基于氣體滲透的熱塑性塑料管屈曲失效研究現(xiàn)狀及展望*

李厚補,張學敏,孔魯詩,王維鑫,丁 晗,朱文峰,劉君林

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司,石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077; 2.長安大學材料科學與工程學院 陜西 西安 710064; 3.中國石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司機械廠 甘肅 酒泉 735200; 4.中國石油青海油田公司鉆采工藝研究院 甘肅 敦煌 736202)

0 引 言

我國油氣資源開發(fā)不斷深入,各油田油氣集輸用鋼質管道的腐蝕問題日益突出[1]。非金屬材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,成為油氣集輸用鋼質管道腐蝕治理的重要方案。對于已建鋼質管道,采用非開挖方法,將高密度聚乙烯(HDPE)、尼龍(PA)等熱塑性塑料管材穿插進入鋼質管道內(nèi)壁[2],形成“管中管”結構,在提升鋼質管道防腐性能的同時可大幅延長其使用壽命,現(xiàn)已在我國油田使用逾7 000 km。在內(nèi)穿插修復管道中,與油氣介質直接接觸的熱塑性塑料內(nèi)襯管在腐蝕防護中發(fā)揮著至關重要的作用。

內(nèi)穿插修復管道技術已成為我國油田地面工程解決已建和新建集輸管道腐蝕問題的重要方案,然而隨著該技術在油田的持續(xù)推廣應用,以及管道系統(tǒng)服役時間的延長,內(nèi)穿插修復用熱塑性塑料管發(fā)生了越來越多特征一致的徑向屈曲失效(坍塌)問題,且無法恢復,使得管道輸送通量大幅降低,運行壓力突然提升,進而造成整條管線被迫停用,嚴重阻礙了內(nèi)穿插修復管道技術的推廣使用,給鋼質管道的腐蝕防護帶來新的嚴峻挑戰(zhàn)。

近年來,越來越多的研究者認為熱塑性塑料管材徑向屈曲失效的根本原因在于管內(nèi)輸送/存儲的氣體介質滲透穿過整個熱塑性塑料管壁產(chǎn)生了附加的外部壓力[3-7]。由于熱塑性塑料的材料特性,氣體滲透過程不可避免[8]:氣體分子首先在其表面發(fā)生吸附現(xiàn)象,并沿著熱塑性塑料管壁厚方向擴散,最終在熱塑性塑料管材外壁脫附。脫附后的氣體將積聚在內(nèi)襯管/鋼管之間的環(huán)空。在管道停運、內(nèi)壓波動或突然負壓時,積聚在環(huán)空內(nèi)的氣體產(chǎn)生的外壓會造成熱塑性塑料管材產(chǎn)生徑向屈曲或坍塌失效。在油氣集輸工況環(huán)境下,除了CH4、H2S、CO2等各類氣體會沿熱塑性塑料管材壁厚方向產(chǎn)生氣體滲透之外,石油液態(tài)介質也會不可避免地滲入熱塑性塑料高分子內(nèi)部,撐開分子鏈,增加其體積,造成比較明顯的溶脹現(xiàn)象[9],進而導致熱塑性塑料管材模量和環(huán)剛度下降,增大了管材徑向屈曲和坍塌失效的風險。

綜上分析可知,油氣集輸用熱塑性塑料內(nèi)襯管徑向屈曲失效取決于2個因素:1)環(huán)空處滲透氣體產(chǎn)生的壓力;2)內(nèi)襯管抗屈曲失效的能力。若環(huán)空處滲透氣體壓力與管道內(nèi)壓差值大于內(nèi)襯管的臨界屈曲失效壓力,則會發(fā)生徑向屈曲失效。因此,基于油氣集輸工況環(huán)境,研究確定熱塑性塑料內(nèi)襯管材的抗屈曲和坍塌性能,探討內(nèi)穿插修復管道結構形式中氣體滲透環(huán)空壓力確定方法,是定量評估熱塑性塑料內(nèi)襯管屈曲失效風險的根本舉措,也是分析確定熱塑性塑料內(nèi)襯管屈曲失效臨界運行工況條件的必然途徑,同時對優(yōu)化特定油氣工況環(huán)境下熱塑性塑料內(nèi)襯管的選材設計(明確材料類型、管材徑厚比等),從源頭上避免熱塑性塑料內(nèi)襯管屈曲失效也具有重要指導意義。

