黃庭蔚，顏廷俊，王剛，叢日峰，儲(chǔ)章森，劉洋

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029； 2.山東冠通管業(yè)有限公司，山東威海 264400)

粘接性玻纖增強(qiáng)柔性管是一種新型增強(qiáng)熱塑性復(fù)合管(RTP)，管體結(jié)構(gòu)一般由內(nèi)襯層、增強(qiáng)層及外保護(hù)層組成[1]，各層之間相互粘接(各層之間通過(guò)熱熔粘接，三層完全熔為一體，形成一個(gè)實(shí)壁管)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。內(nèi)襯層和外保護(hù)層主要起防腐蝕、抗老化及防滲透的作用，增強(qiáng)層是整個(gè)管體受力的主要承載對(duì)象。與常規(guī)的金屬管相比，具有耐腐蝕、柔性好、安裝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、易回收等特點(diǎn)；與非粘接柔性管相比，具有層與層之間高效黏結(jié)，在外載荷作用下無(wú)層間滑移，疲勞壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此粘接性玻纖增強(qiáng)柔性管的發(fā)展與應(yīng)用將成為未來(lái)深海油氣管道的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

圖1 玻纖增強(qiáng)柔性管管體結(jié)構(gòu)

粘接性玻纖增強(qiáng)柔性管的制造工藝一般為首先采用單層實(shí)壁內(nèi)襯層工藝或者三層共擠工藝擠出內(nèi)襯層，然后依托內(nèi)襯層于外表面(于其外表面)進(jìn)行增強(qiáng)層的纏繞熱熔和(熔合)，最后在增強(qiáng)層的外面進(jìn)行外保護(hù)層包覆。其中，增強(qiáng)層玻纖帶的纏繞角度、纏繞層數(shù)以及內(nèi)襯層和外保護(hù)層壁厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響柔性管的性能[3-7]。為了建立柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)與使用性能之間的關(guān)系，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，大大增加了產(chǎn)品的研發(fā)周期和生產(chǎn)成本。有限元技術(shù)是目前分析柔性管力學(xué)性能的主要手段。潘俊等[8]利用玻纖增強(qiáng)柔性立管有限元模型對(duì)柔性立管在三種軸對(duì)稱(chēng)載荷(內(nèi)壓、外壓、拉伸與外壓)下的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，得到內(nèi)襯層、外保護(hù)層、增強(qiáng)層的應(yīng)力分布，并結(jié)合理論方法驗(yàn)證了所建模型的可靠性。李平等[9]通過(guò)有限元方法重點(diǎn)研究了粘接性玻璃纖維熱塑性復(fù)合材料管的極限強(qiáng)度，對(duì)復(fù)合材料管在常溫和加熱溫度下的內(nèi)襯層厚度進(jìn)行了優(yōu)化。彭傳遠(yuǎn)等[10]進(jìn)一步對(duì)大口徑熱塑性復(fù)合材料管在內(nèi)壓載荷下的失效準(zhǔn)則進(jìn)行分析，指出不同失效準(zhǔn)則對(duì)于柔性管的爆破壓力預(yù)測(cè)結(jié)果影響很大，Tsai-Wu失效準(zhǔn)則較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了復(fù)合材料管的爆破壓力。

雖然目前利用有限元法對(duì)熱塑性復(fù)合材料管在內(nèi)壓載荷下的力學(xué)性能有所研究[11-14]，但鮮有報(bào)道將研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)使用情況聯(lián)系起來(lái)。為此研究玻纖增強(qiáng)柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管道承壓性能的影響規(guī)律，確定理論條件下柔性管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行優(yōu)化并開(kāi)展爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，為玻纖增強(qiáng)柔性管的生產(chǎn)制造提供一定的參考。

1 管體及材料參數(shù)

以粘接性玻纖增強(qiáng)柔性管為研究對(duì)象，具體指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

表1 柔性管設(shè)計(jì)指標(biāo)

內(nèi)襯層和外保護(hù)層材料均為高密度聚乙烯(PEHD)，增強(qiáng)層是由玻纖和PE-HD復(fù)合而成的玻纖帶纏繞而成，其中玻纖為增強(qiáng)材料，提供強(qiáng)度與剛度；PE-HD為基體材料，起到保護(hù)和固定玻纖的作用。各層材料的力學(xué)性能參數(shù)由柔性管生產(chǎn)廠(chǎng)家提供，見(jiàn)表2和表3。圖2為柔性管中增強(qiáng)層玻纖帶的局部坐標(biāo)系在管道表面上的示意圖，定義1方向?yàn)槔w維鋪設(shè)方向，2方向?yàn)榇怪庇诶w維方向，3方向?yàn)槔w維帶法向方向。

