柔性复合管剩余强度试验及失效机理研究*

齐国权，丁 楠，李厚补，邵晓东

(石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

柔性复合管管道具有优良的耐腐蚀性和较低的水力摩阻，近几年在油气田开发地面工程建设中得到了较大规模的应用，对减缓钢制管道腐蚀、节省地面投资、降低维护成本等发挥了重要的作用。目前，柔性复合管管材已应用于油气田的油气集输及输送、供水及注水等系统，长度超过20 000 km，占油气田地面工程管道总数的10%以上[1-6]。

在油气输送过程中，管体内部存在压力，尤其是某些特殊工况下耐压要求更高。为了保障管道输送的安全性以及生产顺利进行，必须要保证所投入生产的管线承受输送介质产生的内压要求。然而，目前我国生产增强热塑性连续管的历史并不长，目前国内产品尚无统一的正式名称，国内各生产厂家的情况也是各不相同，有的引进国外成熟的生产技术，有的则是自行设计研制生产工艺；有的选用高性能材料生产高档产品，有的则选用相对低档的经济型材料；目前市场上的产品可谓是品种多样、性能各异。针对不同种类的产品，部分厂家并没有严格按照相关标准进行产品评定，有些生产厂不具备长期静水压试验条件[7-9]。

准确地进行疲劳寿命估算，对于消除事故发生隐患、制订有效的检修计划和延长使用寿命都具有重要的理论意义和工程实际价值[3]。关于长期静水压推算方法目前有GB/T 18252-2000中用外推法对热塑性塑料管材长期静液压强度的测定。该标准虽然节省了大量时间，但是还是需要1年时间用来做测定，另外试验数据采集点过多，给实际操作带来不便。面对迅速发展的柔性复合管行业，很少有供方或买方按此标准来执行。本文中提出了一种利用静水压试验结合水压爆破试验来测试该批管材剩余强度的方法，并对不同静水压时间下对应的剩余强度值进行数值拟合，最终进行管材寿命预测。

1 静水压和爆破试验

1.1 试验样品

静水压和爆破试验选用的试样为未使用过的新柔性复合高压输送管，结构示意图如图1所示。从图1可见，该样品由内至外分别为塑料内衬层、环向玻璃钢管层、骨架层、交叉螺旋缠绕层以及外保护层，产品型号为DN80 PN16 MPa。其中塑料内衬层材质为PVDF，环向玻璃钢管层、骨架层和交叉螺旋缠绕层材质均为玻纤带，外保护层材质为PE。

图1 试验用柔性复合高压输送管结构示意图

1.2 试验内容

以上述提供的柔性复合管试样为研究对象，90 ℃条件下，在确定管材所需静水压压力值后，开展系列时长的静水压试验和爆破试验，以此确定剩余强度。试验步骤如下：

1)确定管材进行静水压试验所需要压力

对所选取的管材进行静水压试验，试验依据GB/T 6111-2003进行，试验温度为90 ℃，采用水浴加热法。静水压压力值选取置信下限LCL，该值按照SY/T 6794中规定方法计算。其中：MSP=16 MPa；压力安全系数缺省PSF=0.67；循环工作折减系数fcyclic=1；流体折减系数fFluid=0.67。另外，结合Arrhenius公式，最终静水压压力值确定为20 MPa。

2)进行静水压试验

任意选取同批次中的柔性复合管试样12根，每组2根，分为6组。在第一步确定的静水压压力、在90 ℃条件下进行静水压试验，试样选取及试验条件见表1。

表1 柔性复合高压输送管长期服役性能评价试验方案

3)进行爆破试验

按照GB/T 15560-1995标准对静水压试验后的管材试样进行爆破试验，对在不同时间下完成静水压试验的试样分别测试其剩余爆破强度。对数据进行分析，利用相对偏差来判定，相对偏差=[(单次测定值-平均值)/平均值]×100%，当每组测试数据的相对偏差范围在-10%～10%内即认为该组数据正常。

4)数据处理及损伤机理分析

对剩余爆破强度值进行数据拟合，从而对管材寿命进行预测。在完成复合管的寿命预测工作后，采用JEOL-6700F型扫描电镜对增强层材料的原始试样和失效后试样的微观形貌进行观测，分析其损伤机理。

2 试验结果与分析

2.1 剩余强度试验结果

所抽取的12根试样的静水压试验均未发生泄漏，随后对这12根不同时间段下完成静水压的试样进行水压爆破试验。由于一定时间段下的静水压试验就是模拟了该时间段下的实际服役，随后爆破试验所得的爆破强度即为剩余强度，剩余强度试验结果见表2。12根试样爆破后爆裂处形貌比较相似，其中2根试样爆破试验后形貌如图2所示，爆破位置位于管体，裂纹沿增强层缠绕角度延展，与管体轴向呈60°夹角。

