非粘接柔性管內壓密封層蠕變設計與研究

余志兵，徐志輝，劉剛，潘悅然，張永輝

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

非粘接柔性管（以下稱“柔性管”）由于具有許多普通碳鋼管不具備的優勢，如擁有良好的防腐性能、較好的撓性、海上鋪設效率高及可回收重復使用等[1]，在海洋工程中得到廣泛應用。柔性管的結構比較復雜，一般由5 個功能層和數個輔助層構成，各層相互無粘接，其功能和受力既有一定的獨立性，又互相影響。在柔性管設計時，既要對各個功能層進行獨立設計，以保證柔性管的整體性能滿足項目和規范的要求，又要保證各層在尺寸和公差上協調兼容，在柔性管的整個生命周期里保持結構的完整性[2]。

內壓密封層是一種聚合物材料，具有蠕變性能，即在保持應力不變的情況下，應變隨時間延長而逐漸增加。與材料的塑性變形不同，當應力作用時間足夠長，盡管應力強度小于彈性極限，只要承受了載荷就會發生蠕變。內壓密封層的抗蠕變性能不足時，極大影響柔性管的結構密封性，嚴重情況下管體結構層發生失效而出現局部泄漏，給工程和環境造成巨大的損失[3]。

本文詳細介紹柔性管內壓密封層蠕變設計的3 種分析方法：試驗方法、有限元方法和簡化公式法，并給出了這些分析方法的優缺點及關鍵技術要素。研究成果可為柔性管的國產化技術發展提供參考與借鑒。

1 柔性管結構

柔性管管體一般主要由5 個功能層組成[4]。其中2 個非金屬層，3 個金屬層。3 個金屬層分別是骨架層、抗壓鎧裝層和抗拉鎧裝層，主要為柔性管提供抵抗外載荷的能力。2 個非金屬層分別是內壓密封層和外包覆層，主要作用是對管內介質和管外環境影響如海水進行密封。在特定項目中，可根據不同工況要求對各層進行調整，如在水深較淺或柔性管層間壓力較小的條件下，內壓密封層的抗壓潰能力足以滿足設計要求時，可以不考慮骨架層。而在有保溫輸送要求或需增加水下管重的考慮時，則可增加保溫層或配重層的設計。

除以上主要功能層以外，柔性管截面還配有輔助層，如防磨層，其用于生產過程中對其他層起約束作用或在2 個金屬層之間提供防摩擦作用。

2 內壓密封層及蠕變特性

常見的內壓密封層材料有HDPE、XLPE、PA 和PVDF，其他熱彈性材料也可以使用。由于內壓密封層是由非金屬高分子材料構成，通常強度較低，獨自承受內壓或者外壓的能力較弱，因此內壓密封層的內側和外側需要有特有的金屬支撐層來承擔較大的內壓和外壓。內外側的金屬支撐層分別稱作骨架層和抗壓鎧裝層。由于骨架層與抗壓鎧裝層是采用纏繞的方式生產，且沿著柔性管軸向呈現波紋狀，不具備光滑性，因此內壓密封層在壓力的持續作用下會在骨架層或抗壓鎧裝層的間隙中發生形變，繼而產生蠕變現象。

蠕變是指一定溫度、保持應力不變的作用下，材料形變隨時間推移而逐漸發展的現象。聚合物的蠕變是其特有黏彈性的突出表現，不僅與材料自身的凝聚態結構有關，而且受外力、溫度影響顯著，是高聚物一種典型的松弛過程[5]。

作為柔性管內壓密封層蠕變設計的主要參考規范，API SPEC 17J 明確要求，在整個生命周期內，內壓密封層材料在所有聯合工況作用下由于向支撐層變形而造成的減薄不能超過最小設計壁厚的30%[6]。

