热残余应力对3PE防腐蚀层剥离的影响

王新华，黄 海，何仁洋，杨国勇，王丽梅

（1.北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京100124；2.中国特种设备检测研究中心管道部，北京100013）

近年来，随着防腐蚀层新技术的发展，单层熔结环氧以及三层聚乙烯防腐蚀层得到广泛应用。其中，埋地钢质管道3PE防腐蚀层采用底层环氧、中间聚乙烯胶粘剂以及表层聚乙烯的组合形式，但是基材与环氧底漆以及各层结合面的剥离现象时有发生。国内外针对3PE防腐蚀层的剥离展开了相关调查，文献［1-5］就防腐蚀层涂覆质量控制、阴极剥离机理以及特定工况下载荷对防腐蚀层剥离影响展开了相关研究。防腐蚀层剥离是一个跨多学科的综合性问题，目前学界对钢质埋地管道3PE防腐蚀层剥离机理尚未提出较统一的分析结论。

3PE防腐蚀层在工厂预制过程中［6］，钢管预热温度达220℃，涂覆后降温至60℃，巨大温差及材料胀缩性差异导致钢管基材与防腐蚀层结界面产生热残余应力；补口施工时高温以及运行时低温也容易在粘结界面产生残余应力；特殊埋地环境（如附近存在热源、季节性温差）也会带来热残余应力。为此，本工作以3PE防腐蚀层涂覆过程中产生的热应力对防腐蚀层不同材料粘结界面的影响为出发点探讨3PE的剥离机理，在不方便用试验检测涂覆过程中热应力变化情况下，通过建立管道-防腐蚀层热传递应力-应变模型，利用Ansys有限元分析软件计算管道基材与防腐蚀层之间热残余应力随防腐蚀层厚度以及管端防腐蚀层形状变化带来的差异，分析热残余应力造成管端防腐蚀层翘边剥离的危害。

1 模型建立

1.1 管道-防腐蚀层系统热应力计算

将管道模型视为无限长，则对象简化为轴对称温度场平面应力模型［7］。将钢质管道和防腐蚀层都看做成一个长圆筒，见图1。

图1 圆筒结构

其中：内径为r、外径为R。

为简化分析，体系的变温过程看做弹性体均匀降温过程。设各弹性体内各点的温度变化为△T。圆筒的轴对称温度平面热应力分量可表示为：

按位移求解轴对称热应力基本方程：

认为无限长圆筒应力主要由径向和环向约束及变温引起，各向应力分量分别为：

式中：σρ为圆筒上距离圆心半径为ρ的某点处的径向热应力分量；σθ为圆筒上距离圆心半径为ρ的某点处的环向热应力分量；σz为圆筒上距离圆心半径为z的某点处的轴向热应力分量；εp为径向应变量；εθ为环向应变量；uρ为径向位移；v为材料泊松比；α为温度引起的材料膨胀系数。

1.2 管道-防腐蚀层各结合界面应力分析

取粘结界面某微小单元（如图2左），微元体的每个面受到三个方向上的应力（一个正应力，两个平行于面的切应力）。

较长圆筒结构，按轴对称温度场应力问题处理，不考虑体积平面应力。二维微小平面单元体（图2）中，σy为沿管道轴向正应力，σx为沿半径方向正应力，τxy为xy平面上剪切应力，σz为环绕y轴垂直于xy平面的环向正应力（图2未显示）。其中，当径向应力σx方向向外时（拉应力），粘结界面两种材料分子之间作用力以及向彼此扩散作用会受到一定削弱，τxy对粘结界面产生直接剪切破坏作用。

图2 圆筒结构一点微元体及二维微单位

2 有限元分析

利用Ansys有限元软件分析管道-防腐蚀层系统从220℃均匀降温至60℃时各结合面热残余应力对防腐蚀层剥离影响情况。选取同时涉及到热学和结构学问题耦合场分析单元，提取不同材料粘结界面各向应力。

2.1 管端部分热残余应力仿真

（1）相关参数 对于3PE防腐蚀层，环氧层厚≥120μm，中间胶粘剂层厚≥170μm，总厚度从1.8～3.6mm不等［8］。表1为管道基材-3PE防腐蚀层体系材料属性［9］。

表1 3PE防腐蚀层体系材料属性

（2）建模仿真 模型管道内径为300mm、壁厚9mm、环氧底漆层膜厚150μm、中间胶粘剂层膜厚250μm；截取距管端尾部长度为100mm的管段，外围3PE防腐蚀层沿管道轴向长度为80mm，3PE防腐蚀层尾端与基材成垂直台阶形状。

图3为管道-防腐蚀层系统轴对称模型网格划分，伸出台阶部分为管端3PE防腐蚀层尾端。取Ansys耦合场分析类型（热分析＋结构分析），选用轴对称八节点平板单元，对不同材料分别赋相应材料属性并划分网格，控制基材底部（y＝0的节点）沿y轴方向自由度为0，施加温度载荷并求解热残余应力。

求解后等效应力云图（三维扩展图）见图4。热残余应力在管端防腐蚀层收尾处附近变化最大；而相对较远离管端处应力基本均匀，说明截取管端部分一小段长度（100mm）作为分析模型的思路是可行的。

