熱殘余應(yīng)力對3PE管防腐層剝離的有限元分析

李經(jīng)韜，陳樹仁，張振環(huán)，彭星煜，尹黨強(qiáng)

1中油管道物資裝備有限公司，河北 廊坊

2西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都

3中國石油管道工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

輸送油、氣的管道大多處于復(fù)雜的土壤環(huán)境中，所輸送的介質(zhì)也多有腐蝕性，管道內(nèi)壁和外壁都可能遭到腐蝕。一旦管道被腐蝕穿孔，即造成油、氣泄露，不僅使運(yùn)輸中斷，而且會污染環(huán)境，甚至可能引起火災(zāi)，造成危害。3PE管防腐管道采用的環(huán)氧底漆、中間聚乙烯粘結(jié)層和外層聚乙烯保護(hù)層3層結(jié)構(gòu)，具有良好的抗腐蝕性、抗水氣滲透性以及力學(xué)性能[1]。

針對國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的3PE管道防腐層投產(chǎn)后短期內(nèi)粘結(jié)失效案例，研究認(rèn)為防腐層剝離與防腐材料和鋼管底材之間加熱過程不協(xié)調(diào)所產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力有關(guān)[2]。防腐層涂覆過程中，由于管體、環(huán)氧底漆、粘結(jié)劑和外保護(hù)層的使用材料并不相同，熱膨脹系數(shù)存在較大差異，防腐層系統(tǒng)產(chǎn)生比較高的熱殘余應(yīng)力。當(dāng)局部殘余應(yīng)力超過了因?yàn)樗疂B透而降低的防腐層剩余粘結(jié)強(qiáng)度時，就會發(fā)生防腐層剝離[3]。

2.有限元分析理論

基于3PE管涂覆結(jié)束后水冷卻階段因溫變產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力案例，分析研究利用ABAQUS在熱輻射、熱對流模擬方式上的解決方案。預(yù)制3PE鋼管工藝流程中，管體在纏繞聚乙烯保護(hù)層后通過水冷進(jìn)行冷卻，冷卻過程中并未經(jīng)歷快速、劇烈的形變，不存在機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度場對應(yīng)力場無依賴關(guān)系，故適合采用順序熱應(yīng)力耦合進(jìn)行求解。聚乙烯和環(huán)氧底漆可以近似認(rèn)為是一種超彈性橡膠材料。對于橡膠材料，在一定變形范圍內(nèi)采用Von Mises等效應(yīng)力來確定模型中的應(yīng)力分布。它可以清晰描述出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布，從而可以快速確定模型中的最危險區(qū)域。

3.模型建立

3PE管的管壁厚度與直徑相比較小，是一種典型的薄壁結(jié)構(gòu)。建立管體的軸對稱模型即可進(jìn)行精確的分析。工程中采用的3PE管外保護(hù)層是纏繞上去的，且有一定寬度，所以取包含一個或幾個典型寬度的管長進(jìn)行研究即可。綜合考慮實(shí)際情況與數(shù)值仿真的可行性，所模擬管體的參數(shù)見表1。模擬中假設(shè)各材料參數(shù)與溫度無關(guān)，各材料參數(shù)見表2。

Table 1.The geometric parameters of analog pipe body表1.模擬管體的幾何參數(shù)

Table 2.The material parameter of 3PE anticorrosion pipe表2.3PE防腐管材料參數(shù)

初始條件設(shè)置：實(shí)際制管工藝中，管體首先被預(yù)熱到250℃ (最高不超過275℃)，然后再進(jìn)行其他工藝。因此，計算模型的初始時刻整個管體的初始溫度為250℃。

邊界條件設(shè)置：水冷邊界可以通過熱對流邊界條件進(jìn)行模擬。管壁內(nèi)側(cè)與空氣接觸，空氣實(shí)際的溫度也會比較高，而且空氣流動不大，所以熱對流現(xiàn)象不明顯，主要是熱輻射效應(yīng)，熱輻射系數(shù)采用0.8。在計算應(yīng)力的分析步中，還需定義位移邊界條件和管體尾端在軸向的位移約束。

接觸設(shè)置：在管體—環(huán)氧底漆，環(huán)氧底漆—粘結(jié)劑，粘結(jié)劑—聚乙烯保護(hù)層之間通過Tie約束建立接觸面兩側(cè)結(jié)構(gòu)的完全剛性連接約束。

根據(jù)幾何模型建立有限元模型。熱傳導(dǎo)模擬中采用熱傳導(dǎo)CAX4單元(4節(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱單元)，模型和材料的參考溫度設(shè)置為室溫20℃，物理時間設(shè)置為60 s。

4.仿真結(jié)果分析

1)溫度場分布。由于防腐層外側(cè)采用水冷邊界，所以溫度變化較大，防腐層大部分區(qū)域溫度降到50℃以下。管體內(nèi)壁采用的是輻射散熱，熱輻射效應(yīng)不明顯，所以管體溫度仍然較高，環(huán)氧底漆的溫度介于管體和聚乙烯保護(hù)層之間。

2)變形場分布。3PE管防腐層涂覆區(qū)域內(nèi)變形場分布如圖1所示，可以看出，最大變形發(fā)生在管端截短防腐層補(bǔ)口預(yù)留處。其中補(bǔ)口預(yù)留處的PE外防護(hù)層的形變量大于中間粘結(jié)劑層，熔接環(huán)氧(FBE)底漆層的變形量最小，這是由于環(huán)氧底漆的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于粘結(jié)層(大約是粘結(jié)層的1/10)。從形態(tài)上看，環(huán)氧底漆因溫度降低導(dǎo)致的變形要小于粘結(jié)層。

Figure 1.The distribution of deformation field of 3 PE pipe coatings圖1.3PE管防腐層變形場分布

