李 立， 王 強(qiáng)， 王友生， 侯永高， 王 勇， 付彥宏

（1. 中國石油渤海石油裝備制造有限公司研究院， 河北 青縣062658；2. 中國石油渤海石油裝備制造有限公司 第一機(jī)械廠， 河北 青縣062658）

0 前 言

國家對油氣能源需求的不斷增長， 對油氣輸送用管道提出了更高的要求， 如要求具備輸送壓力高、 低溫韌性好、 止裂性能好、 抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)， 同時又要有效控制管道建設(shè)成本。 目前成熟并廣泛應(yīng)用的管線鋼最高鋼級為X80， 開發(fā)X80 鋼級以上的管線鋼， 材料韌性及管道止裂問題是世界性難題， 單從鋼材本身目前難以解決，若采取管道加止裂環(huán)等輔助措施則投資大。 因此， 選用新型替代材料或?qū)⒊蔀橐环N理想的選擇。 高強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料綜合性能非常優(yōu)越，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于軍工、 航天、 交通等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域， 若推廣應(yīng)用到油氣輸送管道領(lǐng)域， 選擇以現(xiàn)有管線管為基管， 在此基管外層纏繞玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。 由于玻璃纖維是單向排列于樹脂基體中， 當(dāng)外力由基體傳遞至纖維時， 由于各向異性， 外力主要沿纖維長度方向進(jìn)行傳遞， 而玻璃纖維沿長度方向承載能力非常高，在一定程度上使力的作用得到分散， 從而使管道的承壓能力得到提高。 2012 年7 月， 環(huán)氧玻璃鋼復(fù)合管在河北唐山市唐?？h天然氣管道穿越工程中得以成功應(yīng)用， 穿越完成后玻璃鋼保護(hù)層結(jié)構(gòu)完好無損， 管道防腐層也沒有被破壞，充分證明了玻璃鋼強(qiáng)度高、 耐摩擦、 耐劃傷的突出優(yōu)勢。

為了進(jìn)一步研究玻璃鋼復(fù)合管的力學(xué)性能，渤海裝備研究院依托鋼管試驗(yàn)平臺開展了一系列試驗(yàn)研究工作， 包括對玻璃鋼復(fù)合鋼管的制備以及靜水壓爆破試驗(yàn)， 獲得了玻璃鋼復(fù)合鋼管性能數(shù)據(jù)。

1 玻璃鋼復(fù)合鋼管樣管制備

1.1 玻璃鋼復(fù)合鋼管的結(jié)構(gòu)

玻璃鋼復(fù)合鋼管由鋼管母管和玻璃鋼復(fù)合層兩部分構(gòu)成。 在鋼管母管外表面復(fù)合5 mm 厚的玻璃鋼層， 以達(dá)到提高鋼管強(qiáng)度的作用。 本次試驗(yàn)鋼管母管采用普通直縫埋弧焊管管段， 玻璃鋼復(fù)合層由玻璃纖維和合成樹脂組成， 玻璃鋼復(fù)合層通過沿鋼管外壁纏繞的工藝方式進(jìn)行制備， 圖1為制備的樣管實(shí)物照片。

圖1 玻璃鋼復(fù)合鋼管實(shí)物照片

1.2 玻璃纖維復(fù)合材料選擇

玻璃鋼學(xué)名玻璃纖維增強(qiáng)塑料， 由于其強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材， 又含有玻璃組分， 具有玻璃的色澤、 外觀以及耐腐蝕、 電絕緣、 隔熱等性能， 俗稱 “玻璃鋼”。 玻璃鋼是當(dāng)今用量最大的復(fù)合材料， 占現(xiàn)代意義復(fù)合材料產(chǎn)量的90%以上， 它是以玻璃纖維及其制品 （玻璃布、 帶、 氈、 紗等） 作為增強(qiáng)材料， 以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。 在纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料中， 纖維和樹脂各自起著獨(dú)立的作用， 同時又相互依存，純粹的纖維狀態(tài)是不能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的， 而樹脂的力學(xué)性能也很差， 只有把兩者結(jié)合起來， 形成一個整體， 才能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的性能優(yōu)勢。

本次試驗(yàn)選用國內(nèi)某廠家的E6 級玻璃纖維作為復(fù)合層的主要材料， E6 玻璃纖維的優(yōu)勢在于強(qiáng)度更高， 比E 玻璃纖維高20%， 適合應(yīng)用于高溫、 高壓等特殊工況。 玻璃鋼復(fù)合層的主要性能參數(shù)見表1。

