柔性復(fù)合管剩余強(qiáng)度試驗(yàn)及失效機(jī)理研究*

齊國權(quán)，丁 楠，李厚補(bǔ)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國石油集團(tuán)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(hù)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)國外成熟的生產(chǎn)技術(shù)，有的則是自行設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行產(chǎn)品評定，有些生產(chǎn)廠不具備長期靜水壓試驗(yàn)條件[7-9]。

準(zhǔn)確地進(jìn)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(jì)劃和延長使用壽命都具有重要的理論意義和工程實(shí)際價(jià)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(qiáng)度的測定。該標(biāo)準(zhǔn)雖然節(jié)省了大量時(shí)間，但是還是需要1年時(shí)間用來做測定，另外試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)過多，給實(shí)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(yàn)結(jié)合水壓爆破試驗(yàn)來測試該批管材剩余強(qiáng)度的方法，并對不同靜水壓時(shí)間下對應(yīng)的剩余強(qiáng)度值進(jìn)行數(shù)值擬合，最終進(jìn)行管材壽命預(yù)測。

1 靜水壓和爆破試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

靜水壓和爆破試驗(yàn)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(hù)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(hù)層材質(zhì)為PE。

圖1 試驗(yàn)用柔性復(fù)合高壓輸送管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)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(shí)長的靜水壓試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)，以此確定剩余強(qiáng)度。試驗(yàn)步驟如下：

1)確定管材進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)所需要壓力

對所選取的管材進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)GB/T 6111-2003進(jìn)行，試驗(yàn)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(jì)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(jìn)行靜水壓試驗(yàn)

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(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試樣選取及試驗(yàn)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(jià)試驗(yàn)方案

3)進(jìn)行爆破試驗(yàn)

按照GB/T 15560-1995標(biāo)準(zhǔn)對靜水壓試驗(yàn)后的管材試樣進(jìn)行爆破試驗(yàn)，對在不同時(shí)間下完成靜水壓試驗(yàn)的試樣分別測試其剩余爆破強(qiáng)度。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(rèn)為該組數(shù)據(jù)正常。

4)數(shù)據(jù)處理及損傷機(jī)理分析

對剩余爆破強(qiáng)度值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從而對管材壽命進(jìn)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(qiáng)層材料的原始試樣和失效后試樣的微觀形貌進(jìn)行觀測，分析其損傷機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剩余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

所抽取的12根試樣的靜水壓試驗(yàn)均未發(fā)生泄漏，隨后對這12根不同時(shí)間段下完成靜水壓的試樣進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。由于一定時(shí)間段下的靜水壓試驗(yàn)就是模擬了該時(shí)間段下的實(shí)際服役，隨后爆破試驗(yàn)所得的爆破強(qiáng)度即為剩余強(qiáng)度，剩余強(qiáng)度試驗(yàn)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(yàn)后形貌如圖2所示，爆破位置位于管體，裂紋沿增強(qiáng)層纏繞角度延展，與管體軸向呈60°夾角。

分別以靜水壓時(shí)間的對數(shù)和剩余強(qiáng)度值的對數(shù)作為橫縱坐標(biāo)，利用線性回歸法進(jìn)行數(shù)值擬合，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，回歸曲線如圖3所示。由圖3可知，剩余強(qiáng)度值y與管材壽命時(shí)間x的關(guān)系為：y=78.865-4.493ln(x)，計(jì)算可知，當(dāng)剩余強(qiáng)度值為最大工作壓力的1.5倍(24 MPa)時(shí)，x值為201 032 h，合計(jì)約22.9 a，該壽命預(yù)測數(shù)值大于管體設(shè)計(jì)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(shí)，在20 a內(nèi)可安全運(yùn)行。

表2 復(fù)合管在90 ℃靜水壓試驗(yàn)后剩余強(qiáng)度

圖2 2根試樣爆破試驗(yàn)后形貌

圖3 靜水壓-剩余強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值擬合

然而，在實(shí)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(yàn)中僅對恒定的溫度和壓力因素進(jìn)行考慮，可以作為管材是否能用于同等或低于試驗(yàn)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(jìn)行綜合考慮[10]。

2.2 復(fù)合管損傷機(jī)理分析

為了進(jìn)一步明確復(fù)合管爆破失效機(jī)理，對內(nèi)壓主要承受者的增強(qiáng)層進(jìn)行損傷機(jī)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(gè)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(qiáng)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(kuò)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(jìn)一步擴(kuò)展就受到抑制[13]。當(dāng)施加應(yīng)變足夠低時(shí)，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(jìn)而基體裂紋繼續(xù)擴(kuò)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(kuò)展[14]。

隨著開裂的進(jìn)一步發(fā)生，裂紋擴(kuò)展并發(fā)生耦合，當(dāng)擴(kuò)展至界面時(shí)，玻璃纖維發(fā)生脫膠現(xiàn)象并與基體分層。界面強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)一步加大了復(fù)合材料疲勞損傷擴(kuò)展的速度和程度。

最后，纖維斷裂而導(dǎo)致增強(qiáng)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(diǎn)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(shí)，單一纖維在纖維最薄弱點(diǎn)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?；w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(shí)，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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)度平均值值下降15%左右。隨著溫度的上升，分子熱運(yùn)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(yàn)形貌

3 結(jié) 論

1)通過對玻璃鋼帶增強(qiáng)的柔性復(fù)合高壓輸送管的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)測試，該復(fù)合管預(yù)測壽命約22.9年，滿足其設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)一步發(fā)生，裂紋擴(kuò)展并發(fā)生耦合，當(dāng)擴(kuò)展至界面時(shí)，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(qiáng)層材料整體失效，即出現(xiàn)管體爆裂情況。