鄭迎雷，孫 晉，李玉娥，者東梅

(中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京 100013)

0 前言

纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管主要應(yīng)用于單井集油、原油長(zhǎng)輸、高壓注水、污水回注等流體物料的輸送。自2004年國(guó)內(nèi)產(chǎn)品推出以來(lái)，纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管已陸續(xù)在塔里木油田、新疆油田、青海油田、吐哈油田、西南油氣田等各大油田投產(chǎn)運(yùn)作，以代替原有的鋼管管線，消除鋼管腐蝕頻繁穿孔給油田生產(chǎn)帶來(lái)的諸多影響和不便[1]。

長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度指標(biāo)是纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管所有性能指標(biāo)中最重要的一項(xiàng)，是壓力等級(jí)確定的基礎(chǔ)，是確定產(chǎn)品使用壓力、溫度等條件和使用壽命的依據(jù)。必須將長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)作為玻璃纖維管道生產(chǎn)企業(yè)市場(chǎng)準(zhǔn)入的最低門檻，使進(jìn)入油田的供應(yīng)商基本上能夠代表玻璃纖維行業(yè)的技術(shù)水平，其質(zhì)量管控能力不存在缺陷，從源頭上消除無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)險(xiǎn)，從而增加競(jìng)爭(zhēng)的充分性和公平性[2]。

纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管材目前主要分為玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管、纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂壓力管、柔性高壓復(fù)合輸送管和熱塑性塑料內(nèi)襯玻璃鋼復(fù)合管。不同產(chǎn)品的纖維含量和纏繞方式對(duì)產(chǎn)品性能都會(huì)有影響。本文只選擇熱塑性塑料內(nèi)襯玻璃鋼復(fù)合管進(jìn)行長(zhǎng)期性能的研究，按照產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6662.7—2016要求進(jìn)行樣品制備并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管作為一種復(fù)合材料，其基體主要是高分子聚合物。在老化過(guò)程中，黏彈性的變化使得彈性模量和蠕變斷裂強(qiáng)度也呈下降的趨勢(shì)。對(duì)纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)主要是考察其長(zhǎng)期蠕變特性，但是這種考察比較困難，目前沒(méi)有精準(zhǔn)的壽命預(yù)測(cè)模型，并且纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)使得其性能具有比較大的離散性，試驗(yàn)時(shí)往往需要很大的樣品數(shù)量[3]。

國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管時(shí)，計(jì)算工作壓力通常采用如式(1)所示的經(jīng)驗(yàn)公式。

PMOP=Pburst/3

(1)

式中PMOP——最大工作壓力， MPa

Pburst——爆破壓力， MPa

通過(guò)短時(shí)失效水壓失效試驗(yàn)得到爆破壓力值，由式(1)得出工作壓力的經(jīng)驗(yàn)值。本文按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2992-12[4]對(duì)纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管材的長(zhǎng)期性能進(jìn)行了研究，所檢纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管材采用B法進(jìn)行長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)，闡述了長(zhǎng)期性能試驗(yàn)的基本原理，進(jìn)一步得到管道的最大工作壓力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚丙烯樹脂，PPB-EH00-V(B8101)，中國(guó)石化北京燕山分公司；

高填充母粒，PHF-118，山東道恩高分子材料股份有限公司；

不飽和聚酯樹脂，A400-972，金陵力聯(lián)思樹脂有限公司；

合股無(wú)捻粗紗，ER13-2400-266，巨石集團(tuán)成都有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

管材爆破試驗(yàn)機(jī)，1574，德國(guó)IPT公司；

管材液壓試驗(yàn)機(jī)，XGNB-N-B，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；

電子數(shù)顯卡尺，111-101Q，廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司。

1.3 樣品制備

管道的纏繞、固化和脫模過(guò)程在同一臺(tái)纏繞設(shè)備完成，減少了模具數(shù)量，節(jié)約了模具吊裝和運(yùn)送時(shí)間，使生產(chǎn)效率大大提高；生產(chǎn)過(guò)程中要求管道纖維含量為75 %～83 %，為了保證產(chǎn)品的纏繞過(guò)程中軸向和環(huán)向的受力平衡，纏繞角度為54.75 °，并能按精確的加熱固化曲線控制內(nèi)加熱金屬模具實(shí)現(xiàn)快速的升溫和降溫過(guò)程，大大提高了固化效率和品質(zhì)； 內(nèi)加熱方式有利于微氣泡的散逸，在管道內(nèi)壁形成一層樹脂層，提高了管道的防腐、防滲性能[5]。實(shí)驗(yàn)中樣品生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

