基于气体渗透的热塑性塑料管屈曲失效研究现状及展望*

李厚补,张学敏,孔鲁诗,王维鑫,丁 晗,朱文峰,刘君林

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司,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 陕西 西安 710077; 2.长安大学材料科学与工程学院 陕西 西安 710064; 3.中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司机械厂 甘肃 酒泉 735200; 4.中国石油青海油田公司钻采工艺研究院 甘肃 敦煌 736202)

0 引 言

我国油气资源开发不断深入,各油田油气集输用钢质管道的腐蚀问题日益突出[1]。非金属材料具有优异的耐腐蚀性能,成为油气集输用钢质管道腐蚀治理的重要方案。对于已建钢质管道,采用非开挖方法,将高密度聚乙烯(HDPE)、尼龙(PA)等热塑性塑料管材穿插进入钢质管道内壁[2],形成“管中管”结构,在提升钢质管道防腐性能的同时可大幅延长其使用寿命,现已在我国油田使用逾7 000 km。在内穿插修复管道中,与油气介质直接接触的热塑性塑料内衬管在腐蚀防护中发挥着至关重要的作用。

内穿插修复管道技术已成为我国油田地面工程解决已建和新建集输管道腐蚀问题的重要方案,然而随着该技术在油田的持续推广应用,以及管道系统服役时间的延长,内穿插修复用热塑性塑料管发生了越来越多特征一致的径向屈曲失效(坍塌)问题,且无法恢复,使得管道输送通量大幅降低,运行压力突然提升,进而造成整条管线被迫停用,严重阻碍了内穿插修复管道技术的推广使用,给钢质管道的腐蚀防护带来新的严峻挑战。

近年来,越来越多的研究者认为热塑性塑料管材径向屈曲失效的根本原因在于管内输送/存储的气体介质渗透穿过整个热塑性塑料管壁产生了附加的外部压力[3-7]。由于热塑性塑料的材料特性,气体渗透过程不可避免[8]:气体分子首先在其表面发生吸附现象,并沿着热塑性塑料管壁厚方向扩散,最终在热塑性塑料管材外壁脱附。脱附后的气体将积聚在内衬管/钢管之间的环空。在管道停运、内压波动或突然负压时,积聚在环空内的气体产生的外压会造成热塑性塑料管材产生径向屈曲或坍塌失效。在油气集输工况环境下,除了CH4、H2S、CO2等各类气体会沿热塑性塑料管材壁厚方向产生气体渗透之外,石油液态介质也会不可避免地渗入热塑性塑料高分子内部,撑开分子链,增加其体积,造成比较明显的溶胀现象[9],进而导致热塑性塑料管材模量和环刚度下降,增大了管材径向屈曲和坍塌失效的风险。

综上分析可知,油气集输用热塑性塑料内衬管径向屈曲失效取决于2个因素:1)环空处渗透气体产生的压力;2)内衬管抗屈曲失效的能力。若环空处渗透气体压力与管道内压差值大于内衬管的临界屈曲失效压力,则会发生径向屈曲失效。因此,基于油气集输工况环境,研究确定热塑性塑料内衬管材的抗屈曲和坍塌性能,探讨内穿插修复管道结构形式中气体渗透环空压力确定方法,是定量评估热塑性塑料内衬管屈曲失效风险的根本举措,也是分析确定热塑性塑料内衬管屈曲失效临界运行工况条件的必然途径,同时对优化特定油气工况环境下热塑性塑料内衬管的选材设计(明确材料类型、管材径厚比等),从源头上避免热塑性塑料内衬管屈曲失效也具有重要指导意义。

1 热塑性塑料内衬管屈曲失效国内外研究现状

在油气集输条件下,热塑性塑料内衬管被限制在钢管内层,受到刚性约束,管道结构如图1所示。热塑性塑料内衬管通常为柔性的薄壁结构,属于薄壳结构体系,会在一定的外部压力作用下发生稳定性破坏,即屈曲失效,如图2所示。近年来国内外学者对这种受约束内衬管的屈曲失效规律和模型开展了理论模型研究、数值模拟和试验研究。

