代志雙，王鴻軒，魯成林，宋平娜，陳 星，袁曉燕

(1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

復(fù)合柔性軟管用HDPE的蠕變性能

代志雙1, 2，王鴻軒2，魯成林2，宋平娜2，陳 星2，袁曉燕1

(1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

海洋復(fù)合柔性軟管內(nèi)襯層材料的蠕變行為可能造成軟管內(nèi)層厚度的過(guò)度減少，從而導(dǎo)致內(nèi)襯層結(jié)構(gòu)受損。采用有限元分析方法對(duì)內(nèi)襯層高密度聚乙烯(HDPE)材料的受力情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在20 MPa內(nèi)壓下，不考慮軟管各層之間的相互作用時(shí)，內(nèi)襯層受到的徑向壓應(yīng)力為11 MPa；考慮HDPE內(nèi)襯層與外層扁鋼的實(shí)際接觸狀態(tài)，內(nèi)襯層受到的徑向壓應(yīng)力為19.9 MPa。研究了HDPE內(nèi)襯層材料在11 MPa下的壓縮蠕變行為，計(jì)算得到HDPE內(nèi)襯層在60 ℃、30年設(shè)計(jì)壽命下，壓縮蠕變量預(yù)期為17.5%。設(shè)計(jì)了帶凹槽的側(cè)向約束壓縮蠕變工裝，模擬了內(nèi)襯層HDPE和其外層扁鋼的接觸形式，測(cè)試了20 MPa下HDPE內(nèi)襯層在不同溫度的側(cè)向約束壓縮蠕變性能，計(jì)算了HDPE在其30年的設(shè)計(jì)壽命下，厚度減薄率預(yù)期為6.6%。通過(guò)內(nèi)襯層的厚度和扁鋼纏繞縫隙的尺寸，可計(jì)算由于蠕變而造成的縫隙填充量，對(duì)于HDPE復(fù)合軟管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

復(fù)合柔性軟管；壓縮蠕變；時(shí)溫等效；側(cè)向約束

0 引 言

隨著深海油氣開(kāi)采范圍的日益擴(kuò)大，復(fù)合柔性軟管因具有耐腐蝕性和地形適應(yīng)性好、安裝快捷方便、不需使用大型鋪管船等明顯優(yōu)勢(shì)，得到了越來(lái)越廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[1-2]。復(fù)合軟管根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式分為粘結(jié)型復(fù)合柔性軟管和非粘結(jié)型復(fù)合柔性軟管。其中，粘結(jié)型復(fù)合柔性軟管由高分子材料層和金屬增強(qiáng)層擠壓而成，并在成型后通過(guò)特殊的工藝使高分子材料層和金屬增強(qiáng)層產(chǎn)生較高的粘結(jié)強(qiáng)度；而非粘結(jié)型復(fù)合柔性軟管的聚合物材料層和金屬增強(qiáng)層之間直接裝配，不需要使用特殊的化學(xué)工藝粘合，通過(guò)摩擦力和接觸壓力傳遞載荷[3]。目前復(fù)合軟管的設(shè)計(jì)以及加工工藝技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬初級(jí)階段。依托“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，中海油研究總院聯(lián)合天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司啟動(dòng)了“海洋用保溫輸油軟管”研究，從設(shè)計(jì)、制造到工程使用，該項(xiàng)研究打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)品的中國(guó)制造，有效降低了油田生產(chǎn)成本。在柔性軟管的長(zhǎng)期服役過(guò)程中，由于高分子材料的黏彈性，內(nèi)襯層聚合物材料會(huì)不斷地發(fā)生蠕變。在服役溫度和壓力的作用下，內(nèi)襯層材料的形變隨時(shí)間的推移而逐漸增大，可能會(huì)造成內(nèi)層材料厚度的過(guò)度減少，從而引起內(nèi)襯層材料的結(jié)構(gòu)破壞[4-5]。蠕變性能反映了內(nèi)襯層材料的尺寸穩(wěn)定性和長(zhǎng)期負(fù)載能力。復(fù)合柔性軟管的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)API 17J[6]中指出：在復(fù)合柔性軟管的整個(gè)服役周期內(nèi)，內(nèi)襯層材料在各種外部因素的作用下厚度減薄應(yīng)小于30%。因此，對(duì)于復(fù)合柔性軟管內(nèi)襯層材料蠕變行為的研究在軟管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要。

