非粘接柔性管內(nèi)壓密封層蠕變設(shè)計(jì)與研究

余志兵，徐志輝，劉剛，潘悅?cè)?，張永輝

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

非粘接柔性管（以下稱“柔性管”）由于具有許多普通碳鋼管不具備的優(yōu)勢，如擁有良好的防腐性能、較好的撓性、海上鋪設(shè)效率高及可回收重復(fù)使用等[1]，在海洋工程中得到廣泛應(yīng)用。柔性管的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由5 個功能層和數(shù)個輔助層構(gòu)成，各層相互無粘接，其功能和受力既有一定的獨(dú)立性，又互相影響。在柔性管設(shè)計(jì)時，既要對各個功能層進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，以保證柔性管的整體性能滿足項(xiàng)目和規(guī)范的要求，又要保證各層在尺寸和公差上協(xié)調(diào)兼容，在柔性管的整個生命周期里保持結(jié)構(gòu)的完整性[2]。

內(nèi)壓密封層是一種聚合物材料，具有蠕變性能，即在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時間延長而逐漸增加。與材料的塑性變形不同，當(dāng)應(yīng)力作用時間足夠長，盡管應(yīng)力強(qiáng)度小于彈性極限，只要承受了載荷就會發(fā)生蠕變。內(nèi)壓密封層的抗蠕變性能不足時，極大影響柔性管的結(jié)構(gòu)密封性，嚴(yán)重情況下管體結(jié)構(gòu)層發(fā)生失效而出現(xiàn)局部泄漏，給工程和環(huán)境造成巨大的損失[3]。

本文詳細(xì)介紹柔性管內(nèi)壓密封層蠕變設(shè)計(jì)的3 種分析方法：試驗(yàn)方法、有限元方法和簡化公式法，并給出了這些分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)要素。研究成果可為柔性管的國產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展提供參考與借鑒。

1 柔性管結(jié)構(gòu)

柔性管管體一般主要由5 個功能層組成[4]。其中2 個非金屬層，3 個金屬層。3 個金屬層分別是骨架層、抗壓鎧裝層和抗拉鎧裝層，主要為柔性管提供抵抗外載荷的能力。2 個非金屬層分別是內(nèi)壓密封層和外包覆層，主要作用是對管內(nèi)介質(zhì)和管外環(huán)境影響如海水進(jìn)行密封。在特定項(xiàng)目中，可根據(jù)不同工況要求對各層進(jìn)行調(diào)整，如在水深較淺或柔性管層間壓力較小的條件下，內(nèi)壓密封層的抗壓潰能力足以滿足設(shè)計(jì)要求時，可以不考慮骨架層。而在有保溫輸送要求或需增加水下管重的考慮時，則可增加保溫層或配重層的設(shè)計(jì)。

除以上主要功能層以外，柔性管截面還配有輔助層，如防磨層，其用于生產(chǎn)過程中對其他層起約束作用或在2 個金屬層之間提供防摩擦作用。

2 內(nèi)壓密封層及蠕變特性

常見的內(nèi)壓密封層材料有HDPE、XLPE、PA 和PVDF，其他熱彈性材料也可以使用。由于內(nèi)壓密封層是由非金屬高分子材料構(gòu)成，通常強(qiáng)度較低，獨(dú)自承受內(nèi)壓或者外壓的能力較弱，因此內(nèi)壓密封層的內(nèi)側(cè)和外側(cè)需要有特有的金屬支撐層來承擔(dān)較大的內(nèi)壓和外壓。內(nèi)外側(cè)的金屬支撐層分別稱作骨架層和抗壓鎧裝層。由于骨架層與抗壓鎧裝層是采用纏繞的方式生產(chǎn)，且沿著柔性管軸向呈現(xiàn)波紋狀，不具備光滑性，因此內(nèi)壓密封層在壓力的持續(xù)作用下會在骨架層或抗壓鎧裝層的間隙中發(fā)生形變，繼而產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。

蠕變是指一定溫度、保持應(yīng)力不變的作用下，材料形變隨時間推移而逐漸發(fā)展的現(xiàn)象。聚合物的蠕變是其特有黏彈性的突出表現(xiàn)，不僅與材料自身的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且受外力、溫度影響顯著，是高聚物一種典型的松弛過程[5]。

作為柔性管內(nèi)壓密封層蠕變設(shè)計(jì)的主要參考規(guī)范，API SPEC 17J 明確要求，在整個生命周期內(nèi)，內(nèi)壓密封層材料在所有聯(lián)合工況作用下由于向支撐層變形而造成的減薄不能超過最小設(shè)計(jì)壁厚的30%[6]。

