熱殘余應(yīng)力對3PE防腐蝕層剝離的影響

王新華，黃 海，何仁洋，楊國勇，王麗梅

（1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124；2.中國特種設(shè)備檢測研究中心管道部，北京100013）

近年來，隨著防腐蝕層新技術(shù)的發(fā)展，單層熔結(jié)環(huán)氧以及三層聚乙烯防腐蝕層得到廣泛應(yīng)用。其中，埋地鋼質(zhì)管道3PE防腐蝕層采用底層環(huán)氧、中間聚乙烯膠粘劑以及表層聚乙烯的組合形式，但是基材與環(huán)氧底漆以及各層結(jié)合面的剝離現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。國內(nèi)外針對3PE防腐蝕層的剝離展開了相關(guān)調(diào)查，文獻(xiàn)［1-5］就防腐蝕層涂覆質(zhì)量控制、陰極剝離機(jī)理以及特定工況下載荷對防腐蝕層剝離影響展開了相關(guān)研究。防腐蝕層剝離是一個(gè)跨多學(xué)科的綜合性問題，目前學(xué)界對鋼質(zhì)埋地管道3PE防腐蝕層剝離機(jī)理尚未提出較統(tǒng)一的分析結(jié)論。

3PE防腐蝕層在工廠預(yù)制過程中［6］，鋼管預(yù)熱溫度達(dá)220℃，涂覆后降溫至60℃，巨大溫差及材料脹縮性差異導(dǎo)致鋼管基材與防腐蝕層結(jié)界面產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力；補(bǔ)口施工時(shí)高溫以及運(yùn)行時(shí)低溫也容易在粘結(jié)界面產(chǎn)生殘余應(yīng)力；特殊埋地環(huán)境（如附近存在熱源、季節(jié)性溫差）也會帶來熱殘余應(yīng)力。為此，本工作以3PE防腐蝕層涂覆過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力對防腐蝕層不同材料粘結(jié)界面的影響為出發(fā)點(diǎn)探討3PE的剝離機(jī)理，在不方便用試驗(yàn)檢測涂覆過程中熱應(yīng)力變化情況下，通過建立管道-防腐蝕層熱傳遞應(yīng)力-應(yīng)變模型，利用Ansys有限元分析軟件計(jì)算管道基材與防腐蝕層之間熱殘余應(yīng)力隨防腐蝕層厚度以及管端防腐蝕層形狀變化帶來的差異，分析熱殘余應(yīng)力造成管端防腐蝕層翹邊剝離的危害。

1 模型建立

1.1 管道-防腐蝕層系統(tǒng)熱應(yīng)力計(jì)算

將管道模型視為無限長，則對象簡化為軸對稱溫度場平面應(yīng)力模型［7］。將鋼質(zhì)管道和防腐蝕層都看做成一個(gè)長圓筒，見圖1。

圖1 圓筒結(jié)構(gòu)

其中：內(nèi)徑為r、外徑為R。

為簡化分析，體系的變溫過程看做彈性體均勻降溫過程。設(shè)各彈性體內(nèi)各點(diǎn)的溫度變化為△T。圓筒的軸對稱溫度平面熱應(yīng)力分量可表示為：

按位移求解軸對稱熱應(yīng)力基本方程：

認(rèn)為無限長圓筒應(yīng)力主要由徑向和環(huán)向約束及變溫引起，各向應(yīng)力分量分別為：

式中：σρ為圓筒上距離圓心半徑為ρ的某點(diǎn)處的徑向熱應(yīng)力分量；σθ為圓筒上距離圓心半徑為ρ的某點(diǎn)處的環(huán)向熱應(yīng)力分量；σz為圓筒上距離圓心半徑為z的某點(diǎn)處的軸向熱應(yīng)力分量；εp為徑向應(yīng)變量；εθ為環(huán)向應(yīng)變量；uρ為徑向位移；v為材料泊松比；α為溫度引起的材料膨脹系數(shù)。

1.2 管道-防腐蝕層各結(jié)合界面應(yīng)力分析

取粘結(jié)界面某微小單元（如圖2左），微元體的每個(gè)面受到三個(gè)方向上的應(yīng)力（一個(gè)正應(yīng)力，兩個(gè)平行于面的切應(yīng)力）。

較長圓筒結(jié)構(gòu)，按軸對稱溫度場應(yīng)力問題處理，不考慮體積平面應(yīng)力。二維微小平面單元體（圖2）中，σy為沿管道軸向正應(yīng)力，σx為沿半徑方向正應(yīng)力，τxy為xy平面上剪切應(yīng)力，σz為環(huán)繞y軸垂直于xy平面的環(huán)向正應(yīng)力（圖2未顯示）。其中，當(dāng)徑向應(yīng)力σx方向向外時(shí)（拉應(yīng)力），粘結(jié)界面兩種材料分子之間作用力以及向彼此擴(kuò)散作用會受到一定削弱，τxy對粘結(jié)界面產(chǎn)生直接剪切破壞作用。