1 熱塑性塑料內(nèi)襯管屈曲失效國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在油氣集輸條件下,熱塑性塑料內(nèi)襯管被限制在鋼管內(nèi)層,受到剛性約束,管道結構如圖1所示。熱塑性塑料內(nèi)襯管通常為柔性的薄壁結構,屬于薄殼結構體系,會在一定的外部壓力作用下發(fā)生穩(wěn)定性破壞,即屈曲失效,如圖2所示。近年來國內(nèi)外學者對這種受約束內(nèi)襯管的屈曲失效規(guī)律和模型開展了理論模型研究、數(shù)值模擬和試驗研究。

圖1 內(nèi)穿插修復管道結構

圖2 熱塑性塑料內(nèi)襯管徑向屈曲失效

1.1 內(nèi)襯管屈曲失效的理論模型研究

對于受約束管道靜壓屈曲的研究可追溯至20世紀50年代,Amstutz假設受約束內(nèi)襯管是縱向上載荷與變形均布的無限長圓柱殼體,從而將圓柱殼簡化為平面受約束圓環(huán),并認為在外部壓力和剛性約束的作用下,上部圓弧段將發(fā)生向下的屈曲變形,屈曲部分的形態(tài)呈正弦函數(shù)[10]。該屈曲理論以及經(jīng)典假設也成為后來學者建立非線性屈服模型的研究基礎。

Cheney[11]采用小撓度線性理論研究了受剛性約束薄壁圓環(huán)在靜水壓下的屈曲,提出屈曲以“單瓣”模式發(fā)生,即圓環(huán)從局部開始屈曲,幾何上可以分為兩部分,如圖3所示:1)上部發(fā)生屈曲變形進而脫離外部剛性內(nèi)壁,脫離部分同時出現(xiàn)環(huán)向應變和彎曲應變;2)下部與剛性內(nèi)壁貼合部分,該部分只有環(huán)向變形而沒有徑向位移。Cheney給出的臨界屈曲壓力表達式為:

(1)

式中:E是楊氏模量,GPa;υ是泊松比;D是圓柱殼直徑,mm;t是壁厚,mm。

Glock[12]同樣采用了平面應變圓環(huán)簡化和單瓣屈曲假設,基于大撓度變形理論并利用最小勢能法推導出非線性屈曲理論模型。該模型假設圓環(huán)和外部的剛性約束之間沒有摩擦作用,也不考慮材料的塑性變形,因此能夠準確預測薄壁管在屈服前發(fā)生的彈性屈曲失效。Glock提出的臨界屈曲壓力方程為:

(2)

比較Cheney和Glock的屈曲模型發(fā)現(xiàn),由于二者采用了不同的假設,Cheney屈曲模型得到的臨界屈曲壓力達到Glock模型的2.55倍。

Cheney屈曲模型和Glock屈曲模型是2個經(jīng)典的理論計算方法,成為后來很多研究的參考依據(jù)。后續(xù)的實驗室試驗和數(shù)值模擬分析表明,Glock的屈曲模型更加接近實際情況。

然而,以上模型并未考慮材料的塑性變形。Jacobsen[13]建立了一個考慮屈服的半解析模型,考慮了內(nèi)襯在某個點達到材料屈服應力的臨界壓力。對于較厚的管道,在達到屈曲壓力之前會發(fā)生屈服,因此模型預測的坍塌壓力可能會低于實際破壞壓力;而薄壁管在達到屈服應力之前往往會因屈曲而失效,因此模型預測的臨界壓力大于實際失效壓力。