表1 玻璃鋼復(fù)合層性能參數(shù)

1.3 玻璃鋼復(fù)合鋼管樣管制作

本次試驗(yàn)用玻璃鋼復(fù)合管母管采用X65M 鋼級Φ508 mm×14.2 mm 直縫埋弧焊管， 管體屈服強(qiáng)度499 MPa， 抗拉強(qiáng)度597 MPa。 為了實(shí)現(xiàn)定向爆破， 以便于觀察開裂過程， 試驗(yàn)前對鋼管中間部位進(jìn)行了外壁區(qū)域減薄處理， 減薄區(qū)域尺寸為500 mm×300 mm， 長度和寬度方向分別每隔100 mm 測量壁厚。 鋼管減薄區(qū)域如圖2 所示， 減薄處理前后各區(qū)域壁厚測量結(jié)果見表2。 從表2可以看出， 厚度減薄了2.5～3 mm。 在國內(nèi)某玻璃鋼廠對鋼管外壁進(jìn)行了5 mm 玻璃鋼復(fù)合層的纏繞， 圖3 為鋼管復(fù)合層纏繞過程現(xiàn)場照片。

圖2 鋼管減薄區(qū)域原壁厚測量位置示意圖

表2 減薄前后各區(qū)域壁厚測量結(jié)果

2 玻璃鋼復(fù)合鋼管爆破試驗(yàn)及結(jié)果

纏繞完成后的鋼管經(jīng)過端頭封焊， 運(yùn)入水壓爆破試驗(yàn)室， 為了便于觀察爆破過程， 在試驗(yàn)室進(jìn)行了高速攝像。 圖4 為待試驗(yàn)玻璃鋼復(fù)合管，圖中紅色方框內(nèi)為鋼管壁厚減薄區(qū)域。

圖5 為高速攝像機(jī)拍攝的玻璃鋼復(fù)合管水壓試驗(yàn)過程中玻璃纖維層照片， 從圖5 可以看出， 隨著鋼管內(nèi)水壓的持續(xù)升高， 玻璃纖維首先發(fā)生了局部開裂 （見圖5 （a））， 隨后玻璃纖維斷裂面積開始延展 （見圖5 （b））， 當(dāng)玻璃纖維大面積斷裂以至于無法約束鋼管形變時鋼管出現(xiàn)破口 （見圖5 （c））， 最終破口完全爆開 （見圖5 （d））。 從玻璃纖維層開始局部撕裂到破口完全爆裂， 整個過程約7 ms， 起爆破點(diǎn)位于減薄層與管體的交界處。

圖4 待水壓爆破的玻璃鋼復(fù)合管

圖5 玻璃鋼復(fù)合管水壓爆破試驗(yàn)過程照片

圖6 為玻璃鋼復(fù)合鋼管爆破過程壓力-時間曲線， 從圖6 可以看出， 管內(nèi)壓力持續(xù)升高直至爆裂， 無明顯屈服過程。 整個升壓過程約為330 s，與普通鋼管的壓力-時間曲線有明顯區(qū)別， 表明玻璃鋼復(fù)合層束縛了鋼管的屈服形變過程， 直至玻璃纖維發(fā)生斷裂而產(chǎn)生爆破。 圖7 為爆破后玻璃鋼復(fù)合鋼管的形貌。

圖6 玻璃鋼復(fù)合鋼管爆破過程壓力-時間曲線

圖7 爆破后玻璃鋼復(fù)合鋼管的形貌

爆破試驗(yàn)后， 對玻璃鋼復(fù)合鋼管爆破口進(jìn)行清理， 圖8 為清理后的爆破口形貌。 對清理后爆破口的相關(guān)幾何尺寸進(jìn)行測量， 結(jié)果見表3。同時對試驗(yàn)后的玻璃鋼復(fù)合鋼管外徑進(jìn)行測量，并與試驗(yàn)前進(jìn)行了對比， 對比結(jié)果見表4。

圖8 清理后的爆破口形貌

表3 爆破口尺寸測量結(jié)果

表4 試驗(yàn)前后玻璃鋼復(fù)合鋼管外徑對比結(jié)果

3 對比試驗(yàn)及結(jié)果

為了便于驗(yàn)證試驗(yàn)效果， 選取了X65M 鋼級Φ508 mm×12.7 mm 直縫埋弧焊鋼管進(jìn)行了水壓爆破對比試驗(yàn)， 實(shí)測鋼管尺寸及性能見表5。 水壓爆破對比試驗(yàn)結(jié)果見表6， 對比試驗(yàn)用直縫埋弧焊管水壓爆破形貌如圖9 所示， 圖10 為對比水壓爆破試驗(yàn)壓力-時間曲線。

