余志兵，徐志輝，劉剛，潘悅?cè)?，張永輝

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

非粘接柔性管（以下稱“柔性管”）由于具有許多普通碳鋼管不具備的優(yōu)勢(shì)，如擁有良好的防腐性能、較好的撓性、海上鋪設(shè)效率高及可回收重復(fù)使用等[1]，在海洋工程中得到廣泛應(yīng)用。柔性管的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由5 個(gè)功能層和數(shù)個(gè)輔助層構(gòu)成，各層相互無(wú)粘接，其功能和受力既有一定的獨(dú)立性，又互相影響。在柔性管設(shè)計(jì)時(shí)，既要對(duì)各個(gè)功能層進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，以保證柔性管的整體性能滿足項(xiàng)目和規(guī)范的要求，又要保證各層在尺寸和公差上協(xié)調(diào)兼容，在柔性管的整個(gè)生命周期里保持結(jié)構(gòu)的完整性[2]。

內(nèi)壓密封層是一種聚合物材料，具有蠕變性能，即在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加。與材料的塑性變形不同，當(dāng)應(yīng)力作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，盡管應(yīng)力強(qiáng)度小于彈性極限，只要承受了載荷就會(huì)發(fā)生蠕變。內(nèi)壓密封層的抗蠕變性能不足時(shí)，極大影響柔性管的結(jié)構(gòu)密封性，嚴(yán)重情況下管體結(jié)構(gòu)層發(fā)生失效而出現(xiàn)局部泄漏，給工程和環(huán)境造成巨大的損失[3]。

本文詳細(xì)介紹柔性管內(nèi)壓密封層蠕變?cè)O(shè)計(jì)的3 種分析方法：試驗(yàn)方法、有限元方法和簡(jiǎn)化公式法，并給出了這些分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)要素。研究成果可為柔性管的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展提供參考與借鑒。

1 柔性管結(jié)構(gòu)

柔性管管體一般主要由5 個(gè)功能層組成[4]。其中2 個(gè)非金屬層，3 個(gè)金屬層。3 個(gè)金屬層分別是骨架層、抗壓鎧裝層和抗拉鎧裝層，主要為柔性管提供抵抗外載荷的能力。2 個(gè)非金屬層分別是內(nèi)壓密封層和外包覆層，主要作用是對(duì)管內(nèi)介質(zhì)和管外環(huán)境影響如海水進(jìn)行密封。在特定項(xiàng)目中，可根據(jù)不同工況要求對(duì)各層進(jìn)行調(diào)整，如在水深較淺或柔性管層間壓力較小的條件下，內(nèi)壓密封層的抗壓潰能力足以滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以不考慮骨架層。而在有保溫輸送要求或需增加水下管重的考慮時(shí)，則可增加保溫層或配重層的設(shè)計(jì)。

除以上主要功能層以外，柔性管截面還配有輔助層，如防磨層，其用于生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)其他層起約束作用或在2 個(gè)金屬層之間提供防摩擦作用。

2 內(nèi)壓密封層及蠕變特性

常見(jiàn)的內(nèi)壓密封層材料有HDPE、XLPE、PA 和PVDF，其他熱彈性材料也可以使用。由于內(nèi)壓密封層是由非金屬高分子材料構(gòu)成，通常強(qiáng)度較低，獨(dú)自承受內(nèi)壓或者外壓的能力較弱，因此內(nèi)壓密封層的內(nèi)側(cè)和外側(cè)需要有特有的金屬支撐層來(lái)承擔(dān)較大的內(nèi)壓和外壓。內(nèi)外側(cè)的金屬支撐層分別稱作骨架層和抗壓鎧裝層。由于骨架層與抗壓鎧裝層是采用纏繞的方式生產(chǎn)，且沿著柔性管軸向呈現(xiàn)波紋狀，不具備光滑性，因此內(nèi)壓密封層在壓力的持續(xù)作用下會(huì)在骨架層或抗壓鎧裝層的間隙中發(fā)生形變，繼而產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。

蠕變是指一定溫度、保持應(yīng)力不變的作用下，材料形變隨時(shí)間推移而逐漸發(fā)展的現(xiàn)象。聚合物的蠕變是其特有黏彈性的突出表現(xiàn)，不僅與材料自身的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且受外力、溫度影響顯著，是高聚物一種典型的松弛過(guò)程[5]。

作為柔性管內(nèi)壓密封層蠕變?cè)O(shè)計(jì)的主要參考規(guī)范，API SPEC 17J 明確要求，在整個(gè)生命周期內(nèi)，內(nèi)壓密封層材料在所有聯(lián)合工況作用下由于向支撐層變形而造成的減薄不能超過(guò)最小設(shè)計(jì)壁厚的30%[6]。

