油氣田酸性介質(zhì)輸送用玻纖增強(qiáng)PE柔性管性能

李風(fēng)，張密，于洲，張瑾，黃庭蔚

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司，山東東營(yíng) 257000； 3.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

由于H2S，CO2及酸性油氣水介質(zhì)含量高而導(dǎo)致的腐蝕問(wèn)題愈加嚴(yán)重，使得碳鋼和低合金鋼等鋼管的應(yīng)用具有較高的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。玻纖增強(qiáng)聚乙烯(PE)柔性管具有柔性好、質(zhì)量輕、耐腐蝕，以及運(yùn)輸和施工方便等特點(diǎn)[4-5]，所以采用玻纖增強(qiáng)PE 柔性管解決油田地面集輸管網(wǎng)防腐問(wèn)題是一種重要的解決方案。為確定玻纖增強(qiáng)PE柔性管的工況載荷強(qiáng)度，保障應(yīng)用安全，潘俊等[6]依據(jù)相關(guān)規(guī)范，重點(diǎn)對(duì)玻纖增強(qiáng)PE柔性管在30 MPa內(nèi)壓、600 N拉力和5 MPa外壓載荷工況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析及校核。張?jiān)抨系萚7]進(jìn)一步根據(jù)計(jì)算及設(shè)計(jì)載荷的要求，利用ABAQUS 有限元軟件建立柔性管的有限元分析模型，并對(duì)其內(nèi)壓、外壓和拉伸載荷組合工況下的應(yīng)力進(jìn)行分析。阮偉東等[8]對(duì)柔性管的彎曲性能進(jìn)行深入研究，分析了柔性管上卷過(guò)程中管道彎矩、彎曲曲率等力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，目前柔性管相關(guān)研究主要集中于如何設(shè)計(jì)柔性管的結(jié)構(gòu)以及分析柔性管在不同工況環(huán)境下的載荷情況[9-13]，而對(duì)多種工況下柔性管的強(qiáng)度校核和性能分析，則未能結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)修正。筆者根據(jù)柔性管設(shè)計(jì)參數(shù)和爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ABAQUS軟件建立并修正玻纖增強(qiáng)PE柔性管分析參數(shù)，再以相關(guān)的校核準(zhǔn)則為依據(jù)，以油田常用的公稱直徑為100 mm 的油田酸性介質(zhì)用玻纖增強(qiáng)PE柔性管為例，對(duì)其強(qiáng)度及進(jìn)行具體的計(jì)算及分析。

1 管體結(jié)構(gòu)及材料性能參數(shù)

1.1 管體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

油田酸性介質(zhì)用玻纖增強(qiáng)PE 柔性管的主要結(jié)構(gòu)包括內(nèi)襯層、增強(qiáng)層及外保護(hù)層[14]，內(nèi)襯層和外保護(hù)層材料均為高密度聚乙烯(PE-HD)，增強(qiáng)層為玻纖預(yù)浸帶，各層之間通過(guò)熱熔相互黏接。內(nèi)襯層位于柔性管最內(nèi)側(cè)，起防腐蝕與防滲透的作用；增強(qiáng)層是由玻璃纖維帶相互纏繞形成的，位于柔性管的中間，即內(nèi)襯層和外保護(hù)層之間，主要起到承擔(dān)載荷的作用；外保護(hù)層起到保護(hù)增強(qiáng)層和內(nèi)襯層的作用，使外部環(huán)境的影響減小，其位于柔性管的外側(cè)。油田酸性介質(zhì)輸送用玻纖增強(qiáng)PE 柔性管內(nèi)襯層厚度為6.0 mm，外保護(hù)層厚度為3.0 mm，增強(qiáng)層材料為玻璃纖維帶，玻璃纖維帶纏繞角度為±54.4°[15]，纏繞層數(shù)為8層，管道規(guī)格為DN100 mm，管道設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa。

1.2 材料性能參數(shù)

玻璃纖維帶的力學(xué)性能參數(shù)由生產(chǎn)廠家通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，見(jiàn)表1。

表1 玻璃纖維帶材料性能參數(shù)