图3 管道-防腐蚀层轴对称模型示意图及网格图

图4 管端等效热残余应力云图（三维扩展图）

2.2 表层PE厚膜对热残余应力影响

提取管道基材-3PE防腐蚀层不同材料层粘结面处各应力随着轴向距离变化曲线。

2.2.1 各粘结界面应力分布

以PE层厚度1.8mm为例，提取不同粘结界面径向应力（图中sx）、轴向应力（图中sy）、环向应力（图中sz）以及剪切应力（图中sxy）随轴向（图5横坐标方向）变化曲线。

图5直观地显示了管道基材-3PE防腐蚀层系统三个粘结界面上各向热应力情况：

（1）较远离管端处（横坐标接近0点），径向应力（图中sx）与剪切应力（图中sxy）曲线基本重合，轴向应力（图中sy）与环向应力（图中sz）曲线基本重合，且各向应力在基材与环氧层粘结界面最小，在胶粘剂与PE粘结界面最大；接近管端边缘处（横坐标接近0.08m），各向应力大小发生突变，且最大值出现在基材与环氧层粘结界面处。

（2）除了在接近管端边缘处（横坐标接近0.08m）各向应力值有明显的增大外，相对远离管端处（横坐标接近0点）的各向应力变化不大，表明管端边缘处热残余应力集中现象明显。

基材与环氧层粘结界面上管端边缘处各向应力的数值最大，是三个粘结界面受热残余应力危害最大的结合面。τxy防腐蚀层收尾处最大，由里向外在三个粘结界面的大小分别为6.7MPa，5.7MPa和2.2MPa，呈递减趋势。管道-防腐蚀层系统材质包括钢材、环氧粉末、胶粘剂和聚乙烯四种，后三种材料之间由于物理化学性质差异性比钢材与环氧之间材料性质差别要小，粘结性较强（抗剪切性强）。管端处三个结合面上最大剪切应力（6.7MPa）出现在基材与环氧层粘结面上，是造成防腐蚀层翘边现象的重要原因。

2.2.2 PE层厚度对热残余应力的影响

对比分析PE层厚度变化对粘结面各向应力影响，考察PE层膜厚对基材环氧层结合面上剪切应力及径向应力的变化影响。

据图5、图6，不同厚度PE时，基材与环氧层粘结界面的各向应力沿轴向变化曲线图变化趋势相同，尾端都表现为应力集中现象。防腐蚀层PE厚度分别为1.8mm，2.6mm和3.4mm时，基材与环氧层之间结合面管端处的径向应力分别为12.2MPa，14.0MPa和16.1MPa，剪切应力分别为-6.7MPa，-7.1MPa和-8.7MPa，即PE层越厚，基材环氧层结合面径向应力和剪切应力越大。径向应力为正，粘结界面为受拉状态，从界面附着理论来讲这不利于防腐蚀层的粘结。实践中，PE防腐蚀层加厚能极大提高3PE防腐蚀层性能，说明PE层增厚带来的粘结性能增强作用大于热残余应力带来的破坏作用。

2.3 管端防腐蚀层收尾形状优化

为降低管端补口预留处热残余应力集中效应，将管端防腐蚀层收尾处打磨成坡型。同样借用Ansys有限元分析讨论管端防腐蚀层收尾改成坡型后各结合面间应力变化情况。

图7为防腐蚀层成坡型收尾时管端网格模型，斜坡台阶部分为3PE防腐蚀层。算例中选取PE层厚度为2.6mm、收尾成为30°斜坡。图8为各向应力随轴向变化曲线，与管端为垂直台阶时曲线图（图5）相似，重点关注基材与环氧层粘结界面各应力情况。据图6，当PE层同为2.6mm时管端处基材与环氧层各向应力值对照见表2。

比较发现，将管端防腐蚀层收尾形状由垂直梯形改为30°斜坡后，基材与环氧层结合面的各向应力明显减少。管端防腐蚀层收尾形状的改变较大程度释放了防腐蚀层预制过程中的热残余应力。其中径向应力减少87%、剪切应力减少60%，对降低管端防腐蚀层翘边可能性起到积极作用。

表2 防腐蚀层不同收尾形状基材／环氧层间各应力

3 结论

（1）3PE防腐蚀层表层PE层厚度越厚，热残余应力集中现象越明显，证明单纯从热残余应力对防腐蚀层剥离危害的角度来看，PE层加厚并不能对防腐蚀层的剥离产生有利影响。

（2）基材与环氧层之间以及3PE防腐蚀层不同材料层之间的径向应力和剪切应力是破坏层间粘结力最主要的因素，设法减小这两种应力能较明显的降低热残余应力对防腐蚀层尾端翘边剥离危险。

（3）防腐蚀层在管端的收尾方式对防腐蚀层的剥离具有十分显著的影响，采用坡型形式比采取垂直台阶形式更能有效地释放掉预制涂覆过程产生的热残余应力。

（4）在不方便利用试验检测热残余应力对3PE防腐蚀层剥离影响的情况下，利用Ansys有限元分析法研究管道3PE防腐蚀层层间热残余应力情况是研究防腐蚀层剥离的探索路径之一，后续研究中甚至可以利用该方法探讨补口留管端焊接热效造成的剥离影响。在只涉及到物理场作用特定工况下，模拟加载在管道—防腐蚀层系统上的外界载荷，借助Ansys有限元分析粘结界面应力变化情况是研究钢质管道3PE防腐蚀层剥离机理的有效方法。

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［6］胡士信，廖玉平，王冰怀.管道防腐蚀层设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2007.

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［8］GB／T 23257-2009 埋地钢质管道聚乙烯防腐蚀层［S］.

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