表2 PE-HD材料力學(xué)性能參數(shù)

表3 玻纖帶材料參數(shù)

圖2 增強(qiáng)層玻纖帶局部坐標(biāo)系示意圖

2 爆破失效判據(jù)確定

玻纖增強(qiáng)柔性管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此要建立有限元模型分析其應(yīng)力分布情況，并結(jié)合DNVGL–RP–F119規(guī)范確定其爆破失效判據(jù)。

2.1 模型建立

依據(jù)玻纖增強(qiáng)柔性管結(jié)構(gòu)特征，并參考傳統(tǒng)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，初步確定柔性管結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表4。根據(jù)圣維南原理，柔性管模型長(zhǎng)度取5倍管徑(管道外徑)980 mm，建立的柔性管有限元模型如圖3所示。

表4 玻纖增強(qiáng)柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 玻纖增強(qiáng)柔性管有限元模型

管道建模采用實(shí)體單元C3D8R劃分網(wǎng)格，采用復(fù)合材料均質(zhì)化Halpin-Tsai模型法模擬增強(qiáng)層，即中間增強(qiáng)層被視為以一種正交各向異性的單層均質(zhì)材料纏繞而成，40層玻纖帶以纏繞角度±55°由內(nèi)向外堆疊，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 玻纖增強(qiáng)層鋪層模型

將柔性管兩端面各層結(jié)構(gòu)耦合至圓心處，其中一端完全固定，另一端僅可沿模型軸向自由伸縮。在管道內(nèi)表面均勻施加載荷用以模擬靜水壓強(qiáng)，載荷從零逐步增大。

2.2 判據(jù)分析

對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)徑152 mm玻纖增強(qiáng)柔性管在內(nèi)壓載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬，獲得設(shè)計(jì)內(nèi)壓30 MPa下的柔性管各層的應(yīng)力云圖，如圖5所示。由圖5可以看出，在內(nèi)壓載荷作用下，柔性管各層受力均勻且截面保持圓形。進(jìn)一步對(duì)比各層應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)層玻纖帶的應(yīng)力隨鋪層順序增加略有降低，如第1層與第40層的應(yīng)力分別為307.9 MPa和302.3 MPa，但均遠(yuǎn)大于內(nèi)襯層和外保護(hù)層的應(yīng)力27.98 MPa和25.75 MPa (為了能最真實(shí)地反映管道受力情況，應(yīng)力值均采用管道中間部位應(yīng)力最大值)，這是由于內(nèi)襯層和外保護(hù)層PE-HD的彈性模量遠(yuǎn)小于玻纖帶的彈性模量；中間增強(qiáng)層是柔性管主要承壓部位，且承受壓力由內(nèi)向外逐漸減小。

圖5 設(shè)計(jì)內(nèi)壓30 MPa下柔性管各層應(yīng)力分布

不同內(nèi)壓載荷下柔性管各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力變化見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，柔性管各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力值均隨著內(nèi)壓的增加而上升。最內(nèi)層與最外層玻纖帶應(yīng)力差也隨著內(nèi)壓增大而增大，說(shuō)明最內(nèi)層玻纖帶的應(yīng)力總是大于最外層，是增強(qiáng)層最容易破壞的部位。

圖6 不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨內(nèi)壓載荷的變化曲線(xiàn)

根據(jù)DNVGL–RP–F119規(guī)范：如果玻纖增強(qiáng)柔性管具有內(nèi)襯層及外保護(hù)層，則柔性管的增強(qiáng)層允許基體開(kāi)裂。這與Tsai-Wu失效準(zhǔn)則不同，因?yàn)椴＠w增強(qiáng)柔性管具有內(nèi)襯層及外保護(hù)層的防護(hù)，即使增強(qiáng)層基體開(kāi)裂，也能阻止管內(nèi)外介質(zhì)的相互滲透和泄漏。因此，采用最內(nèi)層玻纖帶的抗拉極限作為柔性管的爆破失效判據(jù)，即只要最內(nèi)層玻纖帶應(yīng)力達(dá)到其拉伸強(qiáng)度時(shí)，玻纖帶材料斷裂破壞，此時(shí)的內(nèi)壓載荷就是柔性管的爆破壓力。如圖6c所示，當(dāng)玻纖帶所受應(yīng)力達(dá)到其拉伸強(qiáng)度949 MPa時(shí)，此時(shí)玻纖增強(qiáng)柔性管的內(nèi)壓載荷為92.47 MPa，即柔性管的爆破壓力為92.47 MPa。