對(duì)纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，保證纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管在正常使用條件下具有所要求的使用壽命。試驗(yàn)依據(jù)ASTM D2992-12中的方法B進(jìn)行。試驗(yàn)在選定溫度(不低于設(shè)計(jì)溫度)下進(jìn)行一系列長(zhǎng)時(shí)間的靜液壓試驗(yàn)，而后通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理和曲線外推才可確定其回歸曲線。

選取了DN100管材通過(guò)制定了合理的分級(jí)試驗(yàn)方案，進(jìn)行了10 000 h以上的試驗(yàn)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集及處理，最終得出了長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)的結(jié)果，試驗(yàn)條件如表1所示，具體參數(shù)為試驗(yàn)用管尺寸：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，采用DN100管材，試驗(yàn)用管長(zhǎng)1 400 mm。管材實(shí)際尺寸按照GB/T 8806—2008，采用管材壁厚測(cè)定儀和π尺測(cè)量自由長(zhǎng)度部分的平均外徑和最小壁厚[6]。試驗(yàn)用管數(shù)量：每個(gè)壓力條件采用3個(gè)管段進(jìn)行相同試驗(yàn)壓力的平行試驗(yàn)，可根據(jù)短期試驗(yàn)結(jié)果增補(bǔ)2～5個(gè)管段進(jìn)行試驗(yàn)；密封接頭：采用B型密封接頭進(jìn)行液壓試驗(yàn)， 密封后管段的自由長(zhǎng)度為1 100 mm； 試驗(yàn)壓力：在室溫23 ℃下，按照GB/T 5351—2005對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行爆破壓力試驗(yàn)[7]，試樣端面應(yīng)與其軸線垂直且平整，無(wú)分層、撕裂等現(xiàn)象；試驗(yàn)溫度：按照ASTM D2992-12標(biāo)準(zhǔn)選擇23 ℃作為長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)的試驗(yàn)溫度點(diǎn)；試驗(yàn)介質(zhì)：管內(nèi)外環(huán)境介質(zhì)均為水；根據(jù)試驗(yàn)方案和相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)所需的23 ℃下不同壓力等級(jí)的靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表1 長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)條件

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 爆破試驗(yàn)

在室溫23 ℃下，按照GB/T 5351—2005對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行爆破壓力試驗(yàn)，得到爆破壓力為37.4、32.7、41.1 MPa，取平均值為37.1 MPa為爆破壓力。在爆破試驗(yàn)過(guò)程中，管材承受內(nèi)靜液壓時(shí)，管壁處于受力狀態(tài)，管壁內(nèi)出現(xiàn)由靜液壓誘導(dǎo)出的應(yīng)力，當(dāng)管壁受力狀態(tài)達(dá)到一定限度時(shí)，管材失效。爆破試驗(yàn)后管體呈撕裂性斷裂，復(fù)合管外層玻璃剛結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞，增強(qiáng)纖維分層嚴(yán)重且裸露在外，基本失去了樹脂基體的保護(hù)[8]。由此可以看出樣品破壞形式屬于韌性破壞，爆破試驗(yàn)后的樣品如圖2所示。

(a)爆破后的樣品 (b)樣品破壞處圖2 爆破試驗(yàn)后的樣品Fig.2 Samples after blasting test

水壓爆破值越高，說(shuō)明內(nèi)襯材料好，工藝品質(zhì)控制的好，內(nèi)襯層真正起到了密封防滲的作用；由于密封防滲層質(zhì)量好，進(jìn)而發(fā)揮了增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，使管道的強(qiáng)度提高。