本文以高密度聚乙烯(HDPE)內(nèi)襯層為研究對(duì)象，采用有限元分析(FEA)方法分析了內(nèi)襯層材料在受到內(nèi)壓時(shí)的徑向壓力，研究了不同溫度下HDPE材料的蠕變性能，根據(jù)時(shí)溫等效原理計(jì)算了HDPE材料的長(zhǎng)期蠕變模型；結(jié)合內(nèi)襯層外的抗壓層結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了側(cè)向約束下HDPE材料的壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，模擬了HDPE材料在抗壓層空隙中的填充行為，據(jù)此計(jì)算其服役壽命內(nèi)在抗壓層空隙中的填充量。

1 非粘結(jié)復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)

非粘結(jié)海洋復(fù)合柔性軟管的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其內(nèi)襯層和外包覆層由高分子聚合物材料連續(xù)擠出制成，骨架層及抗拉抗壓層由多層高強(qiáng)度鋼帶(或相互咬合的扁鋼)螺旋纏繞而成。內(nèi)襯層的作用為密封管道內(nèi)輸送的流體，外包覆層的作用為阻隔外部海水，高強(qiáng)度鋼帶(或扁鋼)的作用為承受內(nèi)部壓力或軸向拉力。

圖1 典型的復(fù)合柔性軟管結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Typical structure of composite flexible pipe

2 試驗(yàn)

2.1 材料及試樣制備

選擇某8英寸(1英寸=25.4 mm)復(fù)合柔性軟管的擠塑內(nèi)襯層材料HDPE為研究對(duì)象。內(nèi)襯層材料的厚度為12 mm，設(shè)計(jì)溫度為60 ℃，設(shè)計(jì)壽命30年。根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D695[7]，采用機(jī)加工的方法從擠塑管材上取樣，試樣的橫截面積為(12.7±0.2) mm × (12.7±0.2) mm，試樣厚度方向與內(nèi)襯層材料的厚度方向一致。因從擠塑管材上截取的試樣上下表面有一定的弧度，故需將試樣上下兩個(gè)表面打磨平整，使其平行。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

參考ASTM D2990標(biāo)準(zhǔn)[8]，采用DWRS10型蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行不同溫度下的壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)試之前試樣預(yù)先在測(cè)試溫度下處理1 h，使試樣內(nèi)外溫度均衡，每個(gè)溫度下的蠕變時(shí)間為24 h，記錄蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)應(yīng)力的選擇

復(fù)合柔性軟管管道運(yùn)行期間的內(nèi)壓載荷直接作用到內(nèi)襯層上，但由于聚合物的強(qiáng)度較低，其將內(nèi)壓載荷傳遞到其外的金屬層來(lái)承擔(dān)。為計(jì)算內(nèi)襯層在內(nèi)壓載荷下承受的徑向壓力，對(duì)其進(jìn)行了有限元建模分析。如不考慮軟管各層之間的相互作用關(guān)系，則當(dāng)內(nèi)襯層受到20 MPa內(nèi)壓時(shí)，內(nèi)襯層材料的徑向應(yīng)變?yōu)?.25%，如圖2所示。根據(jù)壓縮試驗(yàn)試樣在60 ℃下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)計(jì)算出壓縮率為6.25%時(shí)的壓縮應(yīng)力為11 MPa。

圖2 不考慮軟管層間相互作用的有限元模擬結(jié)果Fig.2 Simulation result by finite element analysis (FEA) without consideration of the interaction between layers of flexible pipe

圖3 HDPE的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Compression stress versus compression strain for HDPE

考慮復(fù)合柔性軟管內(nèi)襯層以及其外層金屬鎧裝層之間的相互作用，采用有限元模擬的方法對(duì)其徑向壓應(yīng)力進(jìn)行了模擬，輸入軟管的尺寸參數(shù)、內(nèi)襯層以及其外層金屬鎧裝層的厚度參數(shù)以及力學(xué)性能參數(shù)，分析結(jié)果如圖4所示。內(nèi)襯層所受的徑向壓應(yīng)力為19.99 MPa，徑向應(yīng)變?yōu)?.15%。

3.2 壓縮蠕變及長(zhǎng)效壽命預(yù)測(cè)

首先不考慮軟管各層之間的相互作用，對(duì)內(nèi)襯層HDPE材料進(jìn)行壓縮蠕變分析。選擇壓縮應(yīng)力11 MPa，測(cè)試不同溫度下的壓縮蠕變。試樣夾持方式如圖5所示，試樣的尺寸為(12.7±0.2) mm×(12.7±0.2) mm，每個(gè)溫度下的蠕變時(shí)間為24 h，蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著溫度的升高，試樣的初始?jí)嚎s應(yīng)變?cè)龃?，且在蠕變的初始階段，蠕變量隨著溫度的升高而增加。從圖中還可以看出，在蠕變曲線(xiàn)的最初階段，蠕變量增加很快，為材料的彈性變形階段，而后材料的變形由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば宰冃?，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速率變緩。

