油气田酸性介质输送用玻纤增强PE柔性管性能

李风，张密，于洲，张瑾，黄庭蔚

(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心，山东东营 257000；2.中国石油化工股份有限公司胜利油田检测评价研究有限公司，山东东营 257000； 3.北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

由于H2S，CO2及酸性油气水介质含量高而导致的腐蚀问题愈加严重，使得碳钢和低合金钢等钢管的应用具有较高的风险[1-3]。玻纤增强聚乙烯(PE)柔性管具有柔性好、质量轻、耐腐蚀，以及运输和施工方便等特点[4-5]，所以采用玻纤增强PE 柔性管解决油田地面集输管网防腐问题是一种重要的解决方案。为确定玻纤增强PE柔性管的工况载荷强度，保障应用安全，潘俊等[6]依据相关规范，重点对玻纤增强PE柔性管在30 MPa内压、600 N拉力和5 MPa外压载荷工况下的强度进行分析及校核。张耘晗等[7]进一步根据计算及设计载荷的要求，利用ABAQUS 有限元软件建立柔性管的有限元分析模型，并对其内压、外压和拉伸载荷组合工况下的应力进行分析。阮伟东等[8]对柔性管的弯曲性能进行深入研究，分析了柔性管上卷过程中管道弯矩、弯曲曲率等力学响应规律。

通过查阅文献可知，目前柔性管相关研究主要集中于如何设计柔性管的结构以及分析柔性管在不同工况环境下的载荷情况[9-13]，而对多种工况下柔性管的强度校核和性能分析，则未能结合实验数据进行模型参数修正。笔者根据柔性管设计参数和爆破实验数据，利用ABAQUS软件建立并修正玻纤增强PE柔性管分析参数，再以相关的校核准则为依据，以油田常用的公称直径为100 mm 的油田酸性介质用玻纤增强PE柔性管为例，对其强度及进行具体的计算及分析。

1 管体结构及材料性能参数

1.1 管体结构及设计参数

油田酸性介质用玻纤增强PE 柔性管的主要结构包括内衬层、增强层及外保护层[14]，内衬层和外保护层材料均为高密度聚乙烯(PE-HD)，增强层为玻纤预浸带，各层之间通过热熔相互黏接。内衬层位于柔性管最内侧，起防腐蚀与防渗透的作用；增强层是由玻璃纤维带相互缠绕形成的，位于柔性管的中间，即内衬层和外保护层之间，主要起到承担载荷的作用；外保护层起到保护增强层和内衬层的作用，使外部环境的影响减小，其位于柔性管的外侧。油田酸性介质输送用玻纤增强PE 柔性管内衬层厚度为6.0 mm，外保护层厚度为3.0 mm，增强层材料为玻璃纤维带，玻璃纤维带缠绕角度为±54.4°[15]，缠绕层数为8层，管道规格为DN100 mm，管道设计压力为6.4 MPa。

1.2 材料性能参数

玻璃纤维带的力学性能参数由生产厂家通过实验获得，见表1。

表1 玻璃纤维带材料性能参数

PE-HD力学性能参数由生产厂家提供，见表2。

表2 PE-HD材料力学性能参数

2 有限元参数修正与计算分析

依据上述油田酸性介质用玻纤增强PE 柔性管结构参数及材料参数，利用有限元软件，建立仿真模型。玻纤增强PE 柔性管内衬层和外保护层采用C3D8R 的八节点线性六面体单元；玻纤增强PE 柔性管增强层采用S4R 的四节点曲面薄壳单元。并对网格数量加密后进行网格无关性检验，确认符合计算要求。依据圣维南原理，为减小管道端部应力集中的影响，柔性管模型的长度应至少为其外径的5 倍。在柔性管两端圆心处建立相对参考点，然后在参考点处将柔性管两端面进行耦合，以方便施加载荷。所建立的油田酸性介质用柔性管模型如图1所示，其中管道内外侧分别表示内衬层与外保护层，中间部分表示柔性管增强层。

图1 油田酸性介质用柔性管有限元模型图

2.1 柔性管有限元参数修正

为使有限元模拟结果更准确，现对胜利油田分公司技术检测中心提供的相同生产工艺下其他规格的油田酸性介质用柔性管进行爆破仿真模拟计算，并与其爆破实验值进行对比分析，通过合理的参数修正提高有限元仿真计算准确性。

(1)柔性管管体爆破实验。

依据GB/T 15560-1995流体输送用塑料管材液压瞬时爆破和耐压试验方法，对常用规格的油田酸性介质用柔性管进行爆破实验，爆破实验样管及爆破点实物图如图2 所示，通过爆破实验得到的爆破压力实验值见表3。

