海底輸油管道聚氨酯彈性體保溫材料抗蠕變性能試驗(yàn)研究

楊加棟，白冬軍，張曉靈，馮文亮，鄭中勝，彭晶凱

1.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津300452

2.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第四檢測(cè)所，北京100011

3.昊天節(jié)能裝備有限責(zé)任公司，河北滄州061300

海底輸油管道聚氨酯彈性體保溫材料抗蠕變性能試驗(yàn)研究

楊加棟1，白冬軍2，張曉靈1，馮文亮2，鄭中勝3，彭晶凱2

1.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津300452

2.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第四檢測(cè)所，北京100011

3.昊天節(jié)能裝備有限責(zé)任公司，河北滄州061300

聚氨酯彈性體用作海底濕式保溫輸油管道保溫層，其力學(xué)性能、蠕變性能是重要參數(shù)。文章對(duì)聚氨酯彈性體保溫管道保溫層在海底的受力情況進(jìn)行分析，計(jì)算了保溫層在海底的壓縮形變，設(shè)計(jì)了聚氨酯彈性體保溫管道保溫材料的蠕變?cè)囼?yàn)裝置，并通過(guò)具體實(shí)例給出了試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果。

海底輸油管道；聚氨酯彈性體；保溫材料；力學(xué)性能；抗蠕變

0 引言

與管中管干式保溫輸油管道相比，濕式保溫輸油管道因具有鋪管速度快、施工費(fèi)用低、使用水深不受鋪管船限制等優(yōu)點(diǎn)，在深水管道保溫中得到廣泛應(yīng)用。不同于管中管干式保溫系統(tǒng)，濕式保溫系統(tǒng)的保溫材料與海水直接接觸，承受著巨大的靜水壓。單鋼管聚氨酯彈性體保溫形式屬于單鋼管濕式保溫形式，通過(guò)摻入聚合物微珠或玻璃微珠提高聚氨酯彈性體保溫管的性能，使其滿足不同深水環(huán)境下的保溫要求。濕式保溫管在正式使用前必須對(duì)材料的物理性能及其管道整體性能進(jìn)行全面的測(cè)試，以檢驗(yàn)總傳熱系數(shù)、熱沖擊特性、蠕變特性是否滿足油氣流動(dòng)要求，其中保溫層力學(xué)性能、蠕變特性是濕式保溫管道涂層滿足使用要求的重要參數(shù)。

1 聚氨酯彈性體管道保溫材料力學(xué)性能與形變計(jì)算

本次研究測(cè)試的輸油管道聚氨酯彈性體保溫材料為SPU，是在固體聚氨酯彈性體基體上填充了聚合物微珠，這種材料既融合了聚氨酯彈性體經(jīng)久耐用的特點(diǎn)，同時(shí)降低了密度，改善了保溫效果。經(jīng)測(cè)試該材料的密度為811.5 kg/m3，邵氏硬度A97，拉伸強(qiáng)度7.6 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率118%，抗壓強(qiáng)度（10%變形）5.35 MPa，楊氏模量64.9 MPa，泊松比0.37。

單鋼管聚氨酯彈性體濕式保溫形式如圖1所示。在海底時(shí)，保溫層外表面直接與海水接觸，外壁面直接承受海底水壓；保溫層內(nèi)表面附著于工作鋼管外表面，因而受到來(lái)自工作鋼管的反向支撐壓力。由于厚壁工作鋼管剛性大，因而可假定厚壁工作鋼管在內(nèi)外壓共同作用下產(chǎn)生的變形相對(duì)于保溫層的徑向變形量可忽略。

圖1 單鋼管聚氨酯彈性體濕式保溫形式

以工作鋼管D 219 mm、保溫層厚度75 mm的聚氨酯彈性體保溫管為例，將管道保溫層看作兩端無(wú)限長(zhǎng)的厚壁圓筒進(jìn)行承壓力學(xué)分析。忽略自身重力和上下壓差，管道保溫層的受力情況可按軸對(duì)稱問(wèn)題考慮，即它的幾何形狀、約束情況以及承受外圍載荷都對(duì)稱于管道軸線。對(duì)于承受均勻內(nèi)壓Pi、外壓Po的厚壁圓筒，圓筒的內(nèi)半徑和外半徑分別為Ri、Ro，筒壁中任意點(diǎn)的半徑為r，以軸線為Z軸建立圓柱坐標(biāo)（r，θ，z），從彈性體保溫層中割取一個(gè)微小六面體（微元體），如圖2所示：