圖5 壓縮蠕變?cè)嚇訆A持方式示意圖Fig.5 Schematic diagram of the sample clamp for compression creep

圖6 HDPE的壓縮蠕變應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.6 Strain-time curve of compression creep for HDPE

根據(jù)時(shí)溫等效原理，可通過(guò)平移的方法將不同溫度下的蠕變曲線(xiàn)疊加至60 ℃，平移因子曲線(xiàn)如圖7所示。從圖中可以看出，平移因子隨溫度的變化幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系，這也可以進(jìn)一步說(shuō)明采用時(shí)溫等效原理可以有效地評(píng)價(jià)HDPE的長(zhǎng)期蠕變行為[9]。圖8給出了平移后的蠕變疊加曲線(xiàn)，60 ℃下的蠕變曲線(xiàn)可平移拓展至1012s，設(shè)計(jì)壽命終點(diǎn)(30年)時(shí)，HDPE內(nèi)襯層的蠕變量為17.5%左右。該蠕變?cè)囼?yàn)方法得到的結(jié)果在后續(xù)項(xiàng)目中可用于內(nèi)襯層材料的選擇和確定。

3.3 側(cè)向約束下壓縮蠕變及長(zhǎng)效壽命預(yù)測(cè)

材料本身的壓縮蠕變性能可以評(píng)價(jià)HDPE作為內(nèi)襯層的長(zhǎng)期尺寸穩(wěn)定性，但是HDPE作為內(nèi)襯層，其外層通常會(huì)纏繞一層扁鋼作為抗壓鎧裝層，扁鋼之間會(huì)有一定的間隙。同時(shí)，在實(shí)際使用時(shí)，HDPE內(nèi)襯層在長(zhǎng)度方向受到軟管接頭的固定而環(huán)向受到抗壓鎧裝層的約束，蠕變只能發(fā)生在內(nèi)襯層的徑向，因此HDPE內(nèi)襯層的蠕變行為會(huì)使其在內(nèi)壓作用下填充進(jìn)扁鋼的縫隙而造成厚度減小。據(jù)此設(shè)計(jì)了側(cè)向約束壓縮蠕變工裝，模擬了扁鋼的間隙以及內(nèi)襯層材料在軟管中的實(shí)際使用狀況，其剖視圖如圖9所示。該工裝分為三部分：最底部為一平板，厚度為5 mm，用于承載試樣；中間部分為一正方形筒體，筒體的內(nèi)徑為13 mm×13 mm，壁厚為5 mm；最上部為一帶凹槽的壓塊，該壓塊能平滑無(wú)摩擦地放入筒體內(nèi)，凹槽的寬度為2 mm，深度為7 mm。蠕變?cè)囼?yàn)加載時(shí)，平板放置在蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的下夾具上，壓塊與蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的上夾具接觸。

圖7 HDPE的壓縮蠕變平移因子與溫度的關(guān)系Fig.7 Shift factor with temperature of compression creep for HDPE

圖8 HDPE的壓縮蠕變疊加曲線(xiàn)Fig.8 Master curves of compression strain for HDPE

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，HDPE內(nèi)襯層材料所受的徑向壓力為19.9 MPa，因此在進(jìn)行側(cè)向約束壓縮蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，將該項(xiàng)目的內(nèi)壓20 MPa作為壓縮應(yīng)力，測(cè)試了不同溫度時(shí)的側(cè)向約束下壓縮蠕變，每一溫度下的蠕變時(shí)間為24 h。從圖10的蠕變應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)中可以看出，隨著溫度的升高，試樣的初始?jí)嚎s應(yīng)變?cè)龃?；而試?yàn)初始階段壓縮蠕變的增量隨溫度的升高有所減小。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，壓縮蠕變應(yīng)變的增加變得緩慢。根據(jù)時(shí)溫等效原理，不同溫度時(shí)側(cè)向約束下的壓縮蠕變曲線(xiàn)可通過(guò)平移的方法疊加至60 ℃，平移因子曲線(xiàn)如圖11所示。從圖中可以看出，平移因子隨溫度的變化同樣呈線(xiàn)性關(guān)系。圖12給出了平移后的側(cè)向約束下壓縮蠕變疊加曲線(xiàn)，60 ℃下的蠕變曲線(xiàn)可平移拓展至1015s，設(shè)計(jì)壽命終點(diǎn)(30年)時(shí)，內(nèi)襯材料的側(cè)向約束下壓縮蠕變量不超過(guò)6.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖8所示的壓縮蠕變量。產(chǎn)生區(qū)別的主要原因如下：圖8所示蠕變曲線(xiàn)的試樣只有上下兩個(gè)表面受到壓縮，試樣的蠕變空間為試樣非受壓的各個(gè)方向，蠕變空間很大。圖12所示蠕變曲線(xiàn)的試樣在各個(gè)方向上均有約束，沒(méi)有蠕變的空間，而材料的密度受到壓縮而變化的可能較小，由于壓縮而造成試樣厚度減小量只能被擠入試驗(yàn)夾具(圖9)中壓塊的間隙內(nèi)。由于壓塊的間隙尺寸有限，因此向間隙內(nèi)的蠕變速率也遠(yuǎn)小于圖5所示夾持方式下得到的試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 側(cè)向約束下壓縮蠕變?cè)囼?yàn)夾具Fig.9 Clamps for side restrained compression creep test

