熱殘余應力對3PE防腐蝕層剝離的影響

王新華，黃 海，何仁洋，楊國勇，王麗梅

（1.北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京100124；2.中國特種設備檢測研究中心管道部，北京100013）

近年來，隨著防腐蝕層新技術的發展，單層熔結環氧以及三層聚乙烯防腐蝕層得到廣泛應用。其中，埋地鋼質管道3PE防腐蝕層采用底層環氧、中間聚乙烯膠粘劑以及表層聚乙烯的組合形式，但是基材與環氧底漆以及各層結合面的剝離現象時有發生。國內外針對3PE防腐蝕層的剝離展開了相關調查，文獻［1-5］就防腐蝕層涂覆質量控制、陰極剝離機理以及特定工況下載荷對防腐蝕層剝離影響展開了相關研究。防腐蝕層剝離是一個跨多學科的綜合性問題，目前學界對鋼質埋地管道3PE防腐蝕層剝離機理尚未提出較統一的分析結論。

3PE防腐蝕層在工廠預制過程中［6］，鋼管預熱溫度達220℃，涂覆后降溫至60℃，巨大溫差及材料脹縮性差異導致鋼管基材與防腐蝕層結界面產生熱殘余應力；補口施工時高溫以及運行時低溫也容易在粘結界面產生殘余應力；特殊埋地環境（如附近存在熱源、季節性溫差）也會帶來熱殘余應力。為此，本工作以3PE防腐蝕層涂覆過程中產生的熱應力對防腐蝕層不同材料粘結界面的影響為出發點探討3PE的剝離機理，在不方便用試驗檢測涂覆過程中熱應力變化情況下，通過建立管道-防腐蝕層熱傳遞應力-應變模型，利用Ansys有限元分析軟件計算管道基材與防腐蝕層之間熱殘余應力隨防腐蝕層厚度以及管端防腐蝕層形狀變化帶來的差異，分析熱殘余應力造成管端防腐蝕層翹邊剝離的危害。

1 模型建立

1.1 管道-防腐蝕層系統熱應力計算

將管道模型視為無限長，則對象簡化為軸對稱溫度場平面應力模型［7］。將鋼質管道和防腐蝕層都看做成一個長圓筒，見圖1。

圖1 圓筒結構

其中：內徑為r、外徑為R。

為簡化分析，體系的變溫過程看做彈性體均勻降溫過程。設各彈性體內各點的溫度變化為△T。圓筒的軸對稱溫度平面熱應力分量可表示為：

按位移求解軸對稱熱應力基本方程：

認為無限長圓筒應力主要由徑向和環向約束及變溫引起，各向應力分量分別為：

式中：σρ為圓筒上距離圓心半徑為ρ的某點處的徑向熱應力分量；σθ為圓筒上距離圓心半徑為ρ的某點處的環向熱應力分量；σz為圓筒上距離圓心半徑為z的某點處的軸向熱應力分量；εp為徑向應變量；εθ為環向應變量；uρ為徑向位移；v為材料泊松比；α為溫度引起的材料膨脹系數。

1.2 管道-防腐蝕層各結合界面應力分析

取粘結界面某微小單元（如圖2左），微元體的每個面受到三個方向上的應力（一個正應力，兩個平行于面的切應力）。

較長圓筒結構，按軸對稱溫度場應力問題處理，不考慮體積平面應力。二維微小平面單元體（圖2）中，σy為沿管道軸向正應力，σx為沿半徑方向正應力，τxy為xy平面上剪切應力，σz為環繞y軸垂直于xy平面的環向正應力（圖2未顯示）。其中，當徑向應力σx方向向外時（拉應力），粘結界面兩種材料分子之間作用力以及向彼此擴散作用會受到一定削弱，τxy對粘結界面產生直接剪切破壞作用。

圖2 圓筒結構一點微元體及二維微單位

2 有限元分析

利用Ansys有限元軟件分析管道-防腐蝕層系統從220℃均勻降溫至60℃時各結合面熱殘余應力對防腐蝕層剝離影響情況。選取同時涉及到熱學和結構學問題耦合場分析單元，提取不同材料粘結界面各向應力。

2.1 管端部分熱殘余應力仿真

（1）相關參數 對于3PE防腐蝕層，環氧層厚≥120μm，中間膠粘劑層厚≥170μm，總厚度從1.8～3.6mm不等［8］。表1為管道基材-3PE防腐蝕層體系材料屬性［9］。

表1 3PE防腐蝕層體系材料屬性

（2）建模仿真 模型管道內徑為300mm、壁厚9mm、環氧底漆層膜厚150μm、中間膠粘劑層膜厚250μm；截取距管端尾部長度為100mm的管段，外圍3PE防腐蝕層沿管道軸向長度為80mm，3PE防腐蝕層尾端與基材成垂直臺階形狀。

圖3為管道-防腐蝕層系統軸對稱模型網格劃分，伸出臺階部分為管端3PE防腐蝕層尾端。取Ansys耦合場分析類型（熱分析＋結構分析），選用軸對稱八節點平板單元，對不同材料分別賦相應材料屬性并劃分網格，控制基材底部（y＝0的節點）沿y軸方向自由度為0，施加溫度載荷并求解熱殘余應力。

求解后等效應力云圖（三維擴展圖）見圖4。熱殘余應力在管端防腐蝕層收尾處附近變化最大；而相對較遠離管端處應力基本均勻，說明截取管端部分一小段長度（100mm）作為分析模型的思路是可行的。