針對受到外部約束的內(nèi)襯管屈曲模型,也有學者提出了其他的計算理論,如Vasilikis和Karamanos[14]提出了塑性鉸模型,假設薄殼為彈性體,屈曲變形發(fā)生在某一段圓弧位置,不發(fā)生收縮或者伸長,圓弧的2個端點為移動塑性鉸,二者的中心點為靜力塑性鉸,并提出了相應的理論計算公式。Zhao和Whittle考慮到內(nèi)襯材料彈性模量取值并不準確,在總結前人的研究成果上,根據(jù)材料的蠕變特性,提出了以臨界應變?yōu)榕袛嘁罁?jù)的內(nèi)襯屈曲計算模型,認為發(fā)生屈曲破壞時的臨界應變由內(nèi)襯的尺寸比D/t決定,并建立了內(nèi)襯尺寸比D/t和外部壓力P之間的函數(shù)關系,從而回避了彈性模量取值的問題。

1.2 內(nèi)襯管屈曲失效的數(shù)值模擬研究

由于理論計算具有不可避免的缺點,如不能分析內(nèi)襯管在制造、運輸和安裝過程中產(chǎn)生的幾何尺寸變化及表面缺陷對屈曲的影響,因此,學者們往往采用數(shù)值模擬的方法對理論結果進行驗證。有限元法能模擬管道變形的真實狀態(tài),計算結果也更為準確。

El-Sawy[15-17]采用有限元分析研究了均勻外壓下與剛性主管道緊密配合和松配合時的內(nèi)襯管的屈曲行為,提出了回歸方程式以確定屈曲是彈性還是非彈性,并評估了臨界屈曲壓力。在有限元模擬分析時還考慮了主管道和內(nèi)襯之間的初始間隙,結合數(shù)值模擬結果,提出經(jīng)驗方程為:

(3)

式中:g是內(nèi)襯與主管道之間的最大初始間隙,mm;R為內(nèi)襯管半徑,mm;其他符號意義同上文。

Madryas和Szot[18]采用二維有限元方法分析了缺陷對內(nèi)襯管臨界屈曲應力的影響,并基于有限元分析結果進行回歸分析,提出了估算屈曲壓力的通用方程,如式(4)所示。在無缺陷的情況下(d=0),該方程與Glock屈曲模型給出的臨界屈曲壓力表達式一致。

(4)

其中E′為平面應變變形時的楊氏模量,其表達式為:

E′=E/(1-υ2)

(5)

Rueda[4]對高密度聚乙烯(HDPE)內(nèi)襯管的屈曲坍塌行為進行了有限元模擬,在模型中引入靜液壓單元并考慮外部靜水壓效應,成功再現(xiàn)了內(nèi)襯管整體屈曲塌陷的情況,評估了HDPE內(nèi)襯承受屈曲塌陷的機械響應,并通過數(shù)值模擬比較了經(jīng)典的理論模型,發(fā)現(xiàn)在描述HDPE內(nèi)襯管屈曲時,Jacobsen方法誤差較大,而Glock方法更簡單有效。

Bai[19]采用有限元軟件對增強熱塑性塑料復合管的初始橢圓度、殘余應力和應變硬化等進行了敏感性分析,研究了外壓、軸向拉力和彎矩等復雜載荷作用下的屈曲性能。

梁光強[20]采用有限元分析重點研究了海底埋設管道的屈曲機理及影響因素,確定了海底管道應力集中現(xiàn)象。但因海洋環(huán)境的復雜性,海底管道屈曲機理及解決方案還有待進一步研究。

1.3 內(nèi)襯管屈曲失效的試驗研究

試驗分析是驗證理論與數(shù)值模擬研究正確性不可或缺的一步,諸多學者做了大量的試驗工作。Aggarwal和Cooper[21]對松散地包裹在鋼管內(nèi)的塑料內(nèi)襯管進行了一系列測試,并報告了通過試驗獲得的臨界壓力以及單瓣和雙瓣屈曲模型。Boot[22]采用試驗方法研究了具有較小缺陷內(nèi)襯管的彈性屈曲,僅觀察到“雙瓣”屈曲。Pavlovic[23]采用具有內(nèi)部支撐系統(tǒng)的4個自由管模擬主管壁的約束,測試發(fā)現(xiàn)受約束內(nèi)襯管的彎曲應變相當小,其通過彈性屈曲而失效。此外,Gong[24]在密封高壓艙內(nèi)對管件樣品的屈曲傳播進行了試驗研究,提出了數(shù)值分析技術和經(jīng)驗屈曲公式。但是,所有上述試驗僅明確了內(nèi)襯管的臨界壓力和屈曲模式,而幾乎未研究內(nèi)襯管的屈曲行為。另外,所有試驗均使用了端部夾緊密封的內(nèi)襯管,不可避免地會使臨界屈曲壓力測試值偏高。