PE-HD力學(xué)性能參數(shù)由生產(chǎn)廠家提供，見(jiàn)表2。

表2 PE-HD材料力學(xué)性能參數(shù)

2 有限元參數(shù)修正與計(jì)算分析

依據(jù)上述油田酸性介質(zhì)用玻纖增強(qiáng)PE 柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)，利用有限元軟件，建立仿真模型。玻纖增強(qiáng)PE 柔性管內(nèi)襯層和外保護(hù)層采用C3D8R 的八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元；玻纖增強(qiáng)PE 柔性管增強(qiáng)層采用S4R 的四節(jié)點(diǎn)曲面薄殼單元。并對(duì)網(wǎng)格數(shù)量加密后進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，確認(rèn)符合計(jì)算要求。依據(jù)圣維南原理，為減小管道端部應(yīng)力集中的影響，柔性管模型的長(zhǎng)度應(yīng)至少為其外徑的5 倍。在柔性管兩端圓心處建立相對(duì)參考點(diǎn)，然后在參考點(diǎn)處將柔性管兩端面進(jìn)行耦合，以方便施加載荷。所建立的油田酸性介質(zhì)用柔性管模型如圖1所示，其中管道內(nèi)外側(cè)分別表示內(nèi)襯層與外保護(hù)層，中間部分表示柔性管增強(qiáng)層。

圖1 油田酸性介質(zhì)用柔性管有限元模型圖

2.1 柔性管有限元參數(shù)修正

為使有限元模擬結(jié)果更準(zhǔn)確，現(xiàn)對(duì)勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心提供的相同生產(chǎn)工藝下其他規(guī)格的油田酸性介質(zhì)用柔性管進(jìn)行爆破仿真模擬計(jì)算，并與其爆破實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)合理的參數(shù)修正提高有限元仿真計(jì)算準(zhǔn)確性。

(1)柔性管管體爆破實(shí)驗(yàn)。

依據(jù)GB/T 15560-1995流體輸送用塑料管材液壓瞬時(shí)爆破和耐壓試驗(yàn)方法，對(duì)常用規(guī)格的油田酸性介質(zhì)用柔性管進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，爆破實(shí)驗(yàn)樣管及爆破點(diǎn)實(shí)物圖如圖2 所示，通過(guò)爆破實(shí)驗(yàn)得到的爆破壓力實(shí)驗(yàn)值見(jiàn)表3。

圖2 爆破實(shí)驗(yàn)樣管及爆破點(diǎn)實(shí)物圖

表3 油田酸性介質(zhì)用柔性管管體結(jié)構(gòu)參數(shù)與爆破壓力實(shí)驗(yàn)值

(2)柔性管有限元分析及參數(shù)修正。

建立表3中4種規(guī)格的油田酸性介質(zhì)用柔性管有限元模型。通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)其爆破強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。在柔性管內(nèi)襯層施加爆破壓力，固定柔性管一端并在柔性管另一端施加由爆破壓力產(chǎn)生的軸向載荷，軸向載荷下計(jì)算公式為:F= π ×P×R2，其中P為柔性管爆破壓力值(單位MPa)，R為柔性管內(nèi)徑(單位mm)。由于內(nèi)襯層和外保護(hù)層均為高分子聚合物，較增強(qiáng)層纖維的斷裂伸長(zhǎng)率更大，而柔性管在爆破過(guò)程中主要由于纖維絲斷裂導(dǎo)致承載能力下降從而引起管體發(fā)生破裂。因此柔性管爆破失效準(zhǔn)則確立為:在爆破強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程中增強(qiáng)層纖維方向的應(yīng)力超過(guò)其材料的拉伸強(qiáng)度[16]。通過(guò)試算逐漸增大內(nèi)壓，至柔性管增強(qiáng)層纖維方向應(yīng)力達(dá)到其材料強(qiáng)度極限。圖3 為管徑75 mm，玻纖帶纏繞層數(shù)4 層的柔性管在22 MPa 內(nèi)壓下的應(yīng)力云圖，此時(shí)玻纖帶纖維方向的應(yīng)力值為697 MPa，略高于玻纖帶的縱向拉伸強(qiáng)度692 MPa，即柔性管的爆破壓力為22 MPa。