圖2 圓筒結(jié)構(gòu)一點(diǎn)微元體及二維微單位

2 有限元分析

利用Ansys有限元軟件分析管道-防腐蝕層系統(tǒng)從220℃均勻降溫至60℃時(shí)各結(jié)合面熱殘余應(yīng)力對防腐蝕層剝離影響情況。選取同時(shí)涉及到熱學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)問題耦合場分析單元，提取不同材料粘結(jié)界面各向應(yīng)力。

2.1 管端部分熱殘余應(yīng)力仿真

（1）相關(guān)參數(shù) 對于3PE防腐蝕層，環(huán)氧層厚≥120μm，中間膠粘劑層厚≥170μm，總厚度從1.8～3.6mm不等［8］。表1為管道基材-3PE防腐蝕層體系材料屬性［9］。

表1 3PE防腐蝕層體系材料屬性

（2）建模仿真 模型管道內(nèi)徑為300mm、壁厚9mm、環(huán)氧底漆層膜厚150μm、中間膠粘劑層膜厚250μm；截取距管端尾部長度為100mm的管段，外圍3PE防腐蝕層沿管道軸向長度為80mm，3PE防腐蝕層尾端與基材成垂直臺階形狀。

圖3為管道-防腐蝕層系統(tǒng)軸對稱模型網(wǎng)格劃分，伸出臺階部分為管端3PE防腐蝕層尾端。取Ansys耦合場分析類型（熱分析＋結(jié)構(gòu)分析），選用軸對稱八節(jié)點(diǎn)平板單元，對不同材料分別賦相應(yīng)材料屬性并劃分網(wǎng)格，控制基材底部（y＝0的節(jié)點(diǎn)）沿y軸方向自由度為0，施加溫度載荷并求解熱殘余應(yīng)力。

求解后等效應(yīng)力云圖（三維擴(kuò)展圖）見圖4。熱殘余應(yīng)力在管端防腐蝕層收尾處附近變化最大；而相對較遠(yuǎn)離管端處應(yīng)力基本均勻，說明截取管端部分一小段長度（100mm）作為分析模型的思路是可行的。

圖3 管道-防腐蝕層軸對稱模型示意圖及網(wǎng)格圖

圖4 管端等效熱殘余應(yīng)力云圖（三維擴(kuò)展圖）

2.2 表層PE厚膜對熱殘余應(yīng)力影響

提取管道基材-3PE防腐蝕層不同材料層粘結(jié)面處各應(yīng)力隨著軸向距離變化曲線。

2.2.1 各粘結(jié)界面應(yīng)力分布

以PE層厚度1.8mm為例，提取不同粘結(jié)界面徑向應(yīng)力（圖中sx）、軸向應(yīng)力（圖中sy）、環(huán)向應(yīng)力（圖中sz）以及剪切應(yīng)力（圖中sxy）隨軸向（圖5橫坐標(biāo)方向）變化曲線。

圖5直觀地顯示了管道基材-3PE防腐蝕層系統(tǒng)三個(gè)粘結(jié)界面上各向熱應(yīng)力情況：

（1）較遠(yuǎn)離管端處（橫坐標(biāo)接近0點(diǎn)），徑向應(yīng)力（圖中sx）與剪切應(yīng)力（圖中sxy）曲線基本重合，軸向應(yīng)力（圖中sy）與環(huán)向應(yīng)力（圖中sz）曲線基本重合，且各向應(yīng)力在基材與環(huán)氧層粘結(jié)界面最小，在膠粘劑與PE粘結(jié)界面最大；接近管端邊緣處（橫坐標(biāo)接近0.08m），各向應(yīng)力大小發(fā)生突變，且最大值出現(xiàn)在基材與環(huán)氧層粘結(jié)界面處。

（2）除了在接近管端邊緣處（橫坐標(biāo)接近0.08m）各向應(yīng)力值有明顯的增大外，相對遠(yuǎn)離管端處（橫坐標(biāo)接近0點(diǎn)）的各向應(yīng)力變化不大，表明管端邊緣處熱殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

基材與環(huán)氧層粘結(jié)界面上管端邊緣處各向應(yīng)力的數(shù)值最大，是三個(gè)粘結(jié)界面受熱殘余應(yīng)力危害最大的結(jié)合面。τxy防腐蝕層收尾處最大，由里向外在三個(gè)粘結(jié)界面的大小分別為6.7MPa，5.7MPa和2.2MPa，呈遞減趨勢。管道-防腐蝕層系統(tǒng)材質(zhì)包括鋼材、環(huán)氧粉末、膠粘劑和聚乙烯四種，后三種材料之間由于物理化學(xué)性質(zhì)差異性比鋼材與環(huán)氧之間材料性質(zhì)差別要小，粘結(jié)性較強(qiáng)（抗剪切性強(qiáng)）。管端處三個(gè)結(jié)合面上最大剪切應(yīng)力（6.7MPa）出現(xiàn)在基材與環(huán)氧層粘結(jié)面上，是造成防腐蝕層翹邊現(xiàn)象的重要原因。