圖10 側(cè)向約束下HDPE的壓縮蠕變曲線(xiàn)Fig.10 Strain-time curves of side restrained compression creep for HDPE

圖11 側(cè)向約束下HDPE的壓縮蠕變平移因子Fig.11 Shift factor of HDPE with side restrained compression creep

圖12 側(cè)向約束下HDPE的壓縮蠕變疊加曲線(xiàn)Fig.12 Master curves of side restrained compression creep for HDPE

4 結(jié) 語(yǔ)

采用有限元方法模擬了內(nèi)襯層材料在內(nèi)壓下的受力情況，結(jié)果表明，不考慮結(jié)構(gòu)層之間的相互作用，HDPE內(nèi)襯層所受的徑向壓應(yīng)變?yōu)?.25%，徑向壓應(yīng)力為11 MPa；考慮HDPE內(nèi)襯層與外層扁鋼的實(shí)際接觸狀態(tài)，HDPE內(nèi)襯層受到的徑向壓應(yīng)力為19.9 MPa。選擇壓應(yīng)力11 MPa，測(cè)試了HDPE

材料的壓縮蠕變性能，根據(jù)時(shí)溫等效原理，設(shè)計(jì)壽命30年時(shí)，HDPE材料的壓縮蠕變量預(yù)計(jì)為17.5%，材料本身的壓縮蠕變?cè)囼?yàn)可用于內(nèi)襯層材料的選擇，但不能直接作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所使用的蠕變量。設(shè)計(jì)了壓縮蠕變工裝，模擬了扁鋼的間隙以及內(nèi)襯層材料在軟管中的實(shí)際使用狀況。選擇壓應(yīng)力20 MPa，設(shè)計(jì)壽命30年時(shí)，內(nèi)襯層HDPE的厚度減薄率為6.6%左右，遠(yuǎn)小于不受約束試樣的厚度減薄量以及API規(guī)范規(guī)定的最大值30%。該側(cè)向約束下的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果為HDPE內(nèi)襯層的厚度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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[2] 王衛(wèi)鋒, 劉棟杰, 裴整社, 等. PVDF在大口徑海洋管材密封層中的工藝探究[J]. 海洋工程裝備與技術(shù), 2014, 1(1): 76.

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CreepBehaviorsofHDPEAppliedinCompositeFlexiblePipes

DAI Zhi-shuang1, 2, WANG Hong-xuan2, LU Cheng-lin2, SONG Ping-na2, CHEN Xing2, YUAN Xiao-yan1

(1. School of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Neptune Offshore Engineering Development Co.,Ltd., Tianjin 300384, China)

The creep of inner liner material for subsea composite flexible pipe may result in the over-reduction of its thickness, which may consequently lead to structural failure. The radial compression stress of high-density polyethylene (HDPE) is studied by using finite element analysis (FEA) method. Under 20 MPa inner compression load, the radial compression stress is 11 MPa when the interaction of structural layers is ignored, while the radial compression stress is 19.9 MPa when the real contact status between HDPE and flat steel is considered. The compression creep properties at 11 MPa under different temperatures are measured. According to the time-temperature equivalence principle, the predicted compression creep deformation of HDPE during 30 years at 60 ℃ is 17.5%. A groove clamp with a gap span for side restrained compression creep is designed, and the side restrained compression creep properties under different temperatures are investigated. The results indicate that the reduction of thickness of HDPE during 30 years at 60 ℃ is 6.6%. The filling volume in the gap span can be calculated according to the thickness of inner liner and the size of gap span of the armour layers, which can be the guidance of construction design for the flexible pipe.

composite flexible pipe; compression creep; time-temperature equivalence; sidewise restraint

2016-03-02

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05026-005)

代志雙(1984—)，博士，工程師，主要從事非金屬材料在海洋軟管中應(yīng)用的研究。

P754；TE973.6

A

2095-7297(2016)02-0135-05