海洋柔性管道用复合材料的粘弹性研究

黄允灿，韩 霞

海洋柔性管道用复合材料的粘弹性研究

黄允灿1，韩 霞2

(1. 海装驻武汉地区第六军事代表室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064)

本文主要研究了柔性管道的结构中起增强作用的增强层材料在长期载荷下的蠕变行为。文中用连续拉挤成型工艺制备了CGFRPP单层板，利用万能力学试验机和DMA测试仪测得了预测模型和理论所需要的力学数据，根据所测得的力学数据分别用Burgers模型和时间-温度-应力等效原理(TTSSP)预测CGFRPP的长期力学性能，并将两种预测方法所得的结果进行了分析和比较。研究表明TTSSP对CGFRPP复合材料低应力下的蠕变行为预测具有较好的适用性，Burgers粘弹性模型对于CGFRPP复合材料的蠕变行为预测具有良好的适用性。

柔性管道 复合材料 粘弹性

0 引言

海洋柔性管道是一种多层复合结构的管道,具有可设计性强、弯曲刚度小、强度高、抗疲劳性以及抗腐蚀性好、便于安装的优点，已广泛应用于海上油气开采过程以及海上油气运输的各个阶段，我国在海洋柔性管领域与国外先进水平相比有着非常大的差距[1-3]。由于柔性管道结构的复杂性，以及各层结构的作用各不相同，使得柔性管道各结构层对材料的要求有很大差别[4-5]。本文主要研究柔性管道的结构中起增强作用的增强层材料在长期载荷下的蠕变行为，以期为柔性管道的设计提供参考依据。

海洋柔性管道增强层为热塑性纤维增强复合材料，由单向连续纤维增强热塑性复合材料预浸带材料采用干法缠绕工艺成型。与传统的热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料由于其具有简单的加工成型工艺、优良的力学性能以及成本低可回收等优点，受到了越来越多的关注[6-7]。其中在众多的热塑性基体中，聚丙烯（PP）由于其成本低、良好的力学性能、和耐化学性能，被认为是热塑性复合基体的良好选择。连续玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料（CGFRPP）近几年也因此得到了快速的发展。但是由于热塑性基体的固有蠕变特征，使得复合材料柔性管道在长时间使用和负载的过程中产生蠕变和应力松弛现象，从而对海洋柔性管道的长期稳定性能产生影响[8-10]。因此应用合适的数学模型和理论对热塑性复合材料的长期蠕变性能进行研究并预测是非常有必要的。

1 实验

本文选用连续拉挤成型工艺作为CGFRPP的制备工艺[11]。

CGFRPP单层板的拉伸性能按照标准GB/T 1040.5-2008在万能材料试验机上进行测试。

CGFRPP的短期拉伸蠕变性能通过 DMAQ800 Creep实验方案测试，设定一个恒定载荷，在恒温条件下测量材料的形变量随时间的变化。实验设置温度区间为25℃-65℃，高于PP的玻璃化转变温度，低于其软化点温度，适应于 CGFRPP 构件的普遍工作环境。第一组实验条件：设置静态载荷为4 MPa，设置温度梯度为25℃、45℃和65℃；第二组实验条件：设定温度恒定为25℃，静态载荷分别为4MPa、8 MPa、12 MPa、14 MPa。测试所用的试样尺寸为25 mm×4 mm×0.5 mm。

CGFRPP单层板较长期蠕变性能测试试样与拉伸试样相同，在载荷200 MPa、500 MPa、700 MPa下进行1h蠕变实验；在780 MPa下进行蠕变实验直至试样发生蠕变破坏。

2 结果与讨论

2.1 CGFRPP单层板拉伸性能

为了利用万能力学试验机对两种不同纤维含量的单层板进行了拉伸性能的测试，两种不同纤维含量单层板的拉伸强度和拉伸模量如表1和表2所示。

表1 纤维含量为57.01%的单层板的拉伸性能

因为纤维在单层板受到沿纤维方向拉伸时承受着主要的力，因此纤维含量的增加可以明显地增加连续纤维增强聚丙烯单层板的拉伸性能。由于目前国内连续拉挤成型工艺制备的CGFRPP纤维含量约为60%，本为选用纤维含量为57.01%的单层板进行蠕变性能研究。

表2 纤维含量为75.95%的单层板的拉伸性能

2.2 CGFRPP低应力水平下的蠕变性能

在低应力作用下，CGFRPP的蠕变行为受基体蠕变性能影响较大，如图1和图2所示。这是因为在初始阶段，CGFRPP单层板的形变过程是弹性形变过程，其蠕变速率是呈递减趋势的。之后，进入稳速蠕变阶段，此时CGFRPP单层板的蠕变速率是基本上趋于稳定的。在此阶段，会产生可回复的弹性形变和不可回复的粘性形变，形变的结果与PP聚合物的蠕变行为相同。上述的对比结果表明：CGFRPP单层板的抗蠕变性能随着温度的升高而降低；随着温度的升高，初始时的蠕变速率和和稳态时的蠕变速率会明显增大，因为玻璃纤维的力学性能在25℃-65℃范围内基本上不会因为温度的变化而产生较大的变化，因此可以认为PP基体的粘弹性能决定了温度对CGFRPP单层板蠕变性能的影响，当温度高于PP的玻璃化转变温度时，随着温度升高，链段运动变得容易，且自由体积增大，PP基体分子链段运动能力显著提高，加速了CGFRPP单层板的蠕变。

图1 CGFRPP单层板不同温度下的蠕变曲线

对于DMA测试结果的分析，本文分别使用了TTSSP和Burgers蠕变模型对数据进行了拟合和分析，根据拟合得到的结果可以对CGFRPP一段时间内的蠕变行为进行预测。