圖3 ?75 mm，4層柔性管爆破強(qiáng)度計(jì)算云圖(內(nèi)壓為22 MPa)

同理，對(duì)于公稱直徑為75 mm，纏繞層數(shù)為8層、16 層和公稱直徑為 50 mm，纏繞層數(shù)為20 層的油田酸性介質(zhì)用柔性管，當(dāng)管內(nèi)壓力分別達(dá)到38，70 MPa和111 MPa時(shí)，玻纖帶纖維方向的應(yīng)力值分別為693，695 MPa 和694 MPa，達(dá)到玻纖帶的縱向拉伸強(qiáng)度692 MPa。為方便進(jìn)行比較和分析，將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表4。

表4 爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表4可知，對(duì)于公稱直徑為75 mm，纏繞層數(shù)為4 層、8 層、16 層和公稱直徑為50 mm，纏繞層數(shù)20層的油田酸性介質(zhì)用玻纖增強(qiáng)PE柔性管的爆破壓力實(shí)驗(yàn)值分別為18，34，59 MPa和91.2 MPa，均小于有限元模擬值22，38，70 MPa 和111 MPa。其相對(duì)誤差分別為22.2%，11.7%，18.6% 和21.7%。由1.1 節(jié)可知該柔性管的中間增強(qiáng)層為主要的受力承載層，承受著主要的爆破壓力載荷，故該層也是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)值和模擬值差異的原因。產(chǎn)生該差異的原因主要有:①玻纖帶材料本身存在差別，且具有各向異性的特點(diǎn)，導(dǎo)致受力復(fù)雜；②玻纖帶纏繞過(guò)程中的纏繞精度難以控制，導(dǎo)致各層、各部位受力存在差別。

由于有限元計(jì)算分析過(guò)程中玻纖帶縱向拉伸強(qiáng)度與柔性管是否發(fā)生破壞密切相關(guān)，因此對(duì)玻纖帶縱向拉伸強(qiáng)度進(jìn)行參數(shù)修正。經(jīng)試算玻纖帶縱向拉伸強(qiáng)度修正系數(shù)取為0.8，即將玻纖帶縱向拉伸強(qiáng)度修正為692×0.8=554 MPa，爆破壓力仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間相對(duì)誤差見(jiàn)表4，均小于10%，符合計(jì)算要求。

2.2 柔性管爆破強(qiáng)度校核

參照2.1 節(jié)方法建立公稱直徑為100 mm 的油田酸性介質(zhì)用玻纖增強(qiáng)PE柔性管有限元模型，對(duì)柔性管一端參考點(diǎn)進(jìn)行全約束，另一端參考點(diǎn)施加軸向拉力，同時(shí)在內(nèi)襯層表面施加爆破壓力。通過(guò)試算的方法逐漸增大內(nèi)壓值，直到柔性管增強(qiáng)層纖維方向應(yīng)力超過(guò)其材料強(qiáng)度極限，油田酸性介質(zhì)用柔性管增強(qiáng)層纖維方向受到的最大拉應(yīng)力如圖4。

對(duì)于公稱直徑為100 mm的油田酸性介質(zhì)用柔性管，當(dāng)其內(nèi)壓達(dá)到24 MPa 時(shí)，柔性管增強(qiáng)層纖維方向受到的最大拉應(yīng)力為554 MPa，達(dá)到玻維的拉伸強(qiáng)度554 MPa。故其爆破壓力為24 MPa，大于3倍的設(shè)計(jì)壓力，其爆破壓力符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 柔性管設(shè)計(jì)壓力下管體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

根據(jù)柔性管設(shè)計(jì)參數(shù)及材料參數(shù)建立其有限元模型，對(duì)柔性管內(nèi)表面施加6.4 MPa的設(shè)計(jì)壓力，將柔性管的一端固定，另一端保留軸向自由度，約束其他5個(gè)方向的自由度。

