新型深水夾層管道靜水壓潰實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

付光明， 彭玉丹， 楊健坤， 安 晨

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580；2.里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué),巴西 里約熱內(nèi)盧 21941-970；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程研究院，北京 102249)

0 引 言

隨著陸上油氣資源的日趨枯竭，油氣勘探開發(fā)逐漸向海洋轉(zhuǎn)移。南海蘊(yùn)藏著近300億桶油氣當(dāng)量資源，近年來越來越受到重視。為適應(yīng)海洋油氣資源開發(fā)向更深更遠(yuǎn)方向發(fā)展，開發(fā)兼?zhèn)淇箟汉捅匦阅艿暮５坠艿涝絹碓绞艿街匾?，例如，深水管中?Pipe-in-Pipe,PIP)和夾層管(SP)的概念相繼被提出。Kyriakides等[1-2]通過實(shí)驗(yàn)手段研究了PIP管道的深水壓潰行為。Sato等[3]提出了基于最小勢(shì)能原理的外壓作用下管中管彈性失穩(wěn)計(jì)算方法。Gong等[4]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段研究了深水PIP系統(tǒng)的屈曲傳播特性。深水夾層保溫管線作為深水油氣輸運(yùn)的新概念管線，兼?zhèn)淞己玫目箟汉捅匦阅?，可為南海水深水油氣的輸運(yùn)安全提供必要的支撐，受到了廣泛關(guān)注[5-8]。An等[9-11]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了基于應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料的夾層保溫管在外壓作用下的壓潰行為。付光明等[12-13]研究了不同夾層材料以及夾層管缺陷幾何尺寸特征對(duì)夾層管抗壓潰強(qiáng)度的影響。龔順風(fēng)等[14]研究了外壓作用下夾層管道的非線性屈曲失穩(wěn)機(jī)理，并利用數(shù)值模擬的方法分析了夾層管層間黏結(jié)性能、內(nèi)外管道的初始橢圓度、內(nèi)外管道徑厚比以及材料力學(xué)參數(shù)等對(duì)夾層管外壓失穩(wěn)規(guī)律的影響。Arjomandi等[15]利用數(shù)值模擬手段研究了夾層管抗彎曲變形行為，為夾層管的S型和卷筒式安裝提供了技術(shù)支撐。

由于PVA纖維加強(qiáng)的水泥基(SHCC)材料具有抗壓強(qiáng)度大、抗應(yīng)變能力強(qiáng)以及經(jīng)濟(jì)性好等的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于該水泥基材料的夾層保溫管，并通過實(shí)驗(yàn)手段研究了基于SHCC材料的夾層保溫管加工工藝可行性及其抗壓潰的性能。結(jié)果表明,該夾層管具備3 km水深條件下安全輸運(yùn)油氣的能力，同時(shí)也驗(yàn)證了本文所建立的加工工藝的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與步驟

1.1 SHCC制備

SHCC材料的配比(質(zhì)量配比):水泥488,細(xì)沙516,火山灰593,水360,塑性劑30,黏性劑3,PVA纖維29。放置于200 L容量的水泥攪拌容器內(nèi)充分?jǐn)嚢杌旌?，詳?xì)的操作程序如下：

(1) 將所需材料中的固相成分(水泥、火山灰和細(xì)沙等)以及黏性劑等放置于混合容器中，低速攪拌，確保充分混合，如圖1(a)所示。

(2) 加去離子水，低速攪拌30 s；而后，倒入一半體積的塑性劑，并快速攪拌1 min，如圖1(b)所示。

(3) 將另一半體積的塑性劑倒入攪拌容器內(nèi)，低速攪拌1 min，如圖1(c)所示。

(4) 待塑性劑全部加入后，高速攪拌容器內(nèi)的混合物1 min，而后靜置2 min，并利用工具檢查并攪拌容器底部未充分混合的材料，如圖1(d)所示。

(5) 再次進(jìn)行1 min的低速攪拌，同時(shí)加入PVA纖維材料，如圖1(e)所示。

(6) 靜置1 min，并確認(rèn)容器內(nèi)PVA纖維已充分混合。將容器內(nèi)的混合物快速攪拌2 min，確認(rèn)容器內(nèi)PVA纖維已充分混合后，即完成PVA纖維加強(qiáng)水泥基材料的制備。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