圖2 彈性體保溫層中的一個(gè)微元體

圓筒微元體受三向應(yīng)力作用，用σr表示沿半徑r方向的徑向應(yīng)力，σθ表示沿θ方向上的周向應(yīng)力，σz表示沿Z方向上的軸向應(yīng)力。相應(yīng)于應(yīng)力分量，εr、εθ、εz分別表示徑向應(yīng)變、周向應(yīng)變、軸向應(yīng)變，u代表徑向位移量，ω代表軸向位移量。在不計(jì)重力的情況下，由于厚壁筒的幾何形狀和所受載荷都是軸對(duì)稱的，且沿Z軸方向保持不變，筒體的幾何形狀、載荷、支撐情況沿Z軸沒有變化，所有垂直于軸線的橫截面在變形后仍保持為平面，u只決定于r，ω只決定于Z。

因此，微元體的平衡方程為：

幾何方程為：

物理方程為：

式中E——彈性體彈性模量；

μ——彈性體泊松比。

通過(guò)求解上述平衡方程、幾何方程和物理方程，可得到厚壁圓筒徑向位移表達(dá)式：

保溫材料的彈性模量、泊松比可以從之前的測(cè)試結(jié)果得到。保溫層外壁所受的外壓一定，聚氨酯彈性體保溫層內(nèi)表面有工作鋼管支撐，忽略工作鋼管的徑向變形，可給定其邊界條件如下：

于是可求解未知變量Pi、Ro，計(jì)算在不同水深環(huán)境下，此聚氨酯彈性體保溫管的保溫層外壁面徑向位移變形量。

計(jì)算得到在250、300、500 m水深環(huán)境下，保溫層外壁面徑向位移變形量分別為1.5、1.8、2.9 mm。

2 壓縮蠕變

壓縮蠕變是在應(yīng)力影響下固體材料緩慢永久性的移動(dòng)或者變形的趨勢(shì)，它是由低于材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用而產(chǎn)生的，這種變形的速率與材料的性質(zhì)、加載時(shí)間、加載溫度和加載結(jié)構(gòu)應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)材料長(zhǎng)時(shí)間處于加熱當(dāng)中或者在熔點(diǎn)附近時(shí)，蠕變會(huì)更加劇烈，即蠕變常常隨著溫度升高而加劇。而深海聚氨酯彈性體保溫管道恰恰存在這樣的運(yùn)行條件，保溫層長(zhǎng)期暴露在海水壓力下，工作鋼管中輸送的原油具有一定的輸送溫度，長(zhǎng)期受壓運(yùn)行的結(jié)果必將導(dǎo)致保溫層發(fā)生蠕變。

蠕變一般分為三個(gè)階段，初步蠕變階段形變率相對(duì)較大，但隨著應(yīng)變的增加而減小，形變率最后會(huì)達(dá)到一個(gè)最小值并接近于常數(shù)，這個(gè)階段就是穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的應(yīng)變率稱為蠕變應(yīng)變率。在第三階段，由于頸縮現(xiàn)象，應(yīng)變率隨著應(yīng)變的增大呈指數(shù)性增長(zhǎng)。

由于深海輸油管道聚氨酯彈性體保溫層的蠕變是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因此它一般與時(shí)間、應(yīng)力和溫度相關(guān)，公式如下：