3 柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)承壓性能的影響

3.1 玻纖帶纏繞角度對(duì)柔性管承壓性能的影響

增強(qiáng)層玻纖帶纏繞角度是指玻纖帶纏繞方向與柔性管軸向的夾角，它是影響玻纖增強(qiáng)柔性管承壓性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。不同玻纖帶纏繞角度下柔性管的爆破壓力如圖7所示。隨著纏繞角度增加，柔性管爆破壓力不斷增加。纏繞角度在±35°～±45°之間時(shí)，爆破壓力增長(zhǎng)緩慢；在±45°～±80°之間時(shí)，爆破壓力迅速增長(zhǎng)；±80°之后，爆破壓力增長(zhǎng)趨于平緩。根據(jù)API-17B規(guī)定，當(dāng)玻纖帶纏繞角度為±55°時(shí)，可以平衡由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，故選擇玻纖帶纏繞角度為±55°。

圖7 不同玻纖帶纏繞角度柔性管的爆破壓力

3.2 玻纖帶纏繞層數(shù)對(duì)柔性管承壓性能的影響

增強(qiáng)層是柔性管的承壓主體，因此采用上述模型研究不同玻纖帶層數(shù)對(duì)柔性管爆破強(qiáng)度的影響。圖8為柔性管內(nèi)徑保持152 mm、內(nèi)襯層和外保護(hù)層壁厚保持5 mm以及玻纖帶纏繞角度±55°不變的條件下，爆破壓力隨玻纖帶層數(shù)的變化規(guī)律。可以看出，柔性管的爆破壓力隨玻纖帶層數(shù)的增加而上升。當(dāng)玻纖帶層數(shù)由20層上升到80層時(shí)，柔性管的爆破壓力由50.32 MPa上升到了180.78 MPa。依據(jù)SY/T 6662.2-2020標(biāo)準(zhǔn)要求，柔性管的爆破壓力應(yīng)大于3倍設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)玻纖帶層數(shù)為40層時(shí)，該柔性管的爆破壓力為92.47 MPa (大于3倍設(shè)計(jì)內(nèi)壓90 MPa)，綜合考慮制造成本和生產(chǎn)效率，確定40層玻纖帶纏繞層數(shù)即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)內(nèi)徑152 mm、設(shè)計(jì)內(nèi)壓30 MPa柔性管的制造要求。

圖8 不同玻纖帶纏繞層數(shù)柔性管的爆破壓力

3.3 內(nèi)襯層壁厚對(duì)柔性管承壓性能的影響

在保持柔性管內(nèi)徑152 mm、增強(qiáng)層玻纖帶纏繞角度±55°、纏繞層數(shù)40層和外保護(hù)層壁厚5 mm不變的情況下，研究?jī)?nèi)襯層壁厚對(duì)柔性管承壓性能的影響。內(nèi)襯層壁厚為5～75 mm (柔性管整體壁厚98～168 mm)時(shí)，柔性管在設(shè)計(jì)內(nèi)壓30 MPa作用下的內(nèi)襯層和外保護(hù)層應(yīng)力變化如圖9所示：在相同內(nèi)壓載荷作用下，外保護(hù)層應(yīng)力隨內(nèi)襯層壁厚的增加而降低，且變化率逐漸減??；內(nèi)襯層應(yīng)力隨內(nèi)襯層壁厚的增加先降低后增加。說(shuō)明當(dāng)內(nèi)襯層壁厚小于25 mm時(shí)，內(nèi)襯層主要起防腐蝕、抗老化及防滲透的作用；當(dāng)其壁厚過(guò)大以至大于25 mm時(shí)，內(nèi)襯層開(kāi)始分擔(dān)增強(qiáng)層承受的載荷，此時(shí)增大內(nèi)襯層壁厚反而不會(huì)使其應(yīng)力降低。當(dāng)內(nèi)襯層壁厚為25 mm時(shí)，內(nèi)襯層應(yīng)力最小，因此初步確定以25 mm作為內(nèi)襯層壁厚。

