基于層次分析法的玻璃鋼管失效因素評價

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(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083； 2. 河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071002；3. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

基于層次分析法的玻璃鋼管失效因素評價

楊麗穎1,2,董小平2,聶百勝1,王修云3

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083； 2. 河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071002；3. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

模擬玻璃鋼管現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境，對玻璃鋼管進行了腐蝕試驗和環(huán)向拉伸測試，計算出在溫度、NaCl含量、CO2分壓、H2S分壓、應(yīng)力5個因素共同作用下玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失率。采用層次分析法根據(jù)環(huán)向拉伸強度損失率計算各單因素對環(huán)向拉伸強度損失的權(quán)重。結(jié)果表明:各因素對玻璃鋼環(huán)向拉伸強度損失的影響大小依次為溫度、應(yīng)力、H2S分壓、CO2分壓、NaCl含量。

層次分析法；玻璃鋼管；環(huán)向拉伸強度損失率；溫度；CO2

玻璃鋼管具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、安裝方便、不污染輸送介質(zhì)等優(yōu)點,且與相同口徑鋼管相比輸送介質(zhì)流速大，可降低工程總投資，因而被廣泛用于原油和天然氣集輸、化學(xué)廢水及污水處理、鹽水注入、CO2回收等中高壓流體的輸送管線。但玻璃鋼管在其服役過程中也會出現(xiàn)纖維和樹脂基體脫離、力學(xué)性能減弱等不利現(xiàn)象。玻璃鋼管服役時的環(huán)境因素，如水分子、溫度、壓力會影響其力學(xué)性能[1]。STOCCHI等[2-4]研究發(fā)現(xiàn)，水易浸入環(huán)氧樹脂的空隙或縫隙等處，會導(dǎo)致基體樹脂溶脹、結(jié)構(gòu)破壞，降低基體的界面剪切強度等。RAMI等[5]的研究結(jié)果表明，隨著浸泡時間的延長和溫度的升高，玻璃鋼管的拉伸強度降低。ESLAMI等[6]發(fā)現(xiàn)NaCl對玻璃鋼中樹脂基體與碳纖維的界面粘結(jié)強度有持續(xù)弱化的作用。在石油輸送過程中存在CO2、H2S等酸性氣體，這些腐蝕性氣體會與玻璃鋼發(fā)生腐蝕化學(xué)反應(yīng)，嚴重影響其力學(xué)性能[6-10]。目前，針對玻璃鋼服役過程中力學(xué)性能的影響因素已有相關(guān)報道，但影響因素一般不超過三個，而關(guān)于多因素協(xié)同影響其力學(xué)性能的研究還鮮有報道。為此，本工作根據(jù)玻璃鋼現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境設(shè)計了失效模擬試驗，研究了多因素影響下的玻璃鋼環(huán)向拉伸強度損失，然后采用層次分析法確定各因素對玻璃鋼環(huán)向拉伸強度損失的權(quán)重，明確影響玻璃鋼環(huán)向拉伸強度損失的主要影響因素。

1 試驗

試驗溶液的基礎(chǔ)成分見表1，pH為5.20。試驗材料為芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼管(以下稱玻璃鋼管)，試驗設(shè)備為高溫高壓反應(yīng)釜。

表1 試驗溶液的基礎(chǔ)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1 Basic components in experimental solution (mass) %

將配制好的試驗溶液置于反應(yīng)釜內(nèi)，通入N2除氧12 h，再通入H2S/CO2混合氣體或CO2氣體，分別升溫到試驗溫度，對試樣加載應(yīng)力，試驗周期為240 h。根據(jù)芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼在油氣田中的服役環(huán)境，用11種試驗條件對其進行了模擬，具體試驗參數(shù)設(shè)置見表2。其中，將含有H2S/CO2混合氣體的試驗條件分別標記為1～6號，含有CO2氣體的試驗條件分別標記為7～11號。試驗結(jié)束后，采用萬能拉伸試驗機按照NACE TM0298-2003標準對試樣進行拉伸測試，得到環(huán)向拉伸強度，拉伸速率為2 mm/min。根據(jù)環(huán)向拉伸強度計算環(huán)向拉伸強度損失率。

表2 不同試驗條件下的試驗參數(shù)Tab. 2 Experimental parameters in different test conditions

采用層次分析法對各因素進行分析，分析步驟依次為：建立層次模型，構(gòu)造成對比較陣，計算權(quán)向量并做一致性檢驗，計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)向拉伸強度損失

圖1為各試驗條件下玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率。由圖1可見，在不同試驗條件下，玻璃鋼的環(huán)向拉伸強度損失率不同：在3號試驗條件下，玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率相對較大，達到13%；而在1號試驗條件下，玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率相對較低，為7.5%；在其他條件下，玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率介于上述兩種試驗條件之間。這是由CO2分壓、H2S分壓、NaCl含量、溫度、應(yīng)力等因素共同作用的結(jié)果。