利用如圖2所示的塌落度測(cè)試，檢驗(yàn)SHCC材料的基本性能。而后，利用特殊設(shè)計(jì)的工具，制備夾層管中間夾層材料SHCC力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)試件。圖3所示為制備SHCC夾層材料實(shí)驗(yàn)試件和對(duì)中短節(jié)的模具。將充分混合好的夾層材料放置于加工的模具中，并利用振動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)振動(dòng)去除試件灌注過程中存在的氣泡，保證灌注試件的材料均勻。試件灌注完成后，連同模具一并放入21 °C恒溫恒濕的空間內(nèi)固結(jié)28 d。如圖4所示為固結(jié)完成后的實(shí)驗(yàn)試件和對(duì)中短節(jié)。

圖2 SHCC塌落度測(cè)試

1.2 SHCC基本力學(xué)性能測(cè)試

采用島津萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試SHCC材料的基本物理力學(xué)性能，如圖5所示。試件兩端通過特制的夾具加持，保證有效實(shí)驗(yàn)段的長(zhǎng)度為80 mm。通過緩慢加載的方式(0.1 mm/min)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)加載，研究其拉伸力學(xué)性能。圖6為試件拉伸破壞失效變形曲線，失效破壞前，試件表面可觀察到裂紋產(chǎn)生，持續(xù)加載，試件表面裂紋不斷增加，直至發(fā)生拉伸破壞失效，此時(shí)的最大應(yīng)變接近4%，平均拉伸強(qiáng)度為2.5 MPa。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該纖維加強(qiáng)水泥基材料其具有明顯的應(yīng)變加強(qiáng)特征和抗變形能力。

(a) SHCC拉伸試件(mm)

(b) 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 夾層管加工工藝流程

本文加工夾層管的基本尺寸如表1所示，夾層管兩端通過端蓋進(jìn)行密封，如圖7所示。安裝過程中，在夾層管環(huán)空內(nèi)每隔2 m放置提前制備的對(duì)中短節(jié)，以保證該夾層管滿足同心的要求，同確保該夾層管的夾層材料厚度均勻。

表1 夾層管的基本幾何尺寸

如圖8所示，安裝好內(nèi)外管道底部端蓋后，將其固定在安全塔架上，從夾層管上部環(huán)空的開口處注入SHCC水泥基材料。實(shí)驗(yàn)過程中，保持振動(dòng)電動(dòng)機(jī)開啟，實(shí)現(xiàn)均勻填充環(huán)空空間，并排空可能存在的氣泡。每隔2 m放置一個(gè)對(duì)中短節(jié)，保證內(nèi)外管以及環(huán)空夾層能夠同心。

(b) 應(yīng)力應(yīng)變曲線

(a)

(b)

為保證夾層材料具備最優(yōu)的力學(xué)性能，將裝配后的夾層管靜置于溫度為21 ℃的恒溫恒濕的空間內(nèi)固結(jié)28 d。如圖9(a)所示為固結(jié)28 d后的夾層管及SHCC材料的填充情況。通過觀察可知，此次加工的夾層管的夾層材料填充均勻，同時(shí)內(nèi)外管以及夾層滿足同心的幾何要求。由于夾層管的橢圓度直接影響其抗壓潰能力，在進(jìn)行高壓艙壓潰實(shí)驗(yàn)之前，利用FARO激光測(cè)量設(shè)備，對(duì)整根管道得初始橢圓度進(jìn)行了測(cè)量，如圖9(b)所示。