2.2 分級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在室溫23 ℃下， 按照ASTM D2992-12標(biāo)準(zhǔn)采用方法B對(duì)試驗(yàn)樣品在不同壓力下進(jìn)行長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)。通過(guò)爆破壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取16～27 MPa為管材的試驗(yàn)壓力觀測(cè)值。試樣在不同壓力下的蠕變破壞時(shí)間分布情況如表2所示。結(jié)果表明，以管材形式試樣進(jìn)行的靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，在同一溫度(T)、環(huán)向應(yīng)力(σ)時(shí)，破壞時(shí)間(t)數(shù)據(jù)有較大的分散性，這使得在計(jì)算長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度時(shí)不得不采用統(tǒng)計(jì)分析。長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度概念是一個(gè)不僅與時(shí)間相關(guān)，還和一定的概率相關(guān)的概念。

2.3 長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)蠕變破壞時(shí)間分布

按照ASTM D2992-12標(biāo)準(zhǔn)采用方法B，該方法要求至少有18個(gè)破壞點(diǎn)，其中100 h以下的試驗(yàn)樣品不超過(guò)2個(gè)，1 000～6 000 h的試驗(yàn)樣品不少于3個(gè)，至少1個(gè)樣品試驗(yàn)超過(guò)10 000 h[9]。選取不同壓力值時(shí)，要符合標(biāo)準(zhǔn)中觀測(cè)值分布的要求。試驗(yàn)中長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)觀測(cè)值分布情況如表3所示，可以看出試驗(yàn)觀測(cè)值的分布是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。

表2 長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)的觀測(cè)值分布情況

2.4 數(shù)據(jù)回歸分析

每個(gè)產(chǎn)品族代表的壓力等級(jí)都應(yīng)通過(guò)評(píng)定試驗(yàn)溫度和恒定壓力條件下進(jìn)行的一系列應(yīng)力蠕變破壞試驗(yàn)來(lái)確定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)被用于確定產(chǎn)品族代表的長(zhǎng)期靜液壓力的評(píng)價(jià)回歸曲線以及它的置信下限。置信下限表示97.5 %的預(yù)測(cè)值都位于此值以上。通過(guò)外推此回歸曲線的置信區(qū)間至設(shè)計(jì)壽命可以得到產(chǎn)品族的置信下限。

建立統(tǒng)一的應(yīng)力 - 壽命關(guān)系的理論模型，進(jìn)而使數(shù)據(jù)的回歸方式得到統(tǒng)一。管材的使用壽命通常按照50年設(shè)計(jì)，要想了解管材的50年時(shí)性能，就要建立加速試驗(yàn)方法和曲線外推方法以進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。

采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析[10]，回歸分析模型如式(2)所示：

lg(p)=a+b·lg(t)

(2)

式中p——試驗(yàn)壓力， MPa

t——破壞時(shí)間，s

a,b——材料參數(shù)

通過(guò)上面的試驗(yàn)方法獲得單個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)回歸技術(shù)對(duì)多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到纖維纏繞復(fù)合管材的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度曲線。根據(jù)回歸參數(shù)模型結(jié)果進(jìn)行外推，回歸分析所得參數(shù)a為1.510、b為-0.062、r為0.973、Sxy為-0.044。在一定溫度及破壞時(shí)間下，計(jì)算得到復(fù)合管所能承受的最大靜液壓強(qiáng)度和最大靜液壓強(qiáng)度置信下限如表4所示。外推到23 ℃、50年長(zhǎng)期靜液壓為14.3 MPa，95 %預(yù)測(cè)下限強(qiáng)度為13.4 MPa，95 %置信下限強(qiáng)度為13.6 MPa，因此根據(jù)ASTM D2992-12標(biāo)準(zhǔn)中表3，判定塑料復(fù)合管材壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為12.5 MPa。

表4 靜水壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)(23 ℃)

●—韌性破壞 ◆—進(jìn)行中 —長(zhǎng)期靜液壓 —最小置信下限 — —最小預(yù)測(cè)下限圖3 長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線Fig.3 Long-term hydrostatic strength prediction curve