式中ε——總應(yīng)變；

ε0——蠕變開始時(shí)的應(yīng)變；

t——蠕變時(shí)間；

σ——蠕變的應(yīng)力水平；

Q——活化能；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度；

a0、n和m——材料常數(shù)。

在相同的溫度和加載應(yīng)力下，Q、R、T都是常數(shù)，公式（9）可簡(jiǎn)化為：

式中的k與蠕變加載載荷、溫度密切相關(guān)，載荷越大，溫度越高，k值越大。

3 聚氨酯彈性體保溫管道保溫材料蠕變?cè)囼?yàn)裝置與試驗(yàn)過(guò)程

設(shè)計(jì)搭建的聚氨酯彈性體保溫管道保溫材料蠕變?cè)囼?yàn)裝置如圖3所示，裝置主要由長(zhǎng)期抗蠕變?cè)囼?yàn)架、測(cè)力傳感器、液壓裝置組成。長(zhǎng)期抗蠕變?cè)囼?yàn)架如圖4所示，由試驗(yàn)鋼架、下壓頂架以及下壓弧面組成。試驗(yàn)樣品放置在試驗(yàn)鋼架限位上，液壓裝置放置在下壓頂架托盤架上，通過(guò)測(cè)力傳感器向試驗(yàn)鋼架頂梁施加上推力。下壓頂架通過(guò)反作用力經(jīng)下壓弧面對(duì)試驗(yàn)樣品測(cè)試段持續(xù)施加下壓力，下壓圓弧面應(yīng)與試驗(yàn)樣品頂部充分貼合。樣品管在下壓試驗(yàn)前應(yīng)通入循環(huán)熱介質(zhì)并保持穩(wěn)定。在下壓頂架上安裝位移傳感器以測(cè)試保溫材料受壓縮后的徑向位移量。

圖3 管道保溫材料蠕變?cè)囼?yàn)裝置

圖4 長(zhǎng)期抗蠕變?cè)囼?yàn)架示意

本次試驗(yàn)的樣品尺寸如圖5所示，工作鋼管外徑為219 mm，管段長(zhǎng)度為600 mm，管段中部保溫層厚為75 mm，寬度為200 mm。保溫層中部測(cè)試段A為受壓段，寬100 mm，測(cè)試段兩邊為隔熱段B，測(cè)試段與隔熱段之間切割出寬度小于4 mm的兩個(gè)隔熱切口，切口貫穿保溫層直達(dá)工作鋼管表面，并垂直于工作鋼管軸線。

圖5 保溫管試驗(yàn)樣品尺寸

保溫材料蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程如下：

（1）將切好隔熱切口的試樣置于（23±2）℃的環(huán)境中，安裝在蠕變?cè)囼?yàn)架上，如圖3所示。

（2）將試樣連接到導(dǎo)熱油循環(huán)加熱系統(tǒng)，循環(huán)升溫到95℃，周圍環(huán)境溫度保持（23±2）℃不變，待系統(tǒng)充分穩(wěn)定后，進(jìn)行抗蠕變性能試驗(yàn)。

（3）設(shè)置好下壓頂架的位移傳感器，用液壓裝置緩慢施加頂壓力至24 kN，保溫層壓縮變形量為原厚度的5%，待穩(wěn)定后記錄百分表起始位移量及相關(guān)參數(shù)。

（4）設(shè)置好測(cè)力傳感器控制程序，以保證液壓裝置能自動(dòng)及時(shí)補(bǔ)壓。

（5）施壓運(yùn)行30 d，并定時(shí)記錄百分表位移量。

4 保溫材料蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)推算

此次蠕變?cè)囼?yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)溫度為95℃，被測(cè)保溫管保溫材料蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)

其中徑向位移增量Δε為到試驗(yàn)時(shí)間時(shí)，試樣的壓縮總應(yīng)變減去蠕變?cè)囼?yàn)開始時(shí)的壓縮應(yīng)變，即：

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)創(chuàng)建雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線，橫坐標(biāo)為記錄時(shí)間，縱坐標(biāo)為徑向位移增量，如圖6所示。

圖6 保溫材料蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

根據(jù)不同時(shí)間記錄的位移數(shù)據(jù)，通過(guò)擬合可得出保溫材料的蠕變公式。將式（10）兩邊取常用對(duì)數(shù)，得到式（12）、（13）：