图1 内穿插修复管道结构

图2 热塑性塑料内衬管径向屈曲失效

1.1 内衬管屈曲失效的理论模型研究

对于受约束管道静压屈曲的研究可追溯至20世纪50年代,Amstutz假设受约束内衬管是纵向上载荷与变形均布的无限长圆柱壳体,从而将圆柱壳简化为平面受约束圆环,并认为在外部压力和刚性约束的作用下,上部圆弧段将发生向下的屈曲变形,屈曲部分的形态呈正弦函数[10]。该屈曲理论以及经典假设也成为后来学者建立非线性屈服模型的研究基础。

Cheney[11]采用小挠度线性理论研究了受刚性约束薄壁圆环在静水压下的屈曲,提出屈曲以“单瓣”模式发生,即圆环从局部开始屈曲,几何上可以分为两部分,如图3所示:1)上部发生屈曲变形进而脱离外部刚性内壁,脱离部分同时出现环向应变和弯曲应变;2)下部与刚性内壁贴合部分,该部分只有环向变形而没有径向位移。Cheney给出的临界屈曲压力表达式为:

(1)

式中:E是杨氏模量,GPa;υ是泊松比;D是圆柱壳直径,mm;t是壁厚,mm。

Glock[12]同样采用了平面应变圆环简化和单瓣屈曲假设,基于大挠度变形理论并利用最小势能法推导出非线性屈曲理论模型。该模型假设圆环和外部的刚性约束之间没有摩擦作用,也不考虑材料的塑性变形,因此能够准确预测薄壁管在屈服前发生的弹性屈曲失效。Glock提出的临界屈曲压力方程为:

(2)

比较Cheney和Glock的屈曲模型发现,由于二者采用了不同的假设,Cheney屈曲模型得到的临界屈曲压力达到Glock模型的2.55倍。

Cheney屈曲模型和Glock屈曲模型是2个经典的理论计算方法,成为后来很多研究的参考依据。后续的实验室试验和数值模拟分析表明,Glock的屈曲模型更加接近实际情况。

然而,以上模型并未考虑材料的塑性变形。Jacobsen[13]建立了一个考虑屈服的半解析模型,考虑了内衬在某个点达到材料屈服应力的临界压力。对于较厚的管道,在达到屈曲压力之前会发生屈服,因此模型预测的坍塌压力可能会低于实际破坏压力;而薄壁管在达到屈服应力之前往往会因屈曲而失效,因此模型预测的临界压力大于实际失效压力。

针对受到外部约束的内衬管屈曲模型,也有学者提出了其他的计算理论,如Vasilikis和Karamanos[14]提出了塑性铰模型,假设薄壳为弹性体,屈曲变形发生在某一段圆弧位置,不发生收缩或者伸长,圆弧的2个端点为移动塑性铰,二者的中心点为静力塑性铰,并提出了相应的理论计算公式。Zhao和Whittle考虑到内衬材料弹性模量取值并不准确,在总结前人的研究成果上,根据材料的蠕变特性,提出了以临界应变为判断依据的内衬屈曲计算模型,认为发生屈曲破坏时的临界应变由内衬的尺寸比D/t决定,并建立了内衬尺寸比D/t和外部压力P之间的函数关系,从而回避了弹性模量取值的问题。

1.2 内衬管屈曲失效的数值模拟研究

由于理论计算具有不可避免的缺点,如不能分析内衬管在制造、运输和安装过程中产生的几何尺寸变化及表面缺陷对屈曲的影响,因此,学者们往往采用数值模拟的方法对理论结果进行验证。有限元法能模拟管道变形的真实状态,计算结果也更为准确。

El-Sawy[15-17]采用有限元分析研究了均匀外压下与刚性主管道紧密配合和松配合时的内衬管的屈曲行为,提出了回归方程式以确定屈曲是弹性还是非弹性,并评估了临界屈曲压力。在有限元模拟分析时还考虑了主管道和内衬之间的初始间隙,结合数值模拟结果,提出经验方程为:

(3)