分别以静水压时间的对数和剩余强度值的对数作为横纵坐标，利用线性回归法进行数值拟合，对试验数据进行拟合，回归曲线如图3所示。由图3可知，剩余强度值y与管材寿命时间x的关系为：y=78.865-4.493ln(x)，计算可知，当剩余强度值为最大工作压力的1.5倍(24 MPa)时，x值为201 032 h，合计约22.9 a，该寿命预测数值大于管体设计寿命(20 a)，初步推断可知，该管材在排除外界因素等导致失效的情况下，在承受内压及温度分别低于20 MPa和90 ℃时，在20 a内可安全运行。

表2 复合管在90 ℃静水压试验后剩余强度

图2 2根试样爆破试验后形貌

图3 静水压-剩余强度试验结果数值拟合

然而，在实际服役过程中，管材不仅受到温度和压力的作用，还将承受气体介质渗透、压力交替变化而导致管材疲劳、外界人为因素破坏等复杂情况。该试验中仅对恒定的温度和压力因素进行考虑，可以作为管材是否能用于同等或低于试验要求的温度和压力工况条件的充分条件。如果工况条件复杂，应进行综合考虑[10]。

2.2 复合管损伤机理分析

为了进一步明确复合管爆破失效机理，对内压主要承受者的增强层进行损伤机理分析。利用扫描电镜，通过对图4所示的原始玻璃钢管微观形貌观测可以发现，玻璃钢带由三个物理相组成，即纤维相、基体相以及介于它们之间的界面相。三者的弹性模量不同，纤维的弹性模量最大，承载了玻璃钢带95%以上的载荷；基体弹性模量很小，主要起联接、固定纤维的作用，承受压应力及剪切应力；界面是纤维与基体间的连接层，弹性模量介于二者之间，其主要作用是把应力从基体传到纤维上[11-12]。

图4 玻璃钢带原始试样形貌

对爆破至失效的增强层材料微观结构用扫描电镜观察，其微观形貌如图5所示。从图5(a)可见，可以发现在玻璃钢带的损伤过程中，首先发生的是基体开裂，即树脂材料在应力作用下发生塑性变形最终导致开裂。裂纹在基体内缺陷处起始并扩展，直至与界面相碰，假如裂纹尖端的应力不足以使纤维断裂，裂纹进一步扩展就受到抑制[13]。当施加应变足够低时，裂纹仅限于基体内，只表现为裂纹数目的增加。当施加应变高的情况下，裂纹尖端处的纤维可能断裂，进而基体裂纹继续扩展。如果裂纹有足够的长度，裂纹尖端剪应力有可能引起界面发生破坏，导致裂纹转向纤维方向扩展[14]。

随着开裂的进一步发生，裂纹扩展并发生耦合，当扩展至界面时，玻璃纤维发生脱胶现象并与基体分层。界面强度受到较弱相材料特性的限制，也受到制造工艺的限制，它对复合材料的强度和韧性影响很大。未脱胶前，界面在纤维和基体间起传递应力作用，并使二者变形一致；脱胶后，纤维和基体的变形不一致，纤维承载增大，基体几乎不承载[15]。界面脱胶进一步加大了复合材料疲劳损伤扩展的速度和程度。

最后，纤维断裂而导致增强层材料整体失效，即出现管体爆裂情况，如图5(b)所示。由于过载是造成单根纤维断裂的原因，一根纤维可以在沿其长度上的薄弱点处或局部应力集中处(如基体裂纹尖端处)发生破坏。当基体未受损伤时，单一纤维在纤维最薄弱点处发生断裂，纤维断裂将在界面处引起剪应力集中，这有可能引起纤维与基体脱胶。基体中出现的孔隙将使局部拉应力增加从而引起横向开裂。当基体以弥散破坏方式破坏时，纤维断裂使基体裂纹长度增加，并导致邻近纤维应力增加。当基体横截面完全裂开时，由于开裂基体不能承载的载荷将由连接开裂基体的纤维平均承担。

另外，温度对增强层失效影响也至关重要。前期研究表明，随着温度的升高(室温到90 ℃)，柔性复合管的爆破强度平均值值下降15%左右。随着温度的上升，分子热运动发生解取向和结晶，非晶取向降低，结晶度、晶区取向因子逐渐升高。因此，纤维中的微孔尺寸增大且含量增多，开始出现部分大分子断裂，其承载能力明显降低，最终导致复合管承压性能降低。

图5 拉伸后试验形貌

3 结 论

1)通过对玻璃钢带增强的柔性复合高压输送管的剩余强度试验测试，该复合管预测寿命约22.9年，满足其设计寿命20年的要求。

2)柔性复合高压输送管损伤行为分为3个过程：首先，发生的是基体开裂，即树脂材料在应力作用下发生塑性变形最终导致开裂；随着开裂的进一步发生，裂纹扩展并发生耦合，当扩展至界面时，玻璃纤维发生脱胶现象并与基体分层；最后，纤维断裂而导致增强层材料整体失效，即出现管体爆裂情况。