2.2.2 PE層厚度對熱殘余應(yīng)力的影響

對比分析PE層厚度變化對粘結(jié)面各向應(yīng)力影響，考察PE層膜厚對基材環(huán)氧層結(jié)合面上剪切應(yīng)力及徑向應(yīng)力的變化影響。

據(jù)圖5、圖6，不同厚度PE時(shí)，基材與環(huán)氧層粘結(jié)界面的各向應(yīng)力沿軸向變化曲線圖變化趨勢相同，尾端都表現(xiàn)為應(yīng)力集中現(xiàn)象。防腐蝕層PE厚度分別為1.8mm，2.6mm和3.4mm時(shí)，基材與環(huán)氧層之間結(jié)合面管端處的徑向應(yīng)力分別為12.2MPa，14.0MPa和16.1MPa，剪切應(yīng)力分別為-6.7MPa，-7.1MPa和-8.7MPa，即PE層越厚，基材環(huán)氧層結(jié)合面徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力越大。徑向應(yīng)力為正，粘結(jié)界面為受拉狀態(tài)，從界面附著理論來講這不利于防腐蝕層的粘結(jié)。實(shí)踐中，PE防腐蝕層加厚能極大提高3PE防腐蝕層性能，說明PE層增厚帶來的粘結(jié)性能增強(qiáng)作用大于熱殘余應(yīng)力帶來的破壞作用。

2.3 管端防腐蝕層收尾形狀優(yōu)化

為降低管端補(bǔ)口預(yù)留處熱殘余應(yīng)力集中效應(yīng)，將管端防腐蝕層收尾處打磨成坡型。同樣借用Ansys有限元分析討論管端防腐蝕層收尾改成坡型后各結(jié)合面間應(yīng)力變化情況。

圖7為防腐蝕層成坡型收尾時(shí)管端網(wǎng)格模型，斜坡臺階部分為3PE防腐蝕層。算例中選取PE層厚度為2.6mm、收尾成為30°斜坡。圖8為各向應(yīng)力隨軸向變化曲線，與管端為垂直臺階時(shí)曲線圖（圖5）相似，重點(diǎn)關(guān)注基材與環(huán)氧層粘結(jié)界面各應(yīng)力情況。據(jù)圖6，當(dāng)PE層同為2.6mm時(shí)管端處基材與環(huán)氧層各向應(yīng)力值對照見表2。

比較發(fā)現(xiàn)，將管端防腐蝕層收尾形狀由垂直梯形改為30°斜坡后，基材與環(huán)氧層結(jié)合面的各向應(yīng)力明顯減少。管端防腐蝕層收尾形狀的改變較大程度釋放了防腐蝕層預(yù)制過程中的熱殘余應(yīng)力。其中徑向應(yīng)力減少87%、剪切應(yīng)力減少60%，對降低管端防腐蝕層翹邊可能性起到積極作用。

表2 防腐蝕層不同收尾形狀基材／環(huán)氧層間各應(yīng)力

3 結(jié)論

（1）3PE防腐蝕層表層PE層厚度越厚，熱殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，證明單純從熱殘余應(yīng)力對防腐蝕層剝離危害的角度來看，PE層加厚并不能對防腐蝕層的剝離產(chǎn)生有利影響。

（2）基材與環(huán)氧層之間以及3PE防腐蝕層不同材料層之間的徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力是破壞層間粘結(jié)力最主要的因素，設(shè)法減小這兩種應(yīng)力能較明顯的降低熱殘余應(yīng)力對防腐蝕層尾端翹邊剝離危險(xiǎn)。

（3）防腐蝕層在管端的收尾方式對防腐蝕層的剝離具有十分顯著的影響，采用坡型形式比采取垂直臺階形式更能有效地釋放掉預(yù)制涂覆過程產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力。

（4）在不方便利用試驗(yàn)檢測熱殘余應(yīng)力對3PE防腐蝕層剝離影響的情況下，利用Ansys有限元分析法研究管道3PE防腐蝕層層間熱殘余應(yīng)力情況是研究防腐蝕層剝離的探索路徑之一，后續(xù)研究中甚至可以利用該方法探討補(bǔ)口留管端焊接熱效造成的剝離影響。在只涉及到物理場作用特定工況下，模擬加載在管道—防腐蝕層系統(tǒng)上的外界載荷，借助Ansys有限元分析粘結(jié)界面應(yīng)力變化情況是研究鋼質(zhì)管道3PE防腐蝕層剝離機(jī)理的有效方法。

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