式中:g是内衬与主管道之间的最大初始间隙,mm;R为内衬管半径,mm;其他符号意义同上文。

Madryas和Szot[18]采用二维有限元方法分析了缺陷对内衬管临界屈曲应力的影响,并基于有限元分析结果进行回归分析,提出了估算屈曲压力的通用方程,如式(4)所示。在无缺陷的情况下(d=0),该方程与Glock屈曲模型给出的临界屈曲压力表达式一致。

(4)

其中E′为平面应变变形时的杨氏模量,其表达式为:

E′=E/(1-υ2)

(5)

Rueda[4]对高密度聚乙烯(HDPE)内衬管的屈曲坍塌行为进行了有限元模拟,在模型中引入静液压单元并考虑外部静水压效应,成功再现了内衬管整体屈曲塌陷的情况,评估了HDPE内衬承受屈曲塌陷的机械响应,并通过数值模拟比较了经典的理论模型,发现在描述HDPE内衬管屈曲时,Jacobsen方法误差较大,而Glock方法更简单有效。

Bai[19]采用有限元软件对增强热塑性塑料复合管的初始椭圆度、残余应力和应变硬化等进行了敏感性分析,研究了外压、轴向拉力和弯矩等复杂载荷作用下的屈曲性能。

梁光强[20]采用有限元分析重点研究了海底埋设管道的屈曲机理及影响因素,确定了海底管道应力集中现象。但因海洋环境的复杂性,海底管道屈曲机理及解决方案还有待进一步研究。

1.3 内衬管屈曲失效的试验研究

试验分析是验证理论与数值模拟研究正确性不可或缺的一步,诸多学者做了大量的试验工作。Aggarwal和Cooper[21]对松散地包裹在钢管内的塑料内衬管进行了一系列测试,并报告了通过试验获得的临界压力以及单瓣和双瓣屈曲模型。Boot[22]采用试验方法研究了具有较小缺陷内衬管的弹性屈曲,仅观察到“双瓣”屈曲。Pavlovic[23]采用具有内部支撑系统的4个自由管模拟主管壁的约束,测试发现受约束内衬管的弯曲应变相当小,其通过弹性屈曲而失效。此外,Gong[24]在密封高压舱内对管件样品的屈曲传播进行了试验研究,提出了数值分析技术和经验屈曲公式。但是,所有上述试验仅明确了内衬管的临界压力和屈曲模式,而几乎未研究内衬管的屈曲行为。另外,所有试验均使用了端部夹紧密封的内衬管,不可避免地会使临界屈曲压力测试值偏高。

Rueda[25]设计并构造了一种对高密度聚乙烯(HDPE)内衬管执行短期物理塌陷屈曲测试的装置,以探讨温度对限制在钢管内的HDPE内衬管的屈曲参数的影响,并根据参数研究得出的数据,获得了预测的Glock类型函数。

Wang[26]在外部水压下对氯乙烯(VU250)内衬管的屈曲行为进行了全面的试验研究,使用新型加压设备研究了装配好的内衬管的屈曲行为及坍塌机理。试验结果表明,不同环空间隙和约束条件下,包裹在钢管里的内衬管可能会由于无弹性的单瓣屈曲或弹性屈曲而坍塌失效。

2 全尺寸热塑性塑料管材气体渗透性能国内外研究现状

聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等热塑性塑料是在热塑性聚合物树脂中添加各种助剂配制而成,聚合物材料本身和渗透介质共同决定了气体分子的渗透性。目前,描述气体在聚合物中的最广泛接受的渗透机理是溶解—扩散机理(即:吸附→溶解→溶解平衡→扩散→解吸[8])。基于以上机理认识,国内外大多是围绕薄膜样品(厚度为微米级)开展气体渗透性能研究。但薄膜样品的制作工艺、结晶度、取向度、聚集态等均与挤塑成型的全尺寸管材差异较大,因此其渗透性能不足以直接反映热塑性塑料管材的渗透性能。近年来,全尺寸热塑性塑料管材的气体渗透性能研究逐渐引起关注。

Makino等[27]为了预测海上采油用增强热塑性塑料复合管环空中气体压力随时间的变化关系,基于Fick 扩散定律建立了管材内衬层与外保护层的渗透差值模型,研究证明了气体在复合管中的渗透行为符合溶解—扩散渗透机理。在不考虑气体渗透控制措施的前提下,预测了DN101.6 mm、PN34.5 MPa的增强热塑性塑料复合管的使用寿命,结果表明环空压力导致外保护层破损失效的时间显著低于管材的预期服役寿命。