2.2.1 TTSSP模拟和预测

图3是依据时间-应力等效得到4 MPa、25 ℃条件下的蠕变主曲线，计算得到CGFRPP单层板11小时时的蠕变柔量为200 µm²/N，应变为0.08%。图4是依据温度-应力等效得到25℃、4 MPa条件下的蠕变主曲线，计算得到CGFRPP单层板13小时时的蠕变柔量为200 µm²/N，应变为0.08%。对比应力-时间等效曲线和温度-时间等效曲线，两者预测CGFRPP单层板蠕变行为比较一致，说明应力和温度对CGFRPP单层板的蠕变性能影响是等效的，验证了TTSSP 理论对连续纤维增强聚丙烯复合材料具有较好的适用性。

根据图3和图4可以预测CGFRPP单层板44小时的蠕变柔量为340 µm²/N，应变为0.136%。

图2 CGFRPP单层板不同应力下的蠕变曲线

图3 依据时间-应力等效得到4MPa、25℃条件下的蠕变主曲线

2.2.2 Burgers四元件粘弹性模型拟合和预测

利用Burgers四元件粘弹性模型对在实验条件4 MPa，25℃下的CGFRPP单层板的蠕变曲线进行了拟合，拟合曲线和实际蠕变曲线的拟合程度2=0.997，如图5所示，说明Burgers蠕变模型能够较好地预测CGFRPP单层板的蠕变行为。拟合得到的Burgers参数列于表3中。利用得到的Burgers模型参数，计算16.7分钟时的蠕变柔量为60.7 μm2/N，这与TTSSP原理在图3和图4预测的结果很接近，说明较短时间内两者预测结果相差不大，均适合预测CGFRPP单层板的短期蠕变。计算11小时时的蠕变柔量为414 μm2/N，这与TTSSP原理在11小时时预测的结果相差较大，原因可能为：由于玻璃纤维是弹性体，且为复合材料中的承载材料，在长时间的拉伸蠕变过程中，纤维应力越来越大，基体的蠕变越来越小，所以用短期蠕变等效长期蠕变会产生较大误差。

图4 依据温度-应力等效得到25 ℃、4 MPa条件下的蠕变主曲线

图5 Burgers四元件粘弹性模型拟合4 MPa、25 ℃下的CGFRPP单层板的蠕变曲线

表3 Burgers蠕变参数

2.3 CGFRPP高应力水平下的蠕变性能

不同于DMA蠕变测试，在万能试验机上进行高应力水平下的CGFRPP单层板蠕变实验中，纤维起着主要的作用，而基体在此过程的作用较小。

2.3.1 Burgers四元件粘弹性模型进行拟合

图6是200 MPa、500 MPa、700 MPa下CGFRPP单层板一小时蠕变实验时间-柔量关系图，拟合后三个曲线的Burgers参数列于表4中。通过拟合程度R2可以看出200 MPa和500 MPa、700 MPa条件下蠕变曲线的拟合程度较好，表明Burgers模型能够较好地预测CGFRPP单层板的蠕变行为。图7是200 MPa、500 MPa、700 MPa、780MPa下的时间-应变曲线，通过图7以看出在780MPa下，应变为6.02%时试样已经失效，此时的蠕变柔量为77.2 μm2/N，根据失效时的断裂应变通过拟合后得到的Burgers粘弹性模型参数可以计算出200 MPa、500 MPa、700 MPa下的CGFRPP单层板的失效时间。

图6 200 MPa、500 MPa、700 MPa下CGFRPP单层板的蠕变时间-柔量曲线

图7 200 MPa、500 MPa、700 MPa、780 MPa下CGFRPP单层板的蠕变时间-应变曲线

Burgers粘弹性模型的拟合公式为：

就可以得出CGFRPP破坏的时间。

经过计算200 MPa、500 MPa、700 MPa下的CGFRPP单层板的失效时间分别为130小时、23.6小时和12.7小时。

Burgers粘弹性模型的拟合曲线和实际曲线拟合程度较高，预测效果比较理想，适合在较高应力水平下预测CGFRPP的长期蠕变性能。

表4 Burgers蠕变参数

3 结论

本文使用DMA测试仪和万能力学试验机测试了CGFRPP的蠕变性能，并用TTSSP和Burgers粘弹性模型进行了模拟，主要得出以下结论：

1）CGFRPP低应力水平下的蠕变性能受基体蠕变性能影响较大。TTSSP模拟结果表明应力-时间等效曲线和温度-时间等效曲线，两者预测CGFRPP单层板的蠕变行为比较一致，说明应力和温度对CGFRPP单层板的蠕变性能影响是等效的，验证了TTSSP 对CGFRPP复合材料的蠕变行为预测具有较好的适用性。

2）低应力水平下Burgers粘弹性模型拟合曲线和实际蠕变曲线的拟合程度2=0.997，高应力水平下Burgers粘弹性模型拟合程度2>0.98，表明Burgers粘弹性模型对于CGFRPP复合材料的蠕变行为预测具有良好的适用性。

3）Burgers粘弹性模型拟合效果在预测CGFRPP单层板的蠕变行为较为理想，得到的拟合曲线与实际曲线的拟合程度比较高。并且通过780 MPa下断裂应变，求得了CGFRPP单层板在200 MPa、500 MPa和700 MPa下的破坏时间分别为130小时、23.6小时和12.7小时。应用Burgers粘弹性模型可以较准确的预测CGFRPP在受到一个恒定应力时的寿命。

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Viscoelasticity of Composite Materials for Marine Flexible Pipelines

Huang Yuncan1, Han Xia2

(1. No.6 Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064, China)

TB33

A

1003-4862（2019）12-0024-04

2019-11-11

黄允灿（1989-），男，工程师。研究方向：海装工程。E-mail: 503287842@qq.com