Rueda[25]設計并構造了一種對高密度聚乙烯(HDPE)內(nèi)襯管執(zhí)行短期物理塌陷屈曲測試的裝置,以探討溫度對限制在鋼管內(nèi)的HDPE內(nèi)襯管的屈曲參數(shù)的影響,并根據(jù)參數(shù)研究得出的數(shù)據(jù),獲得了預測的Glock類型函數(shù)。

Wang[26]在外部水壓下對氯乙烯(VU250)內(nèi)襯管的屈曲行為進行了全面的試驗研究,使用新型加壓設備研究了裝配好的內(nèi)襯管的屈曲行為及坍塌機理。試驗結果表明,不同環(huán)空間隙和約束條件下,包裹在鋼管里的內(nèi)襯管可能會由于無彈性的單瓣屈曲或彈性屈曲而坍塌失效。

2 全尺寸熱塑性塑料管材氣體滲透性能國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龍(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等熱塑性塑料是在熱塑性聚合物樹脂中添加各種助劑配制而成,聚合物材料本身和滲透介質共同決定了氣體分子的滲透性。目前,描述氣體在聚合物中的最廣泛接受的滲透機理是溶解—擴散機理(即:吸附→溶解→溶解平衡→擴散→解吸[8])?；谝陨蠙C理認識,國內(nèi)外大多是圍繞薄膜樣品(厚度為微米級)開展氣體滲透性能研究。但薄膜樣品的制作工藝、結晶度、取向度、聚集態(tài)等均與擠塑成型的全尺寸管材差異較大,因此其滲透性能不足以直接反映熱塑性塑料管材的滲透性能。近年來,全尺寸熱塑性塑料管材的氣體滲透性能研究逐漸引起關注。

Makino等[27]為了預測海上采油用增強熱塑性塑料復合管環(huán)空中氣體壓力隨時間的變化關系,基于Fick 擴散定律建立了管材內(nèi)襯層與外保護層的滲透差值模型,研究證明了氣體在復合管中的滲透行為符合溶解—擴散滲透機理。在不考慮氣體滲透控制措施的前提下,預測了DN101.6 mm、PN34.5 MPa的增強熱塑性塑料復合管的使用壽命,結果表明環(huán)空壓力導致外保護層破損失效的時間顯著低于管材的預期服役壽命。

Kristensen[28]基于Makino模型,建立了增強熱塑性塑料復合管的一維平板、圓筒非穩(wěn)態(tài)滲透、二維圓筒非穩(wěn)態(tài)、二維管壁穩(wěn)態(tài)導熱等滲透模型,并采用有限差分法對以上模型進行了離散求解,還考慮了金屬增強層幾何結構的屏蔽影響,為工程實際中增強熱塑性塑料復合管的滲透數(shù)值模擬提供了手段。

Benjelloun-Dabaghi等[29]針對上述模型進行了簡化改進,建立了幾何模型、熱塑性模型、傳熱模型、傳質模型、相平衡模型、排氣模型等不同的氣體滲透模型,并對各類模型進行了離散求解,預測了氣體在增強熱塑性塑料復合管各層的擴散隨時間的變化關系;將MOLDITM有限元模型與熱力學閃蒸計算相結合,計算獲得環(huán)空中氣相和液相的組成和體積。

Campion和Morgan[30]研究了CH4氣體在厚度為6～8 mm的小塊狀聚偏氟乙烯(PVDF)樣品中的滲透特性,給出了一定溫度梯度下樣品壁厚方向內(nèi)外滲透率的計算方式。研究發(fā)現(xiàn),由于高壓氣體(大于58 bar,1 bar=0.1 MPa)在壓縮聚合物的同時還會使其發(fā)生溶脹,因此在低壓條件下測得的氣體滲透數(shù)據(jù)與高壓條件下不同。由此啟示,為了獲得同油田環(huán)境相吻合的氣體滲透數(shù)據(jù),氣體滲透測試工況條件應同實際工況一致。