表5 對比試驗(yàn)用鋼管參數(shù)

表6 對比試驗(yàn)用鋼管水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖9 對比試驗(yàn)用直縫埋弧焊管水壓爆破口形貌

圖10 對比用鋼管水壓爆破試驗(yàn)壓力-時間曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合對比

對比試驗(yàn)管段外徑及性能參數(shù)與玻璃鋼復(fù)合鋼管 （按減薄層計(jì)算壁厚） 基本相同， 具備對比分析的條件。 兩種鋼管水壓爆破試驗(yàn)綜合對比結(jié)果見表7。 由表7 可以看出， 玻璃鋼復(fù)合鋼管爆破壓力值比對比試驗(yàn)普通鋼管約高44%， 破口長度 （沿鋼管軸向）、 寬度 （沿鋼管周向）、 減薄壁厚等均比普通鋼管小。

表7 兩種鋼管水壓爆破試驗(yàn)綜合對比情況

4.2 強(qiáng)度分析

根據(jù)鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)理論強(qiáng)度計(jì)算公式

式中： S——Rt0.5或Rm， MPa；

t——公稱壁厚， mm；

D——公稱外徑， mm。

將爆破壓力為44.64 MPa、 鋼板抗拉強(qiáng)度為597 MPa 代入公式 （1） 可得， 玻璃鋼復(fù)合鋼管強(qiáng)度相當(dāng)于壁厚為18.99 mm 的同等材質(zhì)鋼管強(qiáng)度；將爆破壓力44.64 MPa、 鋼管壁厚12 mm 帶入公式可得， 玻璃鋼復(fù)合鋼管抗拉強(qiáng)度為944.88 MPa，該值相當(dāng)于X100M 鋼級抗拉強(qiáng)度水平。

4.3 生產(chǎn)成本對比

為了比較普通直縫埋弧焊管和玻璃鋼復(fù)合鋼管在生產(chǎn)成本上的差異， 進(jìn)行了計(jì)算對比分析。按照試驗(yàn)結(jié)果可以初步得出， 5 mm 厚的玻璃鋼復(fù)合層等價于約6 mm 厚鋼材的強(qiáng)度作用， 且玻璃鋼復(fù)合層可以在一定程度上代替鋼管外防腐層使用。按目前Φ508 mm 直縫成品鋼管市場價7 000 元/t進(jìn)行計(jì)算， 與5 mm 厚玻璃鋼層等價的6 mm 厚鋼管的價格為6 312 元/根。 再以目前市場玻璃纖維的價格4 500 元/t 為例， 玻璃纖維的密度約為2.5 t/m3， 采用玻璃鋼層5 mm 厚復(fù)合一根同樣鋼管所消耗的材料費(fèi)約為1 500 元/根， 綜合生產(chǎn)成本不超過2 500 元/根。 由此可見， 玻璃鋼復(fù)合鋼管在生產(chǎn)成本方面較純材質(zhì)鋼管具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

（1） 玻璃鋼復(fù)合鋼管相對于同鋼級純材質(zhì)鋼管的爆破壓力值提高了約44%， 表明玻璃鋼復(fù)合層較大地提升了管體強(qiáng)度。

（2） 玻璃鋼復(fù)合鋼管相對于同鋼級純材質(zhì)鋼管的爆破口尺寸明顯減小， 表明該復(fù)合層具有較為明顯的止裂能力。

（3） 從玻璃鋼復(fù)合鋼管壓力-時間曲線可以看出， 復(fù)合管在水壓爆破過程中沒有明顯的屈服過程， 至爆破點(diǎn)前， 壓力一直隨著時間持續(xù)上升， 可見玻璃鋼復(fù)合層有效地束縛了鋼管的屈服形變過程， 直至爆破發(fā)生。

（4） 玻璃鋼復(fù)合鋼管的外徑膨脹率僅為1.06%～1.20%。

（5） 玻璃鋼復(fù)合鋼管的生產(chǎn)成本較同鋼級純材質(zhì)鋼管低， 具有較高的產(chǎn)品性價比。

致謝：

本次研究工作得到巨石集團(tuán)有限公司、 河北瑞和玻璃鋼有限公司、 河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院等單位的大力支持， 在此表示感謝。