3)應(yīng)力場分布。3PE管防腐層涂覆區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場分布如圖2所示，可以看出，熱殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在管端截短防腐層補(bǔ)口預(yù)留處。在FBE底漆層最為明顯，其熱殘余應(yīng)力比鄰近的粘結(jié)劑層高320%。雖然FBE底漆層其產(chǎn)生的形變較小，但是由于其彈性模量要遠(yuǎn)大于粘結(jié)層的彈性模量(約80倍)，所以FBE底漆的應(yīng)力反而要大于粘結(jié)層。

Figure 2.The distribution of stress field of 3 PE pipe coatings圖2.3PE管防腐層應(yīng)力場分布

通過觀測和分析Mises應(yīng)力分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)在3PE管防腐層涂覆后，經(jīng)過水冷卻，3PE防腐層在60 s內(nèi)溫度由250℃急劇減少到50℃左右，熱殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在管端截短防腐層的角上，在基材與FBE底漆層熱殘余應(yīng)力最大，同時在補(bǔ)口預(yù)留處的PE外防護(hù)層出現(xiàn)明顯形變。若基材與FBE底漆層在外界環(huán)境影響下導(dǎo)致層間粘合力小于熱殘余應(yīng)力，就會產(chǎn)生管端防腐層翹邊剝離現(xiàn)象。

5.管端截短防腐層區(qū)域熱殘余應(yīng)力分析

分析了FBE底漆層膜厚度、粘結(jié)劑膜厚度、聚乙烯保護(hù)層厚度以及聚乙烯保護(hù)層在預(yù)留段的收尾形狀等參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響，對3PE防腐鋼管管端截短防腐層區(qū)域的熱殘余應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)研究，利用有限元分析軟件觀測各工況條件下熱殘余應(yīng)力的分布情況。

5.1.FBE底漆層膜厚度的影響

通過分析不同F(xiàn)BE底漆層膜厚度下最大熱殘余應(yīng)力值(見表3)，可以看出，隨著FBE底漆層膜厚度的增加，最大軸向熱殘余應(yīng)力和最大環(huán)向熱殘余應(yīng)力均緩慢變小，徑向熱殘余應(yīng)力變大。Mises等效應(yīng)力值隨著FBE底漆層膜厚度的增加而緩慢增加，當(dāng)?shù)灼釋幽ず穸仍黾?3%時，Mises等效應(yīng)力僅增加4%。說明FBE底漆層膜厚度對Mises等效應(yīng)力的影響比較小。

Table 3.The max thermal residual stress under different thickness of FBE primer film表3.不同F(xiàn)BE底漆層膜厚度工況下最大熱殘余應(yīng)力值

5.2.中間粘結(jié)劑層膜厚度的影響

通過分析不同中間粘結(jié)劑層膜厚度下最大殘余應(yīng)力(見表4)，可以看出，隨著中間粘結(jié)劑層膜厚度的增加，各個應(yīng)力分量緩慢減小，Mises等效應(yīng)力變大，粘結(jié)劑層膜厚度的增加對熱殘余應(yīng)力幾乎沒有影響。

Table 4.The max thermal residual stress under different thickness of intermediate adhesive layer film表4.不同中間粘結(jié)劑層膜厚度工況下最大熱殘余應(yīng)力值

5.3.PE外防護(hù)層膜厚度的影響

通過分析不同PE外防護(hù)層膜厚度下最大殘余應(yīng)力(見表5)，可以看出，隨著PE外防護(hù)層膜厚度的增加，所有應(yīng)力分量都隨之增加，尤其是徑向熱殘余應(yīng)力增大顯著。說明PE外防護(hù)層膜厚度的增加不利于降低管道預(yù)制工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

Table 5.The max thermal residual stress under different thickness of external PE coating layer film表5.不同PE外防護(hù)層膜厚度工況下最大熱殘余應(yīng)力值

5.4.管端截短防腐層收尾形狀的影響

圖3是當(dāng)坡度為30°，Mises等效應(yīng)力為15.46 MPa時的等效應(yīng)力圖，可以發(fā)現(xiàn)，3個應(yīng)力分量都降低，但是降低的幅度不相同，環(huán)向熱殘余應(yīng)力變化幅度較小，徑向熱殘余應(yīng)力變化非常明顯，此時的管端截短防腐層收尾形狀比垂直形狀時徑向熱殘余應(yīng)力減小85%左右。所以，相比較垂直收尾形狀，有一定角度的收尾形狀能夠有效降低熱殘余應(yīng)力。表6為不同收尾坡度下的最大熱殘余應(yīng)力，對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角度為30°時，最大熱殘余應(yīng)力最小，因此該角度為最佳收尾角度。

Figure 3.Mises equivalent stress diagram (30° tail shape)圖3.Mises等效應(yīng)力圖(30°收尾形狀)

Table 6.The max thermal residual stress under different tail slopes表6.不同坡口收尾坡度下最大熱殘余應(yīng)力

6.結(jié)論

1)FBE底漆膜厚度的增加會相應(yīng)增加3PE管的熱殘余應(yīng)力，但其影響可以忽略。防腐鋼管在破損風(fēng)險大的環(huán)境下，可以適當(dāng)增加FBE底漆膜厚度。

2)中間粘結(jié)劑層膜厚度的增加對熱殘余應(yīng)力幾乎沒有影響。

3)PE外防護(hù)層膜厚度是影響FBE底漆與基材間的熱殘余應(yīng)力的主要因素。隨著聚乙烯保護(hù)層厚度的增加，管道預(yù)制工藝產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力相應(yīng)增加。

4)相比較垂直收尾的情況，有一定角度的收尾能夠有效降低熱殘余應(yīng)力，采用30°的收尾坡度時最大熱殘余應(yīng)力最小。