海洋柔性管道用復(fù)合材料的粘彈性研究

黃允燦，韓 霞

海洋柔性管道用復(fù)合材料的粘彈性研究

黃允燦1，韓 霞2

(1. 海裝駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064)

本文主要研究了柔性管道的結(jié)構(gòu)中起增強作用的增強層材料在長期載荷下的蠕變行為。文中用連續(xù)拉擠成型工藝制備了CGFRPP單層板，利用萬能力學試驗機和DMA測試儀測得了預(yù)測模型和理論所需要的力學數(shù)據(jù)，根據(jù)所測得的力學數(shù)據(jù)分別用Burgers模型和時間-溫度-應(yīng)力等效原理(TTSSP)預(yù)測CGFRPP的長期力學性能，并將兩種預(yù)測方法所得的結(jié)果進行了分析和比較。研究表明TTSSP對CGFRPP復(fù)合材料低應(yīng)力下的蠕變行為預(yù)測具有較好的適用性，Burgers粘彈性模型對于CGFRPP復(fù)合材料的蠕變行為預(yù)測具有良好的適用性。

柔性管道 復(fù)合材料 粘彈性

0 引言

海洋柔性管道是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的管道,具有可設(shè)計性強、彎曲剛度小、強度高、抗疲勞性以及抗腐蝕性好、便于安裝的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于海上油氣開采過程以及海上油氣運輸?shù)母鱾€階段，我國在海洋柔性管領(lǐng)域與國外先進水平相比有著非常大的差距[1-3]。由于柔性管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及各層結(jié)構(gòu)的作用各不相同，使得柔性管道各結(jié)構(gòu)層對材料的要求有很大差別[4-5]。本文主要研究柔性管道的結(jié)構(gòu)中起增強作用的增強層材料在長期載荷下的蠕變行為，以期為柔性管道的設(shè)計提供參考依據(jù)。

海洋柔性管道增強層為熱塑性纖維增強復(fù)合材料，由單向連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶材料采用干法纏繞工藝成型。與傳統(tǒng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹脂基復(fù)合材料由于其具有簡單的加工成型工藝、優(yōu)良的力學性能以及成本低可回收等優(yōu)點，受到了越來越多的關(guān)注[6-7]。其中在眾多的熱塑性基體中，聚丙烯（PP）由于其成本低、良好的力學性能、和耐化學性能，被認為是熱塑性復(fù)合基體的良好選擇。連續(xù)玻璃纖維增強聚丙烯基復(fù)合材料（CGFRPP）近幾年也因此得到了快速的發(fā)展。但是由于熱塑性基體的固有蠕變特征，使得復(fù)合材料柔性管道在長時間使用和負載的過程中產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，從而對海洋柔性管道的長期穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響[8-10]。因此應(yīng)用合適的數(shù)學模型和理論對熱塑性復(fù)合材料的長期蠕變性能進行研究并預(yù)測是非常有必要的。

1 實驗

本文選用連續(xù)拉擠成型工藝作為CGFRPP的制備工藝[11]。

CGFRPP單層板的拉伸性能按照標準GB/T 1040.5-2008在萬能材料試驗機上進行測試。

CGFRPP的短期拉伸蠕變性能通過 DMAQ800 Creep實驗方案測試，設(shè)定一個恒定載荷，在恒溫條件下測量材料的形變量隨時間的變化。實驗設(shè)置溫度區(qū)間為25℃-65℃，高于PP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，低于其軟化點溫度，適應(yīng)于 CGFRPP 構(gòu)件的普遍工作環(huán)境。第一組實驗條件：設(shè)置靜態(tài)載荷為4 MPa，設(shè)置溫度梯度為25℃、45℃和65℃；第二組實驗條件：設(shè)定溫度恒定為25℃，靜態(tài)載荷分別為4MPa、8 MPa、12 MPa、14 MPa。測試所用的試樣尺寸為25 mm×4 mm×0.5 mm。

CGFRPP單層板較長期蠕變性能測試試樣與拉伸試樣相同，在載荷200 MPa、500 MPa、700 MPa下進行1h蠕變實驗；在780 MPa下進行蠕變實驗直至試樣發(fā)生蠕變破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1 CGFRPP單層板拉伸性能

