試驗的試樣分別測試其剩余爆破強度。對數(shù)據(jù)進行分析，利用相對偏差來判定，相對偏差=[(單次測定值-平均值)/平均值]×100%，當(dāng)每組測試數(shù)據(jù)的相對偏差范圍在-10%～10%內(nèi)即認為該組數(shù)據(jù)正常。

4)數(shù)據(jù)處理及損傷機理分析

對剩余爆破強度值進行數(shù)據(jù)擬合，從而對管材壽命進行預(yù)測。在完成復(fù)合管的壽命預(yù)測工作后，采用JEOL-6700F型掃描電鏡對增強層材料的原始試樣和失效后試樣的微觀形貌進行觀測，分析其損傷機理。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 剩余強度試驗結(jié)果

所抽取的12根試樣的靜水壓試驗均未發(fā)生泄漏，隨后對這12根不同時間段下完成靜水壓的試樣進行水壓爆破試驗。由于一定時間段下的靜水壓試驗就是模擬了該時間段下的實際服役，隨后爆破試驗所得的爆破強度即為剩余強度，剩余強度試驗結(jié)果見表2。12根試樣爆破后爆裂處形貌比較相似，其中2根試樣爆破試驗后形貌如圖2所示，爆破位置位于管體，裂紋沿增強層纏繞角度延展，與管體軸向呈60°夾角。

分別以靜水壓時間的對數(shù)和剩余強度值的對數(shù)作為橫縱坐標(biāo)，利用線性回歸法進行數(shù)值擬合，對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，回歸曲線如圖3所示。由圖3可知，剩余強度值y與管材壽命時間x的關(guān)系為：y=78.865-4.493ln(x)，計算可知，當(dāng)剩余強度值為最大工作壓力的1.5倍(24 MPa)時，x值為201 032 h，合計約22.9 a，該壽命預(yù)測數(shù)值大于管體設(shè)計壽命(20 a)，初步推斷可知，該管材在排除外界因素等導(dǎo)致失效的情況下，在承受內(nèi)壓及溫度分別低于20 MPa和90 ℃時，在20 a內(nèi)可安全運行。

表2 復(fù)合管在90 ℃靜水壓試驗后剩余強度

圖2 2根試樣爆破試驗后形貌

圖3 靜水壓-剩余強度試驗結(jié)果數(shù)值擬合

然而，在實際服役過程中，管材不僅受到溫度和壓力的作用，還將承受氣體介質(zhì)滲透、壓力交替變化而導(dǎo)致管材疲勞、外界人為因素破壞等復(fù)雜情況。該試驗中僅對恒定的溫度和壓力因素進行考慮，可以作為管材是否能用于同等或低于試驗要求的溫度和壓力工況條件的充分條件。如果工況條件復(fù)雜，應(yīng)進行綜合考慮[10]。

2.2 復(fù)合管損傷機理分析

為了進一步明確復(fù)合管爆破失效機理，對內(nèi)壓主要承受者的增強層進行損傷機理分析。利用掃描電鏡，通過對圖4所示的原始玻璃鋼管微觀形貌觀測可以發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼帶由三個物理相組成，即纖維相、基體相以及介于它們之間的界面相。三者的彈性模量不同，纖維的彈性模量最大，承載了玻璃鋼帶95%以上的載荷；基體彈性模量很小，主要起聯(lián)接、固定纖維的作用，承受壓應(yīng)力及剪切應(yīng)力；界面是纖維與基體間的連接層，彈性模量介于二者之間，其主要作用是把應(yīng)力從基體傳到纖維上[11-12]。

圖4 玻璃鋼帶原始試樣形貌

對爆破至失效的增強層材料微觀結(jié)構(gòu)用掃描電鏡觀察，其微觀形貌如圖5所示。從圖5(a)可見，可以發(fā)現(xiàn)在玻璃鋼帶的損傷過程中，首先發(fā)生的是基體開裂，即樹脂材料在應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形最終導(dǎo)致開裂。裂紋在基體內(nèi)缺陷處起始并擴展，直至與界面相碰，假如裂紋尖端的應(yīng)力不足以使纖維斷裂，裂紋進一步擴展就受到抑制[13]。當(dāng)施加應(yīng)變足夠低時，裂紋僅限于基體內(nèi)，只表現(xiàn)為裂紋數(shù)目的增加。當(dāng)施加應(yīng)變高的情況下，裂紋尖端處的纖維可能斷裂，進而基體裂紋繼續(xù)擴展。如果裂紋有足夠的長度，裂紋尖端剪應(yīng)力有可能引起界面發(fā)生破壞，導(dǎo)致裂紋轉(zhuǎn)向纖維方向擴展[14]。

隨著開裂的進一步發(fā)生，裂紋擴展并發(fā)生耦合，當(dāng)擴展至界面時，玻璃纖維發(fā)生脫膠現(xiàn)象并與基體分層。界面強度受到較弱相材料特性的限制，也受到制造工藝的限制，它對復(fù)合材料的強度和韌性影響很大。未脫膠前，界面在纖維和基體間起傳遞應(yīng)力作用，并使二者變形一致；脫膠后，纖維和基體的變形不一致，纖維承載增大，基體幾乎不承載[15]。界面脫膠進一步加大了復(fù)合材料疲勞損傷擴展的速度和程度。

最后，纖維斷裂而導(dǎo)致增強層材料整體失效，即出現(xiàn)管體爆裂情況，如圖5(b)所示。由于過載是造成單根纖維斷裂的原因，一根纖維可以在沿其長度上的薄弱點處或局部應(yīng)力集中處(如基體裂紋尖端處)發(fā)生破壞。當(dāng)基體未受損傷時，單一纖維在纖維最薄弱點處發(fā)生斷裂，纖維斷裂將在界面處引起剪應(yīng)力集中，這有可能引起纖維與基體脫膠。基體中出現(xiàn)的孔隙將使局部拉應(yīng)力增加從而引起橫向開裂。當(dāng)基體以彌散破壞方式破壞時，纖維斷裂使基體裂紋長度增加，并導(dǎo)致鄰近纖維應(yīng)力增加。當(dāng)基體橫截面完全裂開時，由于開裂基體不能承載的載荷將由連接開裂基體的纖維平均承擔(dān)。

另外，溫度對增強層失效影響也至關(guān)重要。前期研究表明，隨著溫度的升高(室溫到90 ℃)，柔性復(fù)合管的爆破強度平均值值下降15%左右。隨著溫度的上升，分子熱運動發(fā)生解取向和結(jié)晶，非晶取向降低，結(jié)晶度、晶區(qū)取向因子逐漸升高。因此，纖維中的微孔尺寸增大且含量增多，開始出現(xiàn)部分大分子斷裂，其承載能力明顯降低，最終導(dǎo)致復(fù)合管承壓性能降低。

圖5 拉伸后試驗形貌

3 結(jié) 論

1)通過對玻璃鋼帶增強的柔性復(fù)合高壓輸送管的剩余強度試驗測試，該復(fù)合管預(yù)測壽命約22.9年，滿足其設(shè)計壽命20年的要求。

2)柔性復(fù)合高壓輸送管損傷行為分為3個過程：首先，發(fā)生的是基體開裂，即樹脂材料在應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形最終導(dǎo)致開裂；隨著開裂的進一步發(fā)生，裂紋擴展并發(fā)生耦合，當(dāng)擴展至界面時，玻璃纖維發(fā)生脫膠現(xiàn)象并與基體分層；最后，纖維斷裂而導(dǎo)致增強層材料整體失效，即出現(xiàn)管體爆裂情況。