Andersen[31]等人為了預測海洋增強熱塑性塑料復合管環(huán)空是否被水浸濕,采用小型測試裝置測定了不同壓力和溫度條件下,CH4、CO2和水蒸氣在塑化PVDF和尼龍11(PA11)中的滲透數(shù)據(jù),并結合大型測試驗證了模擬計算結果的準確性。研究發(fā)現(xiàn),與CH4和CO2相比,水蒸氣更容易在PVDF內(nèi)襯層發(fā)生滲透進入并浸濕環(huán)空。如果管道輸送氣體介質含有CO2或H2S,那么復合管的環(huán)空將因此形成腐蝕性環(huán)境。

Last等[32]基于試驗結果,全面評價了8個環(huán)空環(huán)境的預測模型特點,結果表明模型預測的環(huán)空環(huán)境同實測值一致性良好,使用逸度和塑化材料滲透數(shù)據(jù)的預測結果更接近實測值。該文獻中并未給出8個模型的數(shù)學表達式,但發(fā)現(xiàn)各模型之間存在的差異導致對凝結水的預測結果不同。各模型也未考慮腐蝕引起的物質消耗,因此對CO2和H2S氣體的消耗速率難以預計。

Mello等[33]構建出增強熱塑性塑料復合管氣體滲透的二維機理模型,與Benjelloun-Dabaghi模型相比更多的是改進了數(shù)值計算的收斂性,其他并無太多創(chuàng)新,但編制了模擬程序,可自動生成計算所需的結構化網(wǎng)格。

3 基于氣體滲透的內(nèi)襯管徑向屈曲失效研究現(xiàn)狀分析

由以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出,對熱塑性塑料內(nèi)襯管徑向屈曲失效行為的研究以及管材臨界屈曲壓力的確定已見大量報道。但是,絕大部分研究均采用在熱塑性塑料管材外部連續(xù)施加壓力的靜態(tài)方法進行屈曲過程模擬或測試,這與環(huán)空中滲透氣體壓力的非線性演變有很大差異。而且,現(xiàn)有研究未考慮高溫、高壓及石油介質溶脹等油氣工況環(huán)境的綜合作用對熱塑性塑料管材力學性能退化的影響,無法直接套用現(xiàn)有的屈曲失效模型和計算方程去評估油氣集輸系統(tǒng)用熱塑性塑料管材的屈曲失效風險。

對全尺寸熱塑性塑料內(nèi)襯管氣體滲透方面的研究主要集中在海洋用復雜多層增強熱塑性塑料復合管領域,著重分析氣體滲透和海水滲入共同作用對金屬增強材料腐蝕及管道服役壽命的影響,并對環(huán)空中的過盈氣體壓力導致外保護層鼓脹甚至破損的現(xiàn)象進行了預測研究。然而,對于環(huán)空滲透氣體壓力導致熱塑性塑料內(nèi)襯管向內(nèi)的徑向屈曲失效研究未見報道。此外,目前國內(nèi)外對全尺寸熱塑性塑料管材氣體滲透行為的研究大多采用數(shù)值模擬方法,材料溶解度系數(shù)、擴散系數(shù)、滲透系數(shù)等參數(shù)的確定仍然采用薄膜樣品或小尺寸塊狀樣品進行測試分析,對油氣工況環(huán)境作用的全尺寸管材氣體滲透性能參數(shù)的測試還未見公開報道。針對以上情況,中國石油集團工程材料研究院有限公司自行開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權的(專利號:ZL 201310694098.0)國內(nèi)首套全尺寸非金屬管材氣體滲透試驗系統(tǒng),填補了行業(yè)空白,可實現(xiàn)最大長度1 300 mm、DN50～DN200的熱塑性塑料內(nèi)襯管和增強熱塑性塑料內(nèi)襯管(柔性復合管)等非金屬管材的氣體滲透性評價,最高測試壓力15 MPa,試驗氣體包括CH4、H2、CO2、N2等,可同時測得非金屬管材在一定溫度和壓力下的氣體滲透系數(shù)、滲透量、溶解系數(shù)、擴散系數(shù)、體積變化量等多種性能參數(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試運行良好,現(xiàn)已正式投入運行,后續(xù)可為全尺寸實物非金屬管材的氣體滲透性能評價提供基礎平臺。