為了利用萬能力學試驗機對兩種不同纖維含量的單層板進行了拉伸性能的測試，兩種不同纖維含量單層板的拉伸強度和拉伸模量如表1和表2所示。

表1 纖維含量為57.01%的單層板的拉伸性能

因為纖維在單層板受到沿纖維方向拉伸時承受著主要的力，因此纖維含量的增加可以明顯地增加連續(xù)纖維增強聚丙烯單層板的拉伸性能。由于目前國內(nèi)連續(xù)拉擠成型工藝制備的CGFRPP纖維含量約為60%，本為選用纖維含量為57.01%的單層板進行蠕變性能研究。

表2 纖維含量為75.95%的單層板的拉伸性能

2.2 CGFRPP低應(yīng)力水平下的蠕變性能

在低應(yīng)力作用下，CGFRPP的蠕變行為受基體蠕變性能影響較大，如圖1和圖2所示。這是因為在初始階段，CGFRPP單層板的形變過程是彈性形變過程，其蠕變速率是呈遞減趨勢的。之后，進入穩(wěn)速蠕變階段，此時CGFRPP單層板的蠕變速率是基本上趨于穩(wěn)定的。在此階段，會產(chǎn)生可回復(fù)的彈性形變和不可回復(fù)的粘性形變，形變的結(jié)果與PP聚合物的蠕變行為相同。上述的對比結(jié)果表明：CGFRPP單層板的抗蠕變性能隨著溫度的升高而降低；隨著溫度的升高，初始時的蠕變速率和和穩(wěn)態(tài)時的蠕變速率會明顯增大，因為玻璃纖維的力學性能在25℃-65℃范圍內(nèi)基本上不會因為溫度的變化而產(chǎn)生較大的變化，因此可以認為PP基體的粘彈性能決定了溫度對CGFRPP單層板蠕變性能的影響，當溫度高于PP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，隨著溫度升高，鏈段運動變得容易，且自由體積增大，PP基體分子鏈段運動能力顯著提高，加速了CGFRPP單層板的蠕變。

圖1 CGFRPP單層板不同溫度下的蠕變曲線

對于DMA測試結(jié)果的分析，本文分別使用了TTSSP和Burgers蠕變模型對數(shù)據(jù)進行了擬合和分析，根據(jù)擬合得到的結(jié)果可以對CGFRPP一段時間內(nèi)的蠕變行為進行預(yù)測。

2.2.1 TTSSP模擬和預(yù)測

圖3是依據(jù)時間-應(yīng)力等效得到4 MPa、25 ℃條件下的蠕變主曲線，計算得到CGFRPP單層板11小時時的蠕變?nèi)崃繛?00 μm2/N，應(yīng)變?yōu)?.08%。圖4是依據(jù)溫度-應(yīng)力等效得到25℃、4 MPa條件下的蠕變主曲線，計算得到CGFRPP單層板13小時時的蠕變?nèi)崃繛?00 μm2/N，應(yīng)變?yōu)?.08%。對比應(yīng)力-時間等效曲線和溫度-時間等效曲線，兩者預(yù)測CGFRPP單層板蠕變行為比較一致，說明應(yīng)力和溫度對CGFRPP單層板的蠕變性能影響是等效的，驗證了TTSSP 理論對連續(xù)纖維增強聚丙烯復(fù)合材料具有較好的適用性。

根據(jù)圖3和圖4可以預(yù)測CGFRPP單層板44小時的蠕變?nèi)崃繛?40 μm2/N，應(yīng)變?yōu)?.136%。

圖2 CGFRPP單層板不同應(yīng)力下的蠕變曲線

圖3 依據(jù)時間-應(yīng)力等效得到4MPa、25℃條件下的蠕變主曲線

2.2.2 Burgers四元件粘彈性模型擬合和預(yù)測

利用Burgers四元件粘彈性模型對在實驗條件4 MPa，25℃下的CGFRPP單層板的蠕變曲線進行了擬合，擬合曲線和實際蠕變曲線的擬合程度2=0.997，如圖5所示，說明Burgers蠕變模型能夠較好地預(yù)測CGFRPP單層板的蠕變行為。擬合得到的Burgers參數(shù)列于表3中。利用得到的Burgers模型參數(shù)，計算16.7分鐘時的蠕變?nèi)崃繛?0.7 μm2/N，這與TTSSP原理在圖3和圖4預(yù)測的結(jié)果很接近，說明較短時間內(nèi)兩者預(yù)測結(jié)果相差不大，均適合預(yù)測CGFRPP單層板的短期蠕變。計算11小時時的蠕變?nèi)崃繛?14 μm2/N，這與TTSSP原理在11小時時預(yù)測的結(jié)果相差較大，原因可能為：由于玻璃纖維是彈性體，且為復(fù)合材料中的承載材料，在長時間的拉伸蠕變過程中，纖維應(yīng)力越來越大，基體的蠕變越來越小，所以用短期蠕變等效長期蠕變會產(chǎn)生較大誤差。