將表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到式（14）：

由此得到保溫材料的蠕變公式：

依據(jù)式（15）可推算試驗(yàn)管道保溫材料使用13年（113 880 h）時(shí)的徑向位移增量為4.41 mm，徑向位移增量為原始保溫層厚度（75 mm）的5.9%。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文所述聚氨酯彈性體保溫管保溫材料抗蠕變性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法與裝置是參照GB/T 29046-2012《城鎮(zhèn)供熱預(yù)制直埋保溫管道技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)方法》中直埋保溫管道保溫材料抗蠕變性能試驗(yàn)方法和GB/T 19242-2003《硫化橡膠在壓縮或剪切狀態(tài)下蠕變的測(cè)定》中壓縮蠕變的測(cè)定方法設(shè)計(jì)的。

（2）試驗(yàn)裝置可模擬測(cè)試聚氨酯彈性體保溫管道保溫層在海底不同輸送介質(zhì)溫度和水深條件下的抗壓縮蠕變性能，但與直埋保溫管道的測(cè)試條件不同，海底單鋼管濕式保溫輸油管道，其保溫層所受的海水壓力是環(huán)向近似均勻的受壓。如第二章所述，管道保溫層可看作兩端無(wú)限長(zhǎng)的厚壁圓筒，保溫層受到有約束的均勻壓力，其徑向壓縮量受海底水壓、保溫層尺寸、保溫材料自身物理性能的影響。對(duì)于這種有約束的單一徑向壓縮，相對(duì)于無(wú)約束的相同壓力下的變形量是很小的，而上述的蠕變?cè)囼?yàn)是無(wú)約束單一徑向壓縮，保溫材料受環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的約束較小，徑向壓縮量會(huì)比較大。

（3）本文所述蠕變?cè)囼?yàn)方法及其結(jié)果，用于不同保溫材料、工藝的保溫管之間的性能比較，具有較高的參考價(jià)值。該方法可模擬管道長(zhǎng)期輸送熱介質(zhì)條件，可用于研究介質(zhì)溫度對(duì)保溫材料在持續(xù)受壓條件下物理性能的影響。但由于壓縮方式不同，采用本文介紹的蠕變?cè)囼?yàn)方法推算出的徑向位移增量，并不等同于實(shí)際工程中海底輸油管道長(zhǎng)期使用時(shí)保溫材料的蠕變量，兩者之間的關(guān)系需經(jīng)進(jìn)一步的分析計(jì)算得到。

[1]李福寶.過(guò)程裝備力學(xué)分析[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[2]Donald R，Askeland，Pradeep Pé.The Science and Engineering of Materials（Fourth Edition）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]龐海燕，敬仕明，溫茂萍，等.溫度對(duì)聚氨酯泡沫材料力學(xué)性能影響的研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，16（?？? 121-1 124.

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[5]GB/T19242-2003，硫化橡膠在壓縮或剪切狀態(tài)下蠕變的測(cè)定[S].

[6]王志剛，相政樂，吳學(xué)峰，等.雙環(huán)氧防腐配重管三種防滑脫工藝試驗(yàn)研究[J].石油工程建設(shè)，2014，40（3）：1-4.

Test Research on Creep Resistance of Polyurethane Elastomer as Thermal Insulation Materialfor Subsea OilPipeline

Yang Jiadong1，BaiDongjun2，Zhang Xiaoling1，F(xiàn)eng Wenliang2，Zheng Zhongsheng3，Peng Jingkai2
1.CNOOC（Tianjin）Pipeline Engineering Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.Beijing Fourth Construction Engineering Quality Inspection Institute，Beijing 100011，China
3.Haotian Energy-saving Equipment Co.，Ltd.，Cangzhou 061300，China

The mechanical and creep properties of polyurethane elastomer as thermal insulation layer of subsea wet-type thermal insulation oil pipeline are very important parameters.This paper analyzes the forces on polyurethane elastomer thermalinsulation layer of subsea pipeline on seafloor,calculates the compressive deformation of the layer, and designs the creep test device for polyurethane elastomer,then gives the creep test procedure and the test results based on a practicalinstance.

subsea oilpipeline；polyurethane elastomer；thermalinsulation meterial；mechanicalproperty；creep resistance

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX05026-005）

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.003

2014-07-14

楊加棟（1977-），山東德州人，工程師，2008年畢業(yè)于天津理工大學(xué)，碩士，主要從事海洋石油管道技術(shù)研究及開發(fā)工作。