3 蠕變設計方法

3.1 試驗方法

通常，需在多個不同的溫度工況下進行蠕變試驗[7]，每一溫度工況至少取3 個試樣[8]，管道的設計溫度應包括在試驗溫度范圍內。另外，試驗要在具有加載和保溫的條件下進行，應根據項目設計要求施加合適的載荷，且整個試驗時間至少維持在48 h 以上，或至試樣減薄30%。

圖1 和圖2 為某類HDPE內壓密封層分別在23℃，40℃，50℃，60℃和70℃溫度下的蠕變試驗曲線[9]，以及在溫度23℃條件下的時溫等效擬合曲線（試驗壓力為3 MPa）。從圖2 所示的試驗擬合曲線可以看出，在23℃，3 MPa 壓力條件下，25 年后的蠕變約為1.8%。

圖1 不同溫度下蠕變試驗曲線Fig.1 The creeping test curve of different temperature

圖2 蠕變試驗曲線的擬合Fig.2 The fitting curve of creeping test

3.2 有限元法

3.2.1 有限元模型

采用Ansys 建立二維軸對稱模型進行數值模擬，僅考慮內壓密封層和抗壓鎧裝層，如圖3 所示。蠕變在持續載荷作用下的累積變形，因此內壓密封層的減薄是時間的函數。

圖3 內壓密封層蠕變分析有限元模型Fig.3 FEA model of the internal pressure sheath creeping analysis

內壓密封層的材料蠕變特性需要使用一個隨時間強化的非線性數學模型來描述[10]，將蠕變引起的應變率定義為當前應力、應變、時間和溫度的函數。通過試驗測出內壓密封層材料在不同溫度下的蠕變性能后，使用非線性回歸曲線擬合方法將蠕變試驗數據進行擬合可以得到材料的時間－蠕變曲線。

3.2.2 分析工況

考慮柔性管在整個生命周期內的各種工況，如表1所示。

表1 內壓密封層蠕變分析工況Tab.1 The creeping analysis cases of internal pressure sheath

表中，T為設計溫度，Tmax為最大環境溫度，23℃表示“常溫”，P為設計壓力，R為最小存儲半徑。

3.3 簡化公式法

簡化公式法是將內壓密封層的蠕變性能轉變為分析外界環境允許的蠕變空間，由此使蠕變分析過程變得簡單化?？紤]內壓密封層經過不斷蠕變，至鎧裝層的空隙被完全填充，分析此時減薄后的內壓密封層是否滿足設計要求,如圖4 所示。

圖4 公式法示意圖Fig.4 The sketch of simplified formula method

計算公式如下：

式中：Rt為內壓密封層的厚度減薄率，tp為內壓密封層的初始厚度，As為抗壓鎧裝層截面積，Bs為抗壓鎧裝層節距。ts為抗壓鎧裝層的等效厚度，當其截面形狀為矩形，ts為厚度，而為不規則形狀，如Z 型、T 型或C 型等，需要根據其可能形成的空隙進行等效。

若內壓密封層的蠕變性能無法滿足設計需求，則可以調整內壓密封層和抗壓鎧裝層的尺寸提高其抗蠕變性，或采取增大內壓密封層厚度、減少抗壓鎧裝層節距等方式。

4 結語

內壓密封層蠕變設計是柔性管設計的一項重要內容。本文提出的3 種蠕變分析方法均可用于柔性管內壓密封層的結構設計，通過探討及研究，可以得出如下結論：

1）試驗方法根據項目實際運行工況，得到不同溫度下的蠕變時間曲線，然后再擬合成目標溫度下的蠕變溫度曲線，從而獲得柔性管設計壽命中的蠕變值。在項目周期及經費充足的情況下，可以采取該方法進行設計與分析。

2）有限元方法借助通用有限元分析軟件，構建用于描述材料蠕變應變率的數值模型，對材料屬性、邊界條件及單元接觸等模擬具有一定的不確定性。

3）簡化公式法過程簡單，使用的資源和基礎數據較少，但是只能對蠕變結果進行大致的評估，無法對材料本身的蠕變性能作深入研究，該方法僅適用于初步或者前期的蠕變設計和分析。