3 蠕變?cè)O(shè)計(jì)方法

3.1 試驗(yàn)方法

通常，需在多個(gè)不同的溫度工況下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)[7]，每一溫度工況至少取3 個(gè)試樣[8]，管道的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)包括在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)。另外，試驗(yàn)要在具有加載和保溫的條件下進(jìn)行，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求施加合適的載荷，且整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間至少維持在48 h 以上，或至試樣減薄30%。

圖1 和圖2 為某類HDPE內(nèi)壓密封層分別在23℃，40℃，50℃，60℃和70℃溫度下的蠕變?cè)囼?yàn)曲線[9]，以及在溫度23℃條件下的時(shí)溫等效擬合曲線（試驗(yàn)壓力為3 MPa）。從圖2 所示的試驗(yàn)擬合曲線可以看出，在23℃，3 MPa 壓力條件下，25 年后的蠕變約為1.8%。

圖1 不同溫度下蠕變?cè)囼?yàn)曲線Fig.1 The creeping test curve of different temperature

圖2 蠕變?cè)囼?yàn)曲線的擬合Fig.2 The fitting curve of creeping test

3.2 有限元法

3.2.1 有限元模型

采用Ansys 建立二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行數(shù)值模擬，僅考慮內(nèi)壓密封層和抗壓鎧裝層，如圖3 所示。蠕變?cè)诔掷m(xù)載荷作用下的累積變形，因此內(nèi)壓密封層的減薄是時(shí)間的函數(shù)。

圖3 內(nèi)壓密封層蠕變分析有限元模型Fig.3 FEA model of the internal pressure sheath creeping analysis

內(nèi)壓密封層的材料蠕變特性需要使用一個(gè)隨時(shí)間強(qiáng)化的非線性數(shù)學(xué)模型來(lái)描述[10]，將蠕變引起的應(yīng)變率定義為當(dāng)前應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間和溫度的函數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出內(nèi)壓密封層材料在不同溫度下的蠕變性能后，使用非線性回歸曲線擬合方法將蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到材料的時(shí)間－蠕變曲線。

3.2.2 分析工況

考慮柔性管在整個(gè)生命周期內(nèi)的各種工況，如表1所示。

表1 內(nèi)壓密封層蠕變分析工況Tab.1 The creeping analysis cases of internal pressure sheath

表中，T為設(shè)計(jì)溫度，Tmax為最大環(huán)境溫度，23℃表示“常溫”，P為設(shè)計(jì)壓力，R為最小存儲(chǔ)半徑。

3.3 簡(jiǎn)化公式法

簡(jiǎn)化公式法是將內(nèi)壓密封層的蠕變性能轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鐾饨绛h(huán)境允許的蠕變空間，由此使蠕變分析過(guò)程變得簡(jiǎn)單化。考慮內(nèi)壓密封層經(jīng)過(guò)不斷蠕變，至鎧裝層的空隙被完全填充，分析此時(shí)減薄后的內(nèi)壓密封層是否滿足設(shè)計(jì)要求,如圖4 所示。

圖4 公式法示意圖Fig.4 The sketch of simplified formula method

計(jì)算公式如下：

式中：Rt為內(nèi)壓密封層的厚度減薄率，tp為內(nèi)壓密封層的初始厚度，As為抗壓鎧裝層截面積，Bs為抗壓鎧裝層節(jié)距。ts為抗壓鎧裝層的等效厚度，當(dāng)其截面形狀為矩形，ts為厚度，而為不規(guī)則形狀，如Z 型、T 型或C 型等，需要根據(jù)其可能形成的空隙進(jìn)行等效。

若內(nèi)壓密封層的蠕變性能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求，則可以調(diào)整內(nèi)壓密封層和抗壓鎧裝層的尺寸提高其抗蠕變性，或采取增大內(nèi)壓密封層厚度、減少抗壓鎧裝層節(jié)距等方式。

4 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)壓密封層蠕變?cè)O(shè)計(jì)是柔性管設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文提出的3 種蠕變分析方法均可用于柔性管內(nèi)壓密封層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)探討及研究，可以得出如下結(jié)論：

1）試驗(yàn)方法根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行工況，得到不同溫度下的蠕變時(shí)間曲線，然后再擬合成目標(biāo)溫度下的蠕變溫度曲線，從而獲得柔性管設(shè)計(jì)壽命中的蠕變值。在項(xiàng)目周期及經(jīng)費(fèi)充足的情況下，可以采取該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

2）有限元方法借助通用有限元分析軟件，構(gòu)建用于描述材料蠕變應(yīng)變率的數(shù)值模型，對(duì)材料屬性、邊界條件及單元接觸等模擬具有一定的不確定性。

3）簡(jiǎn)化公式法過(guò)程簡(jiǎn)單，使用的資源和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，但是只能對(duì)蠕變結(jié)果進(jìn)行大致的評(píng)估，無(wú)法對(duì)材料本身的蠕變性能作深入研究，該方法僅適用于初步或者前期的蠕變?cè)O(shè)計(jì)和分析。