自然時效及受到輻照時玻璃鋼管道聲學(xué)與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性

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(1.中國石化股份勝利油田分公司，東營 257000；2.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院，青島 266580)

玻璃鋼(GFRP)也稱為“玻璃纖維增強塑料”，主要承載材料為玻璃纖維，輔之樹脂類作為基體的復(fù)合增強材料，與一般所謂的鋼化玻璃有著本質(zhì)差異[1]。由于其比強度高、比模量大，電性能、熱性能良好，耐疲勞性能好，減震性能、破損安全性能好，以及具有各向異性、性能可設(shè)計、材料與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、交通運輸、建筑工程等領(lǐng)域[2]。隨著國內(nèi)各油田的開采進度相繼進入中后期，對中、高壓玻璃鋼管道的需求量不斷增加，我國油田領(lǐng)域每年玻璃鋼管道的總需求量達6 000 km以上，工程投資達9億元[3]。玻璃鋼在大氣中的老化主要是由于受太陽輻射、高溫、潮濕空氣及風(fēng)吹雨打的作用，玻璃鋼表面顏色發(fā)生了變化，樹脂脫落，拉伸力學(xué)性能也降低[4]。國內(nèi)外研究人員對玻璃鋼在不同環(huán)境下發(fā)生的物理化學(xué)變化，以及其防老化和延長壽命的措施進行了研究[5]，但均未對玻璃鋼管道的環(huán)境適應(yīng)性能進行評價，也不能實現(xiàn)對管道的使用壽命進行預(yù)測[6]。筆者通過環(huán)境試驗、力學(xué)性能試驗，研究了自然時效老化及輻照老化對管道力學(xué)性能的影響規(guī)律，同時通過聲發(fā)射試驗建立了玻璃鋼管道聲學(xué)與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性，為管道整體性能的評價提供參考。

管道時效試驗分為紫外線輻照加速試驗和自然環(huán)境放置時效試驗，輻照加速時效試驗以紫外線燈為光源，模擬玻璃鋼管道在大氣暴露的環(huán)境[7]。自然環(huán)境時效試驗?zāi)芊从吵鲎匀画h(huán)境對產(chǎn)品的影響，自然環(huán)境接近大氣的實際情況，輻照試驗只是對自然時效試驗的模擬，強化了紫外線環(huán)境因素[8]。利用儀器探測、記錄和分析聲發(fā)射波的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)[9]，聲發(fā)射技術(shù)目前已成為研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷和檢測復(fù)合材料設(shè)備的重要方法[10]。

采用灰色關(guān)聯(lián)法分析試驗數(shù)據(jù)，探討了玻璃鋼管道力學(xué)性能和聲學(xué)性能參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，灰色理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析是從不完全的信息中，通過一定的數(shù)據(jù)處理，找出不同方法的相關(guān)性，其根據(jù)各因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似程度來衡量各因素接近的程度[11-12]。

1 試驗對象與方法

以φ65 mm環(huán)氧樹脂玻璃鋼管道為試驗對象，管道壁厚為6 mm，管道層鋪為三層，層間交織著玻璃纖維，玻璃纖維為正交分布。采用SAEU2S-2型聲發(fā)射儀和GYZJ934-1型巴柯爾硬度計，結(jié)合WDW10G微機控制電子式萬能試驗機開展了相關(guān)的聲學(xué)、硬度和力學(xué)性能試驗。

輻照加速時效試驗參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16422-1997《實驗室光源曝露試驗方法》，輻照時間為48 h，為1個周期，光源距離管道表面160 mm；力學(xué)性能試驗參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1458-2008《纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣力學(xué)性能試驗方法》取環(huán)形件與剪切件各4組，進行拉伸、剪切試驗；巴氏硬度測試參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3854-2017《增強塑料巴柯爾硬度試驗方法》；斷鉛試驗參考標(biāo)準(zhǔn)QJ 2914-1997《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件聲發(fā)射檢測方法》，筆芯伸長量2.5 mm，筆芯與被檢測件表面夾角為30°。

自然條件下管道時效試驗時，取暴露在勝利油田自然條件下4，35，50，66，102個月的玻璃鋼長輸管道，材料為環(huán)氧樹脂。對每一個試驗時間點的管道取4組拉伸試件和4組剪切試件進行力學(xué)性能試驗和巴氏硬度測試，并對管道進行斷鉛聲發(fā)射試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 輻照加速時效試驗結(jié)果與分析

對受輻照時間分別為0，48，96，144，192，288，336 h的φ65 mm管道進行力學(xué)性能和聲學(xué)性能參數(shù)試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 受不同輻照時間的φ65 mm管道性能參數(shù)