圖9 不同內(nèi)襯層壁厚柔性管內(nèi)襯層及外保護(hù)層應(yīng)力變化

3.4 外保護(hù)層壁厚對(duì)復(fù)合管承壓性能的影響

由圖9可知，30 MPa設(shè)計(jì)內(nèi)壓下內(nèi)襯層應(yīng)力最小為23.44 MPa，大于內(nèi)襯層材料PE-HD的屈服強(qiáng)度21 MPa，可通過(guò)改變外保護(hù)層壁厚以降低內(nèi)襯層應(yīng)力。在保持柔性管內(nèi)徑152 mm、內(nèi)襯層壁厚25 mm和增強(qiáng)層玻纖帶纏繞角度±55°、纏繞層數(shù)40層不變的情況下，研究外保護(hù)層壁厚對(duì)柔性管承壓性能的影響。外保護(hù)層壁厚為5～30 mm (柔性管整體壁厚118～143 mm)時(shí)，柔性管在30 MPa內(nèi)壓載荷作用下的內(nèi)、外保護(hù)層應(yīng)力變化如圖10所示。在相同內(nèi)壓載荷作用下，內(nèi)襯層及外保護(hù)層應(yīng)力均隨外保護(hù)層壁厚的增加而降低，表明增大柔性管外保護(hù)層的壁厚可以一定程度降低內(nèi)、外保護(hù)層應(yīng)力，進(jìn)而提高柔性管的承壓性能。此外，由圖10可知，外保護(hù)層應(yīng)力一直低于PE-HD的屈服強(qiáng)度21 MPa，當(dāng)外保護(hù)層壁厚增加至25 mm時(shí)，內(nèi)襯層應(yīng)力減小到20.5 MPa，因此，在滿(mǎn)足玻纖增強(qiáng)柔性管承壓性能的基礎(chǔ)上，綜合考慮生產(chǎn)成本等因素，外保護(hù)層的最小壁厚應(yīng)為25 mm。

圖10 不同外保護(hù)層壁厚時(shí)柔性管內(nèi)襯層及外保護(hù)層應(yīng)力變化

3.5 柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

基于玻纖增強(qiáng)柔性管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算得到柔性管總壁厚為62 mm，此時(shí)管道柔性大幅度降低，不利于實(shí)際工程應(yīng)用。現(xiàn)考慮增加玻纖帶纏繞層數(shù)，以減小內(nèi)襯層及外保護(hù)層壁厚。在保持柔性管內(nèi)徑152 mm、外保護(hù)層壁厚5 mm和增強(qiáng)層玻纖帶纏繞角度±55°不變的情況下，將玻纖帶纏繞層數(shù)增加至60層，圖11為30 MPa設(shè)計(jì)內(nèi)壓下，柔性管內(nèi)襯層及外保護(hù)層應(yīng)力隨內(nèi)襯層壁厚變化情況。由圖11可知，內(nèi)襯層依舊在壁厚25 mm時(shí)所受應(yīng)力最小，由此推斷，內(nèi)襯層所受應(yīng)力最小壁厚不隨玻纖帶纏繞層數(shù)改變而改變。此外，內(nèi)襯層及外保護(hù)層壁厚均為5 mm時(shí)，其應(yīng)力大小分別為20.89和18.42 MPa，小于但接近PE-HD的屈服強(qiáng)度21 MPa。

圖11 不同內(nèi)襯層壁厚時(shí)柔性管內(nèi)襯層及外保護(hù)層應(yīng)力變化

依據(jù)上述分析，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)內(nèi)徑152 mm、設(shè)計(jì)內(nèi)壓30 MPa的情況下，考慮一定裕度后現(xiàn)場(chǎng)決定采用玻纖帶纏繞角度±55°、纏繞層數(shù)60層、內(nèi)襯層及外保護(hù)層壁厚均為10 mm的玻纖增強(qiáng)柔性管，并進(jìn)一步開(kāi)展爆破試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

柔性管生產(chǎn)完成后，選擇機(jī)械扣壓式接頭進(jìn)行安裝，將柔性管管體和接頭連接成一個(gè)整體，連接方式見(jiàn)圖12。為防止試驗(yàn)時(shí)管體發(fā)生偏移，將扣壓完成后的柔性管管體進(jìn)行支撐固定，安裝完成后的試驗(yàn)樣管如圖13所示。依照規(guī)范DNVGL-ST-F119/EditionAugust 2018進(jìn)行玻纖增強(qiáng)柔性管爆破試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，樣管爆破示意圖見(jiàn)圖14。