圖1 各試驗條件下玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率Fig. 1 Circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe in different conditions

溫度及應(yīng)力加載對玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失率如圖2所示。由圖2可知：在同一溫度下，應(yīng)力加載后玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率大于未加載應(yīng)力時的；且不同溫度下，應(yīng)力加載前后環(huán)向拉伸強度損失率的增幅也不同， 70 ℃和90 ℃時環(huán)向拉伸強度損失率增幅分別為18.28%，39.33%，這說明90 ℃下，應(yīng)力加載前后玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失率大于70 ℃下的。由此可見，溫度與應(yīng)力加載對玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率都有影響。

圖2 溫度及應(yīng)力加載對玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失率的影響Fig. 2 Effects of temperature and loading stress on circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe

NaCl含量改變時玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率如圖3所示。由圖3可知:隨NaCl含量的變化，環(huán)向拉伸強度損失率也發(fā)生改變,但變化不明顯。以100 g·L-1為基準(環(huán)向拉伸強度損失率為13.9%)，當NaCl質(zhì)量濃度為200,350 g·L-1時，環(huán)向拉伸強度損失率提高幅度分別為3.60%,7.19%。

圖3 NaCl含量對玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失率的影響Fig. 3 Effect of NaCl content on circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe

圖4 氣體介質(zhì)對玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失率的影響Fig. 4 Effect of gas medium on circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe

圖4為氣體介質(zhì)對玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失率的影響。由圖4可知：介質(zhì)為單一CO2氣體時，70 ℃下玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率比90 ℃下的增加了17.11%，而介質(zhì)為H2S/CO2混合氣體時，增加了54.04%。這說明，溫度較高更易導(dǎo)致玻璃鋼管在此條件下發(fā)生環(huán)向斷裂。另外，在70 ℃下，采用單一CO2氣體時的環(huán)向拉伸強度損失率比采用H2S/CO2混合氣體時的提高了5.92%，而在90 ℃下該損失率提高了39.33%。這說明H2S/CO2混合氣體介質(zhì)對玻璃鋼管的環(huán)向斷裂影響相對較大。

2.2 層次分析法確定各因素對玻璃鋼強度損失的權(quán)重

根據(jù)試驗結(jié)果，定性判斷各因素對玻璃鋼管的影響，然后通過兩兩影響因素賦值比較，構(gòu)建比較矩陣，定量計算各因素的權(quán)重值[11]。根據(jù)已經(jīng)建立的因素集，構(gòu)建影響玻璃鋼失效因素的層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)圖1～4的試驗結(jié)果以及基于層次分析法確定各個因素的影響大小。

圖5 玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失的層次結(jié)構(gòu)Fig. 5 Analytic hierarchy process structure of the fiber reinforced plastics tube strength loss

建立化學(xué)介質(zhì)(H2S分壓、CO2分壓、NaCl含量)影響的兩兩比較矩陣A1見式(1)。

根據(jù)

計算得λ1為矩陣A1的特征根和特征向量分別為λ1=3.038 5；W1=(0.916 1,0.371 5,0.150 6)。

基于化學(xué)介質(zhì)影響因素以及λ值，按式(3)計算得一致性指標CI為0.091 25。

式中：n為化學(xué)介質(zhì)影響因素，取3。

按式(4)計算得一致性比例CR為0.033 19，小于0.1。

式中：RI為隨機一致性指標，為0.58。

計算的一致性比例在可接受的范圍內(nèi)，對矩陣A1的特征向量進行歸一化處理，見式(5)～(7)。

因此，最終對特征向量歸一化處理得到化學(xué)介質(zhì)對玻璃鋼環(huán)向拉伸強度損失的權(quán)重集為

同理，建立其他條件因素(溫度、應(yīng)力)影響的兩兩比較矩陣A2，見式(9)。

計算得矩陣A2的特征根和特征向量分別為λ2=2.000 0；W2=(0.948 7，0.316 2)。此矩陣為一致性正反判斷矩陣，不需一致性檢驗，其一致性可接受。歸一化得到權(quán)重集W2=(0.750 0，0.250 0)

建立化學(xué)介質(zhì)影響和其他環(huán)境影響的組合權(quán)向量兩兩比較矩陣見式(10)。

計算得A的特征根和特征向量分別為λ=2.000 0，W=(0.316 2，0.948 7)。此矩陣為一致性正反判斷矩陣，不需一致性檢驗，其一致性可接受。歸一化得到權(quán)重集W=(0.250 0，0.750 0)

基于以上結(jié)果，H2S分壓、CO2分壓、NaCl含量、溫度和應(yīng)力對玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失的權(quán)重分別為各因素在權(quán)重集W1和W2中對應(yīng)的權(quán)重數(shù)乘以在權(quán)重集W中對應(yīng)的權(quán)重數(shù)，即：