管道輻照加速時效性能曲線如圖1所示，從圖1可以看出，輻照時間在96 h之前，斷鉛波速有小幅度增加，輻照時間在96 h之后，隨著紫外線照射時間的延長，斷鉛波速曲線下降并趨于平緩；而管道表面巴氏硬度變化幅度不大，在整個試驗期間，管道巴氏硬度在55 HBa上下浮動；管道拉伸破壞載荷曲線和斷鉛波速曲線有著近似的規(guī)律，呈先升后降的趨勢；管道剪切破壞載荷曲線隨著加速時效周期的延長逐漸減小并趨于平緩。大氣4級紫外線強度在15～30 W·m-2，4級紫外線強度在一天中占的比重較多，一天中上午10時至下午4時為紫外線輻照強度最大的時間段；實驗室紫外線強度經(jīng)過計算約為4級紫外線強度的10倍，實驗室輻照試驗理論上相當(dāng)于管道在4級紫外線強度的大氣環(huán)境中暴露560 d。

2.2 自然放置時效試驗結(jié)果與分析

對每一個分別放置4，35，50，66，102個月的φ65 mm管道進行取樣，測量管道聲學(xué)及力學(xué)性能參數(shù)，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 自然放置不同時間的φ65 mm管道性能參數(shù)

圖1 管道輻照加速時效性能曲線

圖2 自然放置管道時效性能曲線

自然放置管道時效性能曲線如圖2所示，從圖2可以看出，在管道自然放置50個月時，斷鉛波速最大，之后隨著放置時間的延長，斷鉛波速逐漸減小并趨于平緩，管道表面巴氏硬度整體變化區(qū)間不大，浮動范圍為0～8 HBa;在大氣中放置4～66個月的管道，表面巴氏硬度有所減小，減小幅度不大,管道試件的拉伸強度曲線，剪切強度曲線和斷鉛波速曲線有著近似的規(guī)律。

3 試驗結(jié)果相關(guān)性分析

灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析作為一種系統(tǒng)分析技術(shù)，是對發(fā)展的量化比較分析，通過計算目標(biāo)值(參考數(shù)列)與影響因素(比較數(shù)列)的關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)度的排序[13-14]，尋求影響目標(biāo)值的主要因素。表3，4為管道時效試驗相關(guān)性分析結(jié)果。

從表3，4計算的結(jié)果來看，實驗室輻照加速時效試驗下和管道自然放置條件下，斷鉛波速曲線與管道拉伸強度性能曲線關(guān)聯(lián)度最大，關(guān)聯(lián)度分別為0.75和0.74，表明在實驗室條件下，不同輻照加速時效周期下管道斷鉛信號波速傳播規(guī)律和管道試件環(huán)向拉伸力學(xué)性能有著近似的規(guī)律。圖3為輻照時效管道性能參數(shù)無量綱化曲線，圖4為自然放置管道參數(shù)無量綱化曲線，從圖3，4可以看出，管道波速無量綱化曲線和拉伸強度無量綱化曲線較為貼近。

表3 輻照時效管道斷鉛波速與力學(xué)性能參數(shù)關(guān)聯(lián)度

表4 自然放置管道斷鉛波速與力學(xué)性能參數(shù)關(guān)聯(lián)度

圖3 輻照時效管道性能參數(shù)無量綱化曲線

圖4 自然放置管道性能參數(shù)無量綱化曲線

對于實驗室輻照加速時效試驗結(jié)果分析，玻璃鋼管道試件環(huán)向拉伸、剪切強度先增加后減小，分析得出，由于受紫外線輻照，管道基體樹脂發(fā)生熱固化，隨著輻照加速時效時間的延長，固化程度逐漸降低，管道環(huán)形拉伸強度減小。圖5為管道不同輻照周期的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(TG)曲線，該曲線反映出了管道熱固化的現(xiàn)象，在0～144 h時間內(nèi)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸變大，管道試件環(huán)向拉伸強度也有所增大。

圖5 不同輻照周期的TG曲線

4 結(jié)論

(1) 試驗分析了在實驗室輻照條件下和東營勝利油田自然條件放置玻璃鋼管道的聲學(xué)性能曲線及力學(xué)性能曲線，得出了隨著時間的延長，曲線先升后降的規(guī)律，實驗室強紫外線輻照試驗表明，輻照是降低管道性能的一個主要因素。

(2) 管道在加速時效試驗過程中發(fā)生了熱固化，其拉伸強度先上升后下降，玻璃鋼管道玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也呈先升后降規(guī)律。

(3) 利用灰色關(guān)聯(lián)分析法得出，玻璃鋼管道斷鉛信號聲速曲線和管道拉伸力學(xué)性能曲線關(guān)聯(lián)度較高，兩者有著近似的規(guī)律，可以嘗試?yán)寐晫W(xué)特征參數(shù)對管道力學(xué)性能進行評價。

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