根據(jù)APⅠ17B-2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在有設(shè)計(jì)載荷時(shí)，柔性管中的內(nèi)襯層和外保護(hù)層不能發(fā)生屈服，纖維不得斷裂。此外，如果使用單一角度纏繞成型增強(qiáng)層時(shí)，如果正負(fù)纏繞角之差大于70°時(shí)，其基體方向的受力情況也要考慮在內(nèi)，要保證增強(qiáng)層基體方向不能開(kāi)裂。為消除管道端部效應(yīng)的影響，正確分析受力狀況，計(jì)算結(jié)束后，采取管道中間部位應(yīng)力最大值進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)力值大小列于表5。

表5 柔性管設(shè)計(jì)內(nèi)壓6.4 MPa下各部位應(yīng)力值 MPa

由表5 可知，?100 mm 油田酸性介質(zhì)用柔性管在設(shè)計(jì)壓力作用下，其內(nèi)襯層應(yīng)力值、增強(qiáng)層纖維方向應(yīng)力值、增強(qiáng)層基體方向應(yīng)力值、外保護(hù)層應(yīng)力值分別為5.0，110，14.0，3.3 MPa，均在其材料強(qiáng)度極限范圍內(nèi)(內(nèi)襯層和外保護(hù)層材料屈服強(qiáng)度為16 MPa，增強(qiáng)層纖維方向拉伸強(qiáng)度為554 MPa，基體方向拉伸強(qiáng)度為15 MPa)。因此油田酸性介質(zhì)用柔性管在所設(shè)計(jì)的纏繞角度與纏繞層數(shù)下能滿足設(shè)計(jì)內(nèi)壓的強(qiáng)度要求。

2.4 柔性管管體拉伸強(qiáng)度、彎曲半徑計(jì)算

(1)柔性管管體拉伸強(qiáng)度計(jì)算。

根據(jù)APⅠ17B-2014 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，柔性管在鋪設(shè)過(guò)程中會(huì)受到軸向拉力載荷，載荷過(guò)大容易導(dǎo)致柔性管結(jié)構(gòu)破壞，因此應(yīng)對(duì)最大拉伸載荷進(jìn)行校核。主要通過(guò)試算的方法逐漸增大軸向拉力，直到管道某一層應(yīng)力接近其材料的強(qiáng)度極限值，將該值作為柔性管的最大拉伸載荷，柔性管各部位應(yīng)力值列于表6。

表6 柔性管拉伸載荷100 kN下各部位應(yīng)力值 MPa

由表6可知，對(duì)于公稱直徑為100 mm的油田酸性介質(zhì)用柔性管，當(dāng)拉伸載荷達(dá)到100 kN 時(shí)，柔性管增強(qiáng)層基體方向受到的最大拉應(yīng)力為14.6 MPa，已接近基體的拉伸強(qiáng)度15 MPa。故該柔性管在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中所能承受的最大拉伸載荷不能超過(guò)100 kN。

(2)柔性管盤(pán)繞彎曲安全半徑計(jì)算。

柔性管在實(shí)際運(yùn)輸、安裝、在位服役過(guò)程中會(huì)受到不同程度的彎曲作用，一旦實(shí)際彎曲半徑小于柔性管允許的盤(pán)繞彎曲安全半徑就會(huì)發(fā)生彎曲破壞。因此，在多種工況下，需要對(duì)其柔性管進(jìn)行盤(pán)繞彎曲安全半徑計(jì)算。

根據(jù)APⅠ17B-2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將柔性管在彎曲載荷作用下內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外保護(hù)層所受應(yīng)力不得超出其材料的強(qiáng)度極限作為最小彎曲安全半徑的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。主要通過(guò)試算的方法逐漸增大彎曲載荷，直到管道某一層應(yīng)力接近其材料的強(qiáng)度極限時(shí)將該值作為柔性管最小彎曲安全半徑。

① 無(wú)內(nèi)壓工況下盤(pán)繞彎曲安全半徑計(jì)算。

利用ABAQUS 有限元軟件建立有限元模型。在模型兩個(gè)端面圓心處建立參考點(diǎn)以保證柔性管在彎曲過(guò)程中兩個(gè)端面保持平面，并將參考點(diǎn)和端面進(jìn)行全耦合約束。為模擬柔性管真實(shí)彎曲過(guò)程，下端參考點(diǎn)全固定，上端參考點(diǎn)施加轉(zhuǎn)角α，隨著轉(zhuǎn)角α增大，柔性管各層應(yīng)力逐漸增加。