表5 爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖12 機(jī)械扣壓接頭連接示意圖

圖13 試驗(yàn)樣管安裝固定示意圖

圖14 試驗(yàn)樣管爆破示意圖

由爆破試驗(yàn)結(jié)果可知，兩次爆破壓力分別為52.58 MPa和56.60 MPa (平均54.59 MPa)。根據(jù)GB/T 15560-1995標(biāo)準(zhǔn)的要求，管道爆破位置與接頭的距離至少為一個(gè)直徑長(zhǎng)度才可排除接頭對(duì)管道的影響，故此次試驗(yàn)壓力并不能代表管道的極限承載力。改進(jìn)接頭結(jié)構(gòu)(防止在接頭尾部出現(xiàn)應(yīng)力集中)并優(yōu)化接頭扣壓量后，再次進(jìn)行爆破試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，樣管爆破示意圖如圖15所示。

表6 接頭優(yōu)化后爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖15 接頭優(yōu)化后試驗(yàn)樣管爆破示意圖

由爆破試驗(yàn)結(jié)果可知，接頭優(yōu)化后兩次爆破壓力分別為60.35 MPa和60.62 MPa (平均60.49 MPa)。四組試驗(yàn)的爆破壓力基本維持在50～60 MPa之間，因此，對(duì)于使用扣壓接頭連接的玻纖帶纏繞層數(shù)為60層的設(shè)計(jì)內(nèi)徑152 mm玻纖增強(qiáng)柔性管的最大爆破壓力值即為上述實(shí)驗(yàn)值。雖然爆破部位發(fā)生在接頭與管道的連接處，不符合GB/T 15560-1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的位置，但通過(guò)四次試驗(yàn)得出結(jié)論：柔性管的爆破壓力不僅取決于管體結(jié)構(gòu)及工藝本身，還取決于與接頭連接后的整體承載能力。

提高管道整體承載能力主要分為兩方面：一方面提高柔性管本身承載能力，另一方面繼續(xù)改進(jìn)機(jī)械扣壓接頭結(jié)構(gòu)，或者更換為其它接頭形式。

通過(guò)增加玻纖帶纏繞層數(shù)至100層來(lái)提高管體本身承載能力，受現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備的影響，將內(nèi)襯層及外保護(hù)層壁厚改為8 mm，此時(shí)柔性管總壁厚為46 mm，并且再次進(jìn)行爆破試驗(yàn)，樣管爆破示意圖如圖16所示。

圖16 試驗(yàn)樣管爆破示意圖

通過(guò)爆破試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常溫下施加內(nèi)壓載荷90.4 MPa、60 ℃下保溫1 h后施加內(nèi)壓載荷90.5 MPa，管體無(wú)滲漏、破壞失效現(xiàn)象。說(shuō)明該尺寸柔性管爆破試驗(yàn)合格，符合要求。

5 結(jié)論

(1) 隨著增強(qiáng)層玻纖帶的纏繞角度、纏繞層數(shù)以及外保護(hù)層壁厚增加，柔性管承壓性能提高；隨著內(nèi)襯層壁厚增加，柔性管承壓性能先提高后降低。

(2) 玻纖增強(qiáng)柔性管的爆破壓力不僅取決于管體結(jié)構(gòu)及工藝本身，還取決于與接頭連接后的整承載能力。

(3) 理論條件下設(shè)計(jì)內(nèi)徑152 mm、設(shè)計(jì)內(nèi)壓30 MPa玻纖增強(qiáng)柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)為：玻纖帶纏繞角度±55°，玻纖帶纏繞層數(shù)40層，內(nèi)襯層壁厚為25 mm，外保護(hù)層壁厚為25 mm。經(jīng)過(guò)柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，得到柔性管的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)為：玻纖帶纏繞角度±55°，玻纖帶纏繞層數(shù)100層，內(nèi)襯層壁厚為8 mm，外保護(hù)層壁厚為8 mm。與理論條件下柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)相比：玻纖帶纏繞層數(shù)提高了150%，內(nèi)襯層和外保護(hù)層壁厚降低了68%。柔性管總壁厚由62 mm降低到46 mm，降低了25.8%。