图2 爆破实验样管及爆破点实物图

表3 油田酸性介质用柔性管管体结构参数与爆破压力实验值

(2)柔性管有限元分析及参数修正。

建立表3中4种规格的油田酸性介质用柔性管有限元模型。通过有限元仿真软件对其爆破强度进行计算。在柔性管内衬层施加爆破压力，固定柔性管一端并在柔性管另一端施加由爆破压力产生的轴向载荷，轴向载荷下计算公式为:F= π ×P×R2，其中P为柔性管爆破压力值(单位MPa)，R为柔性管内径(单位mm)。由于内衬层和外保护层均为高分子聚合物，较增强层纤维的断裂伸长率更大，而柔性管在爆破过程中主要由于纤维丝断裂导致承载能力下降从而引起管体发生破裂。因此柔性管爆破失效准则确立为:在爆破强度计算过程中增强层纤维方向的应力超过其材料的拉伸强度[16]。通过试算逐渐增大内压，至柔性管增强层纤维方向应力达到其材料强度极限。图3 为管径75 mm，玻纤带缠绕层数4 层的柔性管在22 MPa 内压下的应力云图，此时玻纤带纤维方向的应力值为697 MPa，略高于玻纤带的纵向拉伸强度692 MPa，即柔性管的爆破压力为22 MPa。

图3 Ø75 mm，4层柔性管爆破强度计算云图(内压为22 MPa)

同理，对于公称直径为75 mm，缠绕层数为8层、16 层和公称直径为 50 mm，缠绕层数为20 层的油田酸性介质用柔性管，当管内压力分别达到38，70 MPa和111 MPa时，玻纤带纤维方向的应力值分别为693，695 MPa 和694 MPa，达到玻纤带的纵向拉伸强度692 MPa。为方便进行比较和分析，将模拟计算结果与实验室爆破实验数据进行对比，具体见表4。

表4 爆破实验数据与有限元模拟计算结果对比

由表4可知，对于公称直径为75 mm，缠绕层数为4 层、8 层、16 层和公称直径为50 mm，缠绕层数20层的油田酸性介质用玻纤增强PE柔性管的爆破压力实验值分别为18，34，59 MPa和91.2 MPa，均小于有限元模拟值22，38，70 MPa 和111 MPa。其相对误差分别为22.2%，11.7%，18.6% 和21.7%。由1.1 节可知该柔性管的中间增强层为主要的受力承载层，承受着主要的爆破压力载荷，故该层也是产生实验值和模拟值差异的原因。产生该差异的原因主要有:①玻纤带材料本身存在差别，且具有各向异性的特点，导致受力复杂；②玻纤带缠绕过程中的缠绕精度难以控制，导致各层、各部位受力存在差别。

由于有限元计算分析过程中玻纤带纵向拉伸强度与柔性管是否发生破坏密切相关，因此对玻纤带纵向拉伸强度进行参数修正。经试算玻纤带纵向拉伸强度修正系数取为0.8，即将玻纤带纵向拉伸强度修正为692×0.8=554 MPa，爆破压力仿真计算结果与实验值之间相对误差见表4，均小于10%，符合计算要求。

2.2 柔性管爆破强度校核

参照2.1 节方法建立公称直径为100 mm 的油田酸性介质用玻纤增强PE柔性管有限元模型，对柔性管一端参考点进行全约束，另一端参考点施加轴向拉力，同时在内衬层表面施加爆破压力。通过试算的方法逐渐增大内压值，直到柔性管增强层纤维方向应力超过其材料强度极限，油田酸性介质用柔性管增强层纤维方向受到的最大拉应力如图4。

对于公称直径为100 mm的油田酸性介质用柔性管，当其内压达到24 MPa 时，柔性管增强层纤维方向受到的最大拉应力为554 MPa，达到玻维的拉伸强度554 MPa。故其爆破压力为24 MPa，大于3倍的设计压力，其爆破压力符合设计要求。

2.3 柔性管设计压力下管体结构强度校核

根据柔性管设计参数及材料参数建立其有限元模型，对柔性管内表面施加6.4 MPa的设计压力，将柔性管的一端固定，另一端保留轴向自由度，约束其他5个方向的自由度。

根据APⅠ17B-2014标准规定，在有设计载荷时，柔性管中的内衬层和外保护层不能发生屈服，纤维不得断裂。此外，如果使用单一角度缠绕成型增强层时，如果正负缠绕角之差大于70°时，其基体方向的受力情况也要考虑在内，要保证增强层基体方向不能开裂。为消除管道端部效应的影响，正确分析受力状况，计算结束后，采取管道中间部位应力最大值进行应力分析，应力值大小列于表5。

表5 柔性管设计内压6.4 MPa下各部位应力值 MPa

由表5 可知，Ø100 mm 油田酸性介质用柔性管在设计压力作用下，其内衬层应力值、增强层纤维方向应力值、增强层基体方向应力值、外保护层应力值分别为5.0，110，14.0，3.3 MPa，均在其材料强度极限范围内(内衬层和外保护层材料屈服强度为16 MPa，增强层纤维方向拉伸强度为554 MPa，基体方向拉伸强度为15 MPa)。因此油田酸性介质用柔性管在所设计的缠绕角度与缠绕层数下能满足设计内压的强度要求。