表7 為柔性管轉(zhuǎn)角ɑ為0.32 rad 下各部位應(yīng)力值(無(wú)內(nèi)壓)。由表7 知，對(duì)于公稱直徑為100 mm的油田酸性介質(zhì)用柔性管，當(dāng)柔性管端部轉(zhuǎn)角α達(dá)到0.32 rad 時(shí)，內(nèi)襯層及外保護(hù)層所受的最大應(yīng)力，已經(jīng)接近其材料的屈服強(qiáng)度16 MPa。

表7 柔性管轉(zhuǎn)角ɑ為0.32 rad下各部位應(yīng)力值(無(wú)內(nèi)壓)

柔性管盤(pán)繞彎曲安全半徑可由曲率計(jì)算公式得出，即:

其中，K, 為曲率，θRF為施加的轉(zhuǎn)角，0.32 rad，L為柔性管的長(zhǎng)度，1 m。

盤(pán)繞彎曲安全半徑R由R=計(jì)算得到，對(duì)于公稱直徑為100 mm的油田酸性介質(zhì)用柔性管在盤(pán)卷運(yùn)輸過(guò)程中的彎曲半徑不得小于3.1 m。

②內(nèi)壓工況下盤(pán)繞彎曲安全半徑計(jì)算。

內(nèi)壓工況下的柔性管彎曲需要考慮其彎曲過(guò)程中內(nèi)壓的作用。與無(wú)內(nèi)壓工況不同的是需在柔性管內(nèi)部施加設(shè)計(jì)壓力，有限元分析方法與無(wú)內(nèi)壓工況相同。隨著轉(zhuǎn)角ɑ增大，柔性管各層應(yīng)力逐漸增大。

表8 為柔性管轉(zhuǎn)角ɑ為0.22 rad 下各部位應(yīng)力值(內(nèi)壓6.4 MPa)。由表8 知，當(dāng)ɑ達(dá)到0.22 rad 時(shí)，柔性管在內(nèi)壓和彎曲的共同作用下，內(nèi)襯層受到的最大Mises 應(yīng)力已接近其材料的屈服強(qiáng)度16 MPa，代入曲率計(jì)算公式，計(jì)算得到柔性管盤(pán)繞彎曲安全半徑為4.6 m。

表8 柔性管轉(zhuǎn)角ɑ為0.22 rad下各部位應(yīng)力值(內(nèi)壓6.4 MPa)

因此對(duì)于公稱直徑100 mm的油田酸性介質(zhì)用柔性管，在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)過(guò)程中其彎曲半徑不得小于4.6 m。

3 結(jié)論

根據(jù)油田酸性介質(zhì)用柔性管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，建立參數(shù)修正的有限元分析模型，對(duì)其多種載荷工況下的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算及校核，得到以下結(jié)論:

(1)通過(guò)將爆破壓力仿真計(jì)算值與爆破實(shí)驗(yàn)值對(duì)比分析，取玻纖帶拉伸強(qiáng)度修正系數(shù)為0.8，即玻纖帶拉伸強(qiáng)度修正為554 MPa 時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果更符合真實(shí)值；

(2)公稱直徑為100 mm的油田酸性介質(zhì)用柔性管爆破壓力為24 MPa，符合設(shè)計(jì)要求；

(3)油田酸性介質(zhì)用柔性管在所設(shè)計(jì)的纏繞角度與纏繞層數(shù)下能夠滿足設(shè)計(jì)內(nèi)壓強(qiáng)度要求；

(4)經(jīng)分析，?100 mm的油田酸性介質(zhì)用柔性管在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中所能承受的最大拉伸載荷不能超過(guò)100 kN；柔性管在盤(pán)卷運(yùn)輸過(guò)程中的彎曲半徑不得小于3.1 m；柔性管在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)過(guò)程中的彎曲半徑不得小于4.6 m。