圖4 依據(jù)溫度-應(yīng)力等效得到25 ℃、4 MPa條件下的蠕變主曲線

圖5 Burgers四元件粘彈性模型擬合4 MPa、25 ℃下的CGFRPP單層板的蠕變曲線

表3 Burgers蠕變參數(shù)

2.3 CGFRPP高應(yīng)力水平下的蠕變性能

不同于DMA蠕變測試，在萬能試驗機上進行高應(yīng)力水平下的CGFRPP單層板蠕變實驗中，纖維起著主要的作用，而基體在此過程的作用較小。

2.3.1 Burgers四元件粘彈性模型進行擬合

圖6是200 MPa、500 MPa、700 MPa下CGFRPP單層板一小時蠕變實驗時間-柔量關(guān)系圖，擬合后三個曲線的Burgers參數(shù)列于表4中。通過擬合程度R2可以看出200 MPa和500 MPa、700 MPa條件下蠕變曲線的擬合程度較好，表明Burgers模型能夠較好地預(yù)測CGFRPP單層板的蠕變行為。圖7是200 MPa、500 MPa、700 MPa、780MPa下的時間-應(yīng)變曲線，通過圖7以看出在780MPa下，應(yīng)變?yōu)?.02%時試樣已經(jīng)失效，此時的蠕變?nèi)崃繛?7.2 μm2/N，根據(jù)失效時的斷裂應(yīng)變通過擬合后得到的Burgers粘彈性模型參數(shù)可以計算出200 MPa、500 MPa、700 MPa下的CGFRPP單層板的失效時間。

圖6 200 MPa、500 MPa、700 MPa下CGFRPP單層板的蠕變時間-柔量曲線

圖7 200 MPa、500 MPa、700 MPa、780 MPa下CGFRPP單層板的蠕變時間-應(yīng)變曲線

Burgers粘彈性模型的擬合公式為：

就可以得出CGFRPP破壞的時間。

經(jīng)過計算200 MPa、500 MPa、700 MPa下的CGFRPP單層板的失效時間分別為130小時、23.6小時和12.7小時。

Burgers粘彈性模型的擬合曲線和實際曲線擬合程度較高，預(yù)測效果比較理想，適合在較高應(yīng)力水平下預(yù)測CGFRPP的長期蠕變性能。

表4 Burgers蠕變參數(shù)

3 結(jié)論

本文使用DMA測試儀和萬能力學試驗機測試了CGFRPP的蠕變性能，并用TTSSP和Burgers粘彈性模型進行了模擬，主要得出以下結(jié)論：

1）CGFRPP低應(yīng)力水平下的蠕變性能受基體蠕變性能影響較大。TTSSP模擬結(jié)果表明應(yīng)力-時間等效曲線和溫度-時間等效曲線，兩者預(yù)測CGFRPP單層板的蠕變行為比較一致，說明應(yīng)力和溫度對CGFRPP單層板的蠕變性能影響是等效的，驗證了TTSSP 對CGFRPP復(fù)合材料的蠕變行為預(yù)測具有較好的適用性。

2）低應(yīng)力水平下Burgers粘彈性模型擬合曲線和實際蠕變曲線的擬合程度2=0.997，高應(yīng)力水平下Burgers粘彈性模型擬合程度2>0.98，表明Burgers粘彈性模型對于CGFRPP復(fù)合材料的蠕變行為預(yù)測具有良好的適用性。

3）Burgers粘彈性模型擬合效果在預(yù)測CGFRPP單層板的蠕變行為較為理想，得到的擬合曲線與實際曲線的擬合程度比較高。并且通過780 MPa下斷裂應(yīng)變，求得了CGFRPP單層板在200 MPa、500 MPa和700 MPa下的破壞時間分別為130小時、23.6小時和12.7小時。應(yīng)用Burgers粘彈性模型可以較準確的預(yù)測CGFRPP在受到一個恒定應(yīng)力時的壽命。

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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

黃允燦（1989-），男，工程師。研究方向：海裝工程。E-mail: 503287842@qq.com