(a)

(b)

1.4 深水高壓艙壓潰實(shí)驗(yàn)

利用室內(nèi)高壓艙對(duì)SHCC水泥基夾層管道進(jìn)行靜水壓潰實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。首先，將夾層管兩端密封后，利用送入工具，將其放置于高壓艙內(nèi)，其中夾層管一側(cè)端蓋處，利用特制的接口，與外界大氣相連通。而后，不斷向高壓艙內(nèi)部緩慢注入清水。為滿足準(zhǔn)靜態(tài)加載，初期加載速率為0.2 MPa/min。當(dāng)高壓艙內(nèi)壓力值達(dá)到5 MPa時(shí)，停止加壓，靜置5 min，觀察壓力是否恒定。若壓力發(fā)生明顯下降，表明夾層管密封存在問題，需停止加壓，并打開泄壓閥門，待壓力恢復(fù)大氣壓后，取出實(shí)驗(yàn)管道重新進(jìn)行管道密封處理。重復(fù)以上步驟，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。待高壓艙內(nèi)壓力值接近試件臨界壓潰載荷預(yù)估值的50%時(shí)，將加載速率設(shè)定為0.1 MPa/min，實(shí)時(shí)記錄壓力隨時(shí)間變化情況，直至夾層管道被壓潰。

圖10 高壓艙內(nèi)試件安放及其局部連接

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

壓潰實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過泄壓閥門，卸除高壓艙內(nèi)的壓力，并排空流體。利用相應(yīng)的工具，取出夾層管道，觀測(cè)夾層管壓潰后的變形以及壓力傳感器記錄的壓力隨時(shí)間變化情況。圖11為夾層管試件SP1壓潰后的變形和載荷隨時(shí)間變化情況。由圖可知，該夾層管的抗壓載荷為37.8 MPa，具備抵抗3 780 m水深的靜水壓力的能力。

如圖12所示，將夾層管道人為制造缺陷后，研究其在不同初始缺陷尺寸情況下的壓潰變形和壓力隨時(shí)間的變化曲線。該試件SP2的初始橢圓度為6.35%，其靜水壓潰載荷為22.5 MPa，如圖12所示。壓潰發(fā)生后，夾層管道發(fā)生了屈曲傳播，其傳播載荷的大小為7.24 MPa。通過對(duì)比以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始橢圓度由0.5%(SP1)增加為6.35%(SP2)時(shí)，壓潰載荷由37.8 MPa降為22.5 MPa，降幅約為40.5%，管道的初始缺陷的大小直接影響壓潰載荷值。夾層管道發(fā)生壓潰破壞后，其壓潰變形將在較低的壓力下發(fā)生壓潰傳播的現(xiàn)象，在實(shí)際生產(chǎn)中將對(duì)生產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

(a)

(b)

圖11 夾層管道SP1壓潰后變形形態(tài)(a)及壓力變化曲線(b)

(a)

(b)

圖12 夾層管道SP2壓潰后變形(a),初始?jí)簼⑤d荷和屈曲傳播載荷隨時(shí)間變化曲線(b)

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于PVA纖維加強(qiáng)的水泥基深水夾層管道，研究了該夾層管加工制造工藝可行性和管道的靜水壓潰特性。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生從SHCC材料的配比，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、夾層管的裝配以及靜水壓潰實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)潛在影響因素的分析與解決方案的提出等各個(gè)環(huán)節(jié)，受到了全面的訓(xùn)練。通過該實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生積極探索的熱情，訓(xùn)練了學(xué)生整體規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的能力。其次，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，基于PVA纖維加強(qiáng)的水泥基材料不同于常規(guī)的水泥基材料，具備更好的應(yīng)變強(qiáng)化特性。利用該夾層材料(SHCC)制備的深水夾層管，具備很強(qiáng)的抗壓潰能力，具備超深水應(yīng)用的前景。