4 展 望

基于以上研究現(xiàn)狀分析,為大幅降低或避免油氣田地面集輸管道工程中遇到的內(nèi)穿插修復管道內(nèi)襯層徑向屈曲失效(坍塌)風險,亟需解決如下問題。

1)亟需明確環(huán)境效應對熱塑性塑料管材氣體滲透及屈曲行為的作用機制

液態(tài)石油介質與熱塑性塑料管材接觸后會不可避免地發(fā)生溶脹現(xiàn)象,一方面會削弱分子間相互作用力,使氣體的滲透能力增強;另一方面會引起熱塑性塑料管材模量及環(huán)剛度下降,使管材的抗屈曲能力降低。高溫、高壓、高腐蝕性介質等工況環(huán)境會進一步加劇上述影響。因此,必須首先研究確定環(huán)境效應對熱塑性塑料管材氣體滲透及抗屈曲能力的雙重作用機制,這是研究分析油氣環(huán)境下氣體滲透導致熱塑性塑料內(nèi)襯管徑向屈曲失效的關鍵基礎。

2)亟需確定復合管材環(huán)空壓力及內(nèi)襯管臨界屈曲失效壓力

環(huán)空處滲透氣體壓力以及管材抗屈曲能力是決定熱塑性塑料內(nèi)襯管屈曲失效的2個關鍵因素。因此,必須研究確定不同油氣工況條件下熱塑性塑料管材的滲透系數(shù)及機制,據(jù)此準確得出剛性約束(內(nèi)穿插修復管道)下復合管的環(huán)空壓力。同時還需開發(fā)出基于油氣輸送工況條件的熱塑性塑料管材屈曲失效壓力測試評價方法,研究確定不同油氣工況條件下,不同材質類型、不同規(guī)格尺寸(厚徑比)的熱塑性塑料管材臨界屈曲失效壓力,為定量評估熱塑性塑料內(nèi)襯管屈曲失效風險提供依據(jù)。

3)亟需建立屈曲失效風險評估體系及規(guī)范化運行控制指南

獲悉熱塑性塑料內(nèi)襯管的屈曲失效風險并明確避免其屈曲失效的臨界運行工況條件是油田用戶最為關注的問題。亟需建立標準化的熱塑性塑料內(nèi)襯管屈曲失效風險評估體系,基于管道實際運行工況條件及在役熱塑性塑料內(nèi)襯管材料類型、厚徑比等參數(shù),定量評估其屈曲失效風險。亟需建立規(guī)范化的熱塑性塑料內(nèi)襯管運行控制指南,針對待服役的熱塑性塑料內(nèi)襯管及油氣介質成分,分析得出避免發(fā)生屈曲失效的壓力、溫度等臨界運行工況條件,為熱塑性塑料內(nèi)襯復合管道長期、安全、可靠運行提供指導。

5 結束語

非開挖內(nèi)穿插修復管道技術施工速度快、成本低,且具有工藝環(huán)保性、過程隱蔽性和行業(yè)多樣性等特點,在解決管道內(nèi)腐蝕的同時可大幅延長管道使用壽命,已成為油氣田管道腐蝕治理技術應用的發(fā)展趨勢。隨著該技術的推廣應用,內(nèi)穿插用的熱塑性塑料管的屈曲失效問題也將更加突出。必須基于油氣集輸環(huán)境(溫度、壓力、油氣介質等)研究熱塑性塑料管材氣體滲透及屈曲特性的影響機制,確定內(nèi)穿插修復管道的環(huán)空氣體壓力,明確不同材質類型、不同規(guī)格尺寸熱塑性塑料內(nèi)襯管材的臨界屈曲失效壓力,據(jù)此建立油氣集輸工況環(huán)境下內(nèi)襯管材的徑向屈曲失效準則,制定屈曲失效風險評估體系及規(guī)范化運行控制指南,從源頭上控制熱塑性塑料管的屈曲失效,保障復合管道的“長”、“滿”、“穩(wěn)”運行。