對(duì)應(yīng)力破壞數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸分析曲線如圖3所示。由表2可知纖維纏繞復(fù)合管材在使用溫度23 ℃、靜液壓應(yīng)力為13.4 MPa時(shí)，使用年限可達(dá)50年以上。與同規(guī)格純塑料管材相比，其在相同使用年限下，靜液壓強(qiáng)度明顯提高，這說(shuō)明該復(fù)合管材具有較高的耐壓強(qiáng)度。從預(yù)測(cè)曲線中可以看出，隨著靜液壓強(qiáng)度的增加，復(fù)合管的韌性破壞時(shí)間逐漸減少。曲線的曲率變化均勻，不存在拐點(diǎn)。這說(shuō)明該管材沒(méi)有脆性破壞，實(shí)際工程應(yīng)用中也證明了這一結(jié)論，與純塑料管材相比這是很明顯的優(yōu)勢(shì)。

得到的長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用于確定長(zhǎng)期靜液壓的平均回歸線及其產(chǎn)品家族代表的置信下限。通過(guò)計(jì)算得到的置信下限，可以由壓力安全系數(shù)和設(shè)計(jì)安全系數(shù)得到產(chǎn)品的最大壓力等級(jí)和最大工作壓力，它們的關(guān)系如圖4所示。由標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 15S 2ND “纏繞增強(qiáng)塑料管線管”可以得到最大壓力等級(jí)PMPR和PMOP。

圖4 確定置信下限、最大額定壓力和最大使用壓力程序Fig.4 Determine action of the lower confidence limit, maximum rated pressure, maximum pressure program

PMPR[11]的計(jì)算公式如式(3)所示：

PMPR=LCL×Fd

(3)

式中 LCL——95 %置信下限強(qiáng)度， MPa

Fd——最大設(shè)計(jì)因子0.67

通過(guò)式(3)計(jì)算得到PMPR為8.38 MPa。

PMOP的計(jì)算公式如式(4)所示：

PMOP=PMPR×Fs

(4)

其中Fs為應(yīng)用因子。當(dāng)管道應(yīng)用于輸送氣體時(shí)，F(xiàn)s≤0.67；應(yīng)用于輸送碳?xì)湟后w或多相液體時(shí)，F(xiàn)s≤0.80；應(yīng)用于輸送水時(shí)，F(xiàn)s≤1.0。一般情況下，管道主要應(yīng)用于輸送碳?xì)湟后w或多相液體，所以選取Fs為0.80，由式(4)得到PMOP為6.7 MPa。

通過(guò)短時(shí)失效水壓失效試驗(yàn)得到的爆破值為37.1 MPa，應(yīng)用企業(yè)經(jīng)驗(yàn)公式得到的工作壓力為12.3 MPa，由此可以說(shuō)明企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)公式不具備生產(chǎn)指導(dǎo)意義，不能反映管材的真實(shí)工作壓力等級(jí)。

由于歷史原因，人們模仿金屬管的力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，將管材在短時(shí)間加壓至爆破，記錄壓力作為管材的性能。這類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)就是時(shí)間短、方便易行。然而塑料管道對(duì)各種載荷的感應(yīng)和結(jié)構(gòu)金屬相比較，在機(jī)理上存在著很大的差別，塑料管道的力學(xué)性能表現(xiàn)與金屬管道顯著不同。在常溫情況下，溫度的波動(dòng)和時(shí)間因素對(duì)金屬性能影響很小。塑料管材是一種黏彈性材料，其力學(xué)性能受到力、形變、溫度和時(shí)間4個(gè)因素的影響。在我國(guó)，打壓爆破試驗(yàn)結(jié)果造成的認(rèn)識(shí)誤區(qū)和行為誤導(dǎo)現(xiàn)象有多次實(shí)例。

3 結(jié)論

(1)按照ASTM D2992-12對(duì)纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管材采用方法B進(jìn)行長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)，分析評(píng)價(jià)得到50年長(zhǎng)期靜液壓為14.3 MPa，95 %預(yù)測(cè)下限強(qiáng)度為13.4 MPa，最大工作壓力為6.7 MPa；

(2)和企業(yè)通常采用短時(shí)水壓失效試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)值相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)值不能反映管材的真實(shí)工作壓力。