圖3 管道-防腐蝕層軸對稱模型示意圖及網格圖

圖4 管端等效熱殘余應力云圖（三維擴展圖）

2.2 表層PE厚膜對熱殘余應力影響

提取管道基材-3PE防腐蝕層不同材料層粘結面處各應力隨著軸向距離變化曲線。

2.2.1 各粘結界面應力分布

以PE層厚度1.8mm為例，提取不同粘結界面徑向應力（圖中sx）、軸向應力（圖中sy）、環向應力（圖中sz）以及剪切應力（圖中sxy）隨軸向（圖5橫坐標方向）變化曲線。

圖5直觀地顯示了管道基材-3PE防腐蝕層系統三個粘結界面上各向熱應力情況：

（1）較遠離管端處（橫坐標接近0點），徑向應力（圖中sx）與剪切應力（圖中sxy）曲線基本重合，軸向應力（圖中sy）與環向應力（圖中sz）曲線基本重合，且各向應力在基材與環氧層粘結界面最小，在膠粘劑與PE粘結界面最大；接近管端邊緣處（橫坐標接近0.08m），各向應力大小發生突變，且最大值出現在基材與環氧層粘結界面處。

（2）除了在接近管端邊緣處（橫坐標接近0.08m）各向應力值有明顯的增大外，相對遠離管端處（橫坐標接近0點）的各向應力變化不大，表明管端邊緣處熱殘余應力集中現象明顯。

基材與環氧層粘結界面上管端邊緣處各向應力的數值最大，是三個粘結界面受熱殘余應力危害最大的結合面。τxy防腐蝕層收尾處最大，由里向外在三個粘結界面的大小分別為6.7MPa，5.7MPa和2.2MPa，呈遞減趨勢。管道-防腐蝕層系統材質包括鋼材、環氧粉末、膠粘劑和聚乙烯四種，后三種材料之間由于物理化學性質差異性比鋼材與環氧之間材料性質差別要小，粘結性較強（抗剪切性強）。管端處三個結合面上最大剪切應力（6.7MPa）出現在基材與環氧層粘結面上，是造成防腐蝕層翹邊現象的重要原因。

2.2.2 PE層厚度對熱殘余應力的影響

對比分析PE層厚度變化對粘結面各向應力影響，考察PE層膜厚對基材環氧層結合面上剪切應力及徑向應力的變化影響。

據圖5、圖6，不同厚度PE時，基材與環氧層粘結界面的各向應力沿軸向變化曲線圖變化趨勢相同，尾端都表現為應力集中現象。防腐蝕層PE厚度分別為1.8mm，2.6mm和3.4mm時，基材與環氧層之間結合面管端處的徑向應力分別為12.2MPa，14.0MPa和16.1MPa，剪切應力分別為-6.7MPa，-7.1MPa和-8.7MPa，即PE層越厚，基材環氧層結合面徑向應力和剪切應力越大。徑向應力為正，粘結界面為受拉狀態，從界面附著理論來講這不利于防腐蝕層的粘結。實踐中，PE防腐蝕層加厚能極大提高3PE防腐蝕層性能，說明PE層增厚帶來的粘結性能增強作用大于熱殘余應力帶來的破壞作用。

2.3 管端防腐蝕層收尾形狀優化

為降低管端補口預留處熱殘余應力集中效應，將管端防腐蝕層收尾處打磨成坡型。同樣借用Ansys有限元分析討論管端防腐蝕層收尾改成坡型后各結合面間應力變化情況。

圖7為防腐蝕層成坡型收尾時管端網格模型，斜坡臺階部分為3PE防腐蝕層。算例中選取PE層厚度為2.6mm、收尾成為30°斜坡。圖8為各向應力隨軸向變化曲線，與管端為垂直臺階時曲線圖（圖5）相似，重點關注基材與環氧層粘結界面各應力情況。據圖6，當PE層同為2.6mm時管端處基材與環氧層各向應力值對照見表2。

比較發現，將管端防腐蝕層收尾形狀由垂直梯形改為30°斜坡后，基材與環氧層結合面的各向應力明顯減少。管端防腐蝕層收尾形狀的改變較大程度釋放了防腐蝕層預制過程中的熱殘余應力。其中徑向應力減少87%、剪切應力減少60%，對降低管端防腐蝕層翹邊可能性起到積極作用。

表2 防腐蝕層不同收尾形狀基材／環氧層間各應力

3 結論

（1）3PE防腐蝕層表層PE層厚度越厚，熱殘余應力集中現象越明顯，證明單純從熱殘余應力對防腐蝕層剝離危害的角度來看，PE層加厚并不能對防腐蝕層的剝離產生有利影響。

（2）基材與環氧層之間以及3PE防腐蝕層不同材料層之間的徑向應力和剪切應力是破壞層間粘結力最主要的因素，設法減小這兩種應力能較明顯的降低熱殘余應力對防腐蝕層尾端翹邊剝離危險。

（3）防腐蝕層在管端的收尾方式對防腐蝕層的剝離具有十分顯著的影響，采用坡型形式比采取垂直臺階形式更能有效地釋放掉預制涂覆過程產生的熱殘余應力。

（4）在不方便利用試驗檢測熱殘余應力對3PE防腐蝕層剝離影響的情況下，利用Ansys有限元分析法研究管道3PE防腐蝕層層間熱殘余應力情況是研究防腐蝕層剝離的探索路徑之一，后續研究中甚至可以利用該方法探討補口留管端焊接熱效造成的剝離影響。在只涉及到物理場作用特定工況下，模擬加載在管道—防腐蝕層系統上的外界載荷，借助Ansys有限元分析粘結界面應力變化情況是研究鋼質管道3PE防腐蝕層剝離機理的有效方法。

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