Kristensen[28]基于Makino模型,建立了增强热塑性塑料复合管的一维平板、圆筒非稳态渗透、二维圆筒非稳态、二维管壁稳态导热等渗透模型,并采用有限差分法对以上模型进行了离散求解,还考虑了金属增强层几何结构的屏蔽影响,为工程实际中增强热塑性塑料复合管的渗透数值模拟提供了手段。

Benjelloun-Dabaghi等[29]针对上述模型进行了简化改进,建立了几何模型、热塑性模型、传热模型、传质模型、相平衡模型、排气模型等不同的气体渗透模型,并对各类模型进行了离散求解,预测了气体在增强热塑性塑料复合管各层的扩散随时间的变化关系;将MOLDITM有限元模型与热力学闪蒸计算相结合,计算获得环空中气相和液相的组成和体积。

Campion和Morgan[30]研究了CH4气体在厚度为6～8 mm的小块状聚偏氟乙烯(PVDF)样品中的渗透特性,给出了一定温度梯度下样品壁厚方向内外渗透率的计算方式。研究发现,由于高压气体(大于58 bar,1 bar=0.1 MPa)在压缩聚合物的同时还会使其发生溶胀,因此在低压条件下测得的气体渗透数据与高压条件下不同。由此启示,为了获得同油田环境相吻合的气体渗透数据,气体渗透测试工况条件应同实际工况一致。

Andersen[31]等人为了预测海洋增强热塑性塑料复合管环空是否被水浸湿,采用小型测试装置测定了不同压力和温度条件下,CH4、CO2和水蒸气在塑化PVDF和尼龙11(PA11)中的渗透数据,并结合大型测试验证了模拟计算结果的准确性。研究发现,与CH4和CO2相比,水蒸气更容易在PVDF内衬层发生渗透进入并浸湿环空。如果管道输送气体介质含有CO2或H2S,那么复合管的环空将因此形成腐蚀性环境。

Last等[32]基于试验结果,全面评价了8个环空环境的预测模型特点,结果表明模型预测的环空环境同实测值一致性良好,使用逸度和塑化材料渗透数据的预测结果更接近实测值。该文献中并未给出8个模型的数学表达式,但发现各模型之间存在的差异导致对凝结水的预测结果不同。各模型也未考虑腐蚀引起的物质消耗,因此对CO2和H2S气体的消耗速率难以预计。

Mello等[33]构建出增强热塑性塑料复合管气体渗透的二维机理模型,与Benjelloun-Dabaghi模型相比更多的是改进了数值计算的收敛性,其他并无太多创新,但编制了模拟程序,可自动生成计算所需的结构化网格。

3 基于气体渗透的内衬管径向屈曲失效研究现状分析

由以上国内外研究现状可以看出,对热塑性塑料内衬管径向屈曲失效行为的研究以及管材临界屈曲压力的确定已见大量报道。但是,绝大部分研究均采用在热塑性塑料管材外部连续施加压力的静态方法进行屈曲过程模拟或测试,这与环空中渗透气体压力的非线性演变有很大差异。而且,现有研究未考虑高温、高压及石油介质溶胀等油气工况环境的综合作用对热塑性塑料管材力学性能退化的影响,无法直接套用现有的屈曲失效模型和计算方程去评估油气集输系统用热塑性塑料管材的屈曲失效风险。