因此，對于玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失的權(quán)重的順序為溫度>應(yīng)力>H2S分壓>CO2分壓>NaCl含量。

3 結(jié)論

(1) 在H2S分壓為100 kPa，CO2分壓為200 kPa，鹽質(zhì)量濃度為200 g·L-1，溫度為85 ℃條件下，玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失率相對較低；加載應(yīng)力后環(huán)向拉伸強度損失率幅度比未加載應(yīng)力時更為明顯。H2S/CO2混合介質(zhì)對玻璃鋼的環(huán)向斷裂影響相對較大。

(2) 基于層次分析法研究表明，各因素對玻璃鋼管的環(huán)向拉伸強度損失的影響順序為溫度>應(yīng)力>H2S分壓>CO2分壓>NaCl含量，溫度是影響玻璃鋼管環(huán)向拉伸強度損失的主要因素。

[1] 孟 瑤，許立寧，路民旭. 油田用玻璃鋼管道的使用和評價現(xiàn)狀[J]. 腐蝕與防護，2012,33(8):664-666.

[2] STOCCHI A,PELLICANO A,ROSSI J P,et al. Physical and water aging of glass fiber-reinforced plastic pipes[J]. Composite Interfaces,2006,13(8/9):685-697.

[3] RIDZUAN M J M,ABDUL MAJID M S,AFENDi M. Moisture absorption and mechanical degradation of hybrid Pennisetum purpureum/glass-epoxy composites[J]. Composite Structures,2016,40(2):110-162.

[4] TSENOGLOU C J，PAVLIDOU S，PAPASPYRIDES C D. Evaluation of interfacial relaxation due to water absorption in fiber-polymer composites[J]. Composites Science and Technology,2006,66(15):2855-2864.

[5] RAMI A H,ADI A O,JAMAL A A,et al. Temperature effect on the mechanical properties of carbon,glass and carbon-glass FRP laminates[J]. Construction and Building Materials,2015,75:342-348.

[6] ESLAMI S,HONARBAKHSH-RAOUF A,ESLAMI S. Effects of moisture absorption on degradation of E-glass fiber reinforced vinyl ester composite pipes and modelling of transient moisture diffusion using finite element analysis[J]. Corrosion Science,2015,90(7):168-175.

[7] DAVIES P,MAZEAS F,CASARI P. Sea water aging of glass reinforced composites:shear behavior and damage modeling[J]. Journal of Composite Materials,2001,35(15):1343-1372.

[8] JUSTIN T V,WILLIAM J K. Analysis of feed stream acid gas concentration effects on the transport properties and separation performance of polymeric membranes for natural gas sweetening:a comparison between a glassy and rubbery polymer[J]. Journal of Membrane Science,2014,465(9):107-116.

[9] VELIOGLU S，AHUNBAY M G，TANTEKIN-ERSOLMAZ S B. Investigation of CO2-induced plasticization in fluorinated polyimide membranes via molecular simulation[J]. Journal of Membrane Science,2012,417/418:217-227.

[10] BRIAN K S,WILLIAM J K,JOHNSON J R,et al. Dense film polyimide membranes for aggressive sour gas feed separations[J]. Journal of Membrane Science,2013,428:608-619.

[11] 姜啟源. 《數(shù)學(xué)模型》[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，2003.

EvaluationofFailureFactorsofFiberReinforcedPlasticPipeBasedonAnalyticHierarchyProcess

YANG liying1,2, DONG Xiaoping2, NIE Baisheng1, WANG Xiuyun3

(1. College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;2. College of Quality and Technical Supervision, Hebei University, Baoding 071002, China;3. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic (FRP) pipe was calculated under joint action of multi factors including temperature, NaCl content, CO2partial pressure, H2S partial pressure and stress by corrosion experiment simulating field application environments and tensile test along hoop. The weighting of circumferential tensile strength loss caused by each factor was calculated by analytic hierarchy process (AHP) on the basis of the obtained circumferential tensile strength loss rate. The evaluation results show that the strong-to-weak sequence for circumferential tensile strength loss rate of FRP pipe was temperature, stress, H2S partial pressure, CO2partial pressure and NaCl content.

analytic hierarchy process; fiber reinforced plastic (FRP) pipe; circumferential tensile strength loss rate； temperature； CO2

10.11973/fsyfh-201712012

TE985.8

A

1005-748X(2017)12-0959-04

2016-05-19

河北省自然科學(xué)基金(E2014201120); 河北省教育廳(Z2012168); 保定市科技局(12ZG018)

楊麗穎(1974-)，副教授，博士，從事材料腐蝕失效研究，0312-5097063，yangliying0116@163.com