3 蠕變設(shè)計(jì)方法

3.1 試驗(yàn)方法

通常，需在多個不同的溫度工況下進(jìn)行蠕變試驗(yàn)[7]，每一溫度工況至少取3 個試樣[8]，管道的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)包括在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)。另外，試驗(yàn)要在具有加載和保溫的條件下進(jìn)行，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求施加合適的載荷，且整個試驗(yàn)時間至少維持在48 h 以上，或至試樣減薄30%。

圖1 和圖2 為某類HDPE內(nèi)壓密封層分別在23℃，40℃，50℃，60℃和70℃溫度下的蠕變試驗(yàn)曲線[9]，以及在溫度23℃條件下的時溫等效擬合曲線（試驗(yàn)壓力為3 MPa）。從圖2 所示的試驗(yàn)擬合曲線可以看出，在23℃，3 MPa 壓力條件下，25 年后的蠕變約為1.8%。

圖1 不同溫度下蠕變試驗(yàn)曲線Fig.1 The creeping test curve of different temperature

圖2 蠕變試驗(yàn)曲線的擬合Fig.2 The fitting curve of creeping test

3.2 有限元法

3.2.1 有限元模型

采用Ansys 建立二維軸對稱模型進(jìn)行數(shù)值模擬，僅考慮內(nèi)壓密封層和抗壓鎧裝層，如圖3 所示。蠕變在持續(xù)載荷作用下的累積變形，因此內(nèi)壓密封層的減薄是時間的函數(shù)。

圖3 內(nèi)壓密封層蠕變分析有限元模型Fig.3 FEA model of the internal pressure sheath creeping analysis

內(nèi)壓密封層的材料蠕變特性需要使用一個隨時間強(qiáng)化的非線性數(shù)學(xué)模型來描述[10]，將蠕變引起的應(yīng)變率定義為當(dāng)前應(yīng)力、應(yīng)變、時間和溫度的函數(shù)。通過試驗(yàn)測出內(nèi)壓密封層材料在不同溫度下的蠕變性能后，使用非線性回歸曲線擬合方法將蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到材料的時間－蠕變曲線。

3.2.2 分析工況

考慮柔性管在整個生命周期內(nèi)的各種工況，如表1所示。

表1 內(nèi)壓密封層蠕變分析工況Tab.1 The creeping analysis cases of internal pressure sheath

表中，T為設(shè)計(jì)溫度，Tmax為最大環(huán)境溫度，23℃表示“常溫”，P為設(shè)計(jì)壓力，R為最小存儲半徑。

3.3 簡化公式法

簡化公式法是將內(nèi)壓密封層的蠕變性能轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鐾饨绛h(huán)境允許的蠕變空間，由此使蠕變分析過程變得簡單化?？紤]內(nèi)壓密封層經(jīng)過不斷蠕變，至鎧裝層的空隙被完全填充，分析此時減薄后的內(nèi)壓密封層是否滿足設(shè)計(jì)要求,如圖4 所示。

圖4 公式法示意圖Fig.4 The sketch of simplified formula method

計(jì)算公式如下：

式中：Rt為內(nèi)壓密封層的厚度減薄率，tp為內(nèi)壓密封層的初始厚度，As為抗壓鎧裝層截面積，Bs為抗壓鎧裝層節(jié)距。ts為抗壓鎧裝層的等效厚度，當(dāng)其截面形狀為矩形，ts為厚度，而為不規(guī)則形狀，如Z 型、T 型或C 型等，需要根據(jù)其可能形成的空隙進(jìn)行等效。

若內(nèi)壓密封層的蠕變性能無法滿足設(shè)計(jì)需求，則可以調(diào)整內(nèi)壓密封層和抗壓鎧裝層的尺寸提高其抗蠕變性，或采取增大內(nèi)壓密封層厚度、減少抗壓鎧裝層節(jié)距等方式。

4 結(jié)語

內(nèi)壓密封層蠕變設(shè)計(jì)是柔性管設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文提出的3 種蠕變分析方法均可用于柔性管內(nèi)壓密封層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過探討及研究，可以得出如下結(jié)論：

1）試驗(yàn)方法根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行工況，得到不同溫度下的蠕變時間曲線，然后再擬合成目標(biāo)溫度下的蠕變溫度曲線，從而獲得柔性管設(shè)計(jì)壽命中的蠕變值。在項(xiàng)目周期及經(jīng)費(fèi)充足的情況下，可以采取該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

2）有限元方法借助通用有限元分析軟件，構(gòu)建用于描述材料蠕變應(yīng)變率的數(shù)值模型，對材料屬性、邊界條件及單元接觸等模擬具有一定的不確定性。

3）簡化公式法過程簡單，使用的資源和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，但是只能對蠕變結(jié)果進(jìn)行大致的評估，無法對材料本身的蠕變性能作深入研究，該方法僅適用于初步或者前期的蠕變設(shè)計(jì)和分析。