对全尺寸热塑性塑料内衬管气体渗透方面的研究主要集中在海洋用复杂多层增强热塑性塑料复合管领域,着重分析气体渗透和海水渗入共同作用对金属增强材料腐蚀及管道服役寿命的影响,并对环空中的过盈气体压力导致外保护层鼓胀甚至破损的现象进行了预测研究。然而,对于环空渗透气体压力导致热塑性塑料内衬管向内的径向屈曲失效研究未见报道。此外,目前国内外对全尺寸热塑性塑料管材气体渗透行为的研究大多采用数值模拟方法,材料溶解度系数、扩散系数、渗透系数等参数的确定仍然采用薄膜样品或小尺寸块状样品进行测试分析,对油气工况环境作用的全尺寸管材气体渗透性能参数的测试还未见公开报道。针对以上情况,中国石油集团工程材料研究院有限公司自行开发出拥有自主知识产权的(专利号:ZL 201310694098.0)国内首套全尺寸非金属管材气体渗透试验系统,填补了行业空白,可实现最大长度1 300 mm、DN50～DN200的热塑性塑料内衬管和增强热塑性塑料内衬管(柔性复合管)等非金属管材的气体渗透性评价,最高测试压力15 MPa,试验气体包括CH4、H2、CO2、N2等,可同时测得非金属管材在一定温度和压力下的气体渗透系数、渗透量、溶解系数、扩散系数、体积变化量等多种性能参数。该系统经调试运行良好,现已正式投入运行,后续可为全尺寸实物非金属管材的气体渗透性能评价提供基础平台。

4 展 望

基于以上研究现状分析,为大幅降低或避免油气田地面集输管道工程中遇到的内穿插修复管道内衬层径向屈曲失效(坍塌)风险,亟需解决如下问题。

1)亟需明确环境效应对热塑性塑料管材气体渗透及屈曲行为的作用机制

液态石油介质与热塑性塑料管材接触后会不可避免地发生溶胀现象,一方面会削弱分子间相互作用力,使气体的渗透能力增强;另一方面会引起热塑性塑料管材模量及环刚度下降,使管材的抗屈曲能力降低。高温、高压、高腐蚀性介质等工况环境会进一步加剧上述影响。因此,必须首先研究确定环境效应对热塑性塑料管材气体渗透及抗屈曲能力的双重作用机制,这是研究分析油气环境下气体渗透导致热塑性塑料内衬管径向屈曲失效的关键基础。

2)亟需确定复合管材环空压力及内衬管临界屈曲失效压力

环空处渗透气体压力以及管材抗屈曲能力是决定热塑性塑料内衬管屈曲失效的2个关键因素。因此,必须研究确定不同油气工况条件下热塑性塑料管材的渗透系数及机制,据此准确得出刚性约束(内穿插修复管道)下复合管的环空压力。同时还需开发出基于油气输送工况条件的热塑性塑料管材屈曲失效压力测试评价方法,研究确定不同油气工况条件下,不同材质类型、不同规格尺寸(厚径比)的热塑性塑料管材临界屈曲失效压力,为定量评估热塑性塑料内衬管屈曲失效风险提供依据。

3)亟需建立屈曲失效风险评估体系及规范化运行控制指南

获悉热塑性塑料内衬管的屈曲失效风险并明确避免其屈曲失效的临界运行工况条件是油田用户最为关注的问题。亟需建立标准化的热塑性塑料内衬管屈曲失效风险评估体系,基于管道实际运行工况条件及在役热塑性塑料内衬管材料类型、厚径比等参数,定量评估其屈曲失效风险。亟需建立规范化的热塑性塑料内衬管运行控制指南,针对待服役的热塑性塑料内衬管及油气介质成分,分析得出避免发生屈曲失效的压力、温度等临界运行工况条件,为热塑性塑料内衬复合管道长期、安全、可靠运行提供指导。

5 结束语

非开挖内穿插修复管道技术施工速度快、成本低,且具有工艺环保性、过程隐蔽性和行业多样性等特点,在解决管道内腐蚀的同时可大幅延长管道使用寿命,已成为油气田管道腐蚀治理技术应用的发展趋势。随着该技术的推广应用,内穿插用的热塑性塑料管的屈曲失效问题也将更加突出。必须基于油气集输环境(温度、压力、油气介质等)研究热塑性塑料管材气体渗透及屈曲特性的影响机制,确定内穿插修复管道的环空气体压力,明确不同材质类型、不同规格尺寸热塑性塑料内衬管材的临界屈曲失效压力,据此建立油气集输工况环境下内衬管材的径向屈曲失效准则,制定屈曲失效风险评估体系及规范化运行控制指南,从源头上控制热塑性塑料管的屈曲失效,保障复合管道的“长”、“满”、“稳”运行。