2.4 柔性管管体拉伸强度、弯曲半径计算

(1)柔性管管体拉伸强度计算。

根据APⅠ17B-2014 标准规定，柔性管在铺设过程中会受到轴向拉力载荷，载荷过大容易导致柔性管结构破坏，因此应对最大拉伸载荷进行校核。主要通过试算的方法逐渐增大轴向拉力，直到管道某一层应力接近其材料的强度极限值，将该值作为柔性管的最大拉伸载荷，柔性管各部位应力值列于表6。

表6 柔性管拉伸载荷100 kN下各部位应力值 MPa

由表6可知，对于公称直径为100 mm的油田酸性介质用柔性管，当拉伸载荷达到100 kN 时，柔性管增强层基体方向受到的最大拉应力为14.6 MPa，已接近基体的拉伸强度15 MPa。故该柔性管在实际铺设过程中所能承受的最大拉伸载荷不能超过100 kN。

(2)柔性管盘绕弯曲安全半径计算。

柔性管在实际运输、安装、在位服役过程中会受到不同程度的弯曲作用，一旦实际弯曲半径小于柔性管允许的盘绕弯曲安全半径就会发生弯曲破坏。因此，在多种工况下，需要对其柔性管进行盘绕弯曲安全半径计算。

根据APⅠ17B-2014标准规定，将柔性管在弯曲载荷作用下内衬层、增强层和外保护层所受应力不得超出其材料的强度极限作为最小弯曲安全半径的评判标准。主要通过试算的方法逐渐增大弯曲载荷，直到管道某一层应力接近其材料的强度极限时将该值作为柔性管最小弯曲安全半径。

① 无内压工况下盘绕弯曲安全半径计算。

利用ABAQUS 有限元软件建立有限元模型。在模型两个端面圆心处建立参考点以保证柔性管在弯曲过程中两个端面保持平面，并将参考点和端面进行全耦合约束。为模拟柔性管真实弯曲过程，下端参考点全固定，上端参考点施加转角α，随着转角α增大，柔性管各层应力逐渐增加。

表7 为柔性管转角ɑ为0.32 rad 下各部位应力值(无内压)。由表7 知，对于公称直径为100 mm的油田酸性介质用柔性管，当柔性管端部转角α达到0.32 rad 时，内衬层及外保护层所受的最大应力，已经接近其材料的屈服强度16 MPa。

表7 柔性管转角ɑ为0.32 rad下各部位应力值(无内压)

柔性管盘绕弯曲安全半径可由曲率计算公式得出，即:

其中，K, 为曲率，θRF为施加的转角，0.32 rad，L为柔性管的长度，1 m。

盘绕弯曲安全半径R由R=计算得到，对于公称直径为100 mm的油田酸性介质用柔性管在盘卷运输过程中的弯曲半径不得小于3.1 m。

②内压工况下盘绕弯曲安全半径计算。

内压工况下的柔性管弯曲需要考虑其弯曲过程中内压的作用。与无内压工况不同的是需在柔性管内部施加设计压力，有限元分析方法与无内压工况相同。随着转角ɑ增大，柔性管各层应力逐渐增大。

表8 为柔性管转角ɑ为0.22 rad 下各部位应力值(内压6.4 MPa)。由表8 知，当ɑ达到0.22 rad 时，柔性管在内压和弯曲的共同作用下，内衬层受到的最大Mises 应力已接近其材料的屈服强度16 MPa，代入曲率计算公式，计算得到柔性管盘绕弯曲安全半径为4.6 m。

表8 柔性管转角ɑ为0.22 rad下各部位应力值(内压6.4 MPa)

因此对于公称直径100 mm的油田酸性介质用柔性管，在现场铺设过程中其弯曲半径不得小于4.6 m。

3 结论

根据油田酸性介质用柔性管的结构设计参数，建立参数修正的有限元分析模型，对其多种载荷工况下的强度进行计算及校核，得到以下结论:

(1)通过将爆破压力仿真计算值与爆破实验值对比分析，取玻纤带拉伸强度修正系数为0.8，即玻纤带拉伸强度修正为554 MPa 时，仿真计算结果更符合真实值；

(2)公称直径为100 mm的油田酸性介质用柔性管爆破压力为24 MPa，符合设计要求；

(3)油田酸性介质用柔性管在所设计的缠绕角度与缠绕层数下能够满足设计内压强度要求；

(4)经分析，Ø100 mm的油田酸性介质用柔性管在实际铺设过程中所能承受的最大拉伸载荷不能超过100 kN；柔性管在盘卷运输过程中的弯曲半径不得小于3.1 m；柔性管在现场铺设过程中的弯曲半径不得小于4.6 m。