玻璃纖維增強熱塑性復合管性能評價方法研究進展

張 兆，劉 鵬，徐 超，王大鵬，王慶昭

(山東科技大學化學與環境工程學院，山東 青島 266590)

0 前言

隨著管道行業的發展，對管道的要求也越來越高，尤其是既耐高壓又耐腐蝕的管道。從古代陶制管道到現代混凝土管道，鋼管、塑料管再到增強熱塑性塑料復合管等，管道從材料到加工技術不斷發展，以滿足生產生活需求。管道種類不同，性能和用途也不同，混凝土管道具有價格便宜、處理后耐腐蝕性較好等優點，但質量大、施工困難、配件易損壞；鋼管承壓高但易腐蝕；塑料管耐腐蝕但承壓低；增強熱塑性塑料復合管既承壓高又耐腐蝕，滿足了管道行業發展的需求。

目前，油氣產業仍以鋼管為主；鋼管道在承壓、生產安裝技術、可使用性和可靠性等方面具有突出的優勢。但是，鋼管道也有其局限性。這些局限性最大的問題是腐蝕，也可以說是鋼管道最致命的缺點。因為腐蝕問題還會造成包括輸送流體泄露和環境污染等其他問題。美國運輸部在2001年進行的一項研究估計在美國的石油和天然氣產業中，地面管道和設備的腐蝕費用每年5.89億美元，輸送管道產業的腐蝕費用每年70億美元[1]。由于鋼管道質量大和管段長度有限，造成鋼管道在搬運、連接和檢驗需要的費用高。市政水利方面目前小口徑管以塑料實壁管為主，大口徑630以上是以球墨鑄鐵管和預應力鋼筒混凝土管(PCCP)為主，塑料管具有耐腐蝕、生產工藝成熟、安裝方便快捷等優點。但是，塑料管只能在低壓領域應用，不能承受高壓，限制了塑料管的應用；球墨鑄鐵管強度高、耐腐蝕但質量大、接口易滲漏；PCCP價格低但質量大，施工困難。因此，發展一種既耐腐蝕又耐高壓的管道十分有必要， GFT-RTP便符合這一特征。

小口徑(可盤卷)GFT-RTP的應用，解決了鋼管腐蝕以及塑料管承壓低的問題。例如，從2003年到2006年，En Cana公司在加拿大Alberta的Brooks/Suffield地區鋪設了78 km的GFT-RTP。在使用2～3年后，管道還沒有發生破裂。省去了相關的修復和環境恢復費用。在Brooks/Suffield地區，鋼管道每次破裂清理修復的費用通常在10萬～100萬美元。En Cana公司在Brooks/Suffield地區鋪設的GFT-RTP應用試驗達到了可靠使用和節省費用的效果[2]。小口徑GFT-RTP在性能評價以及施工規范也建立了一些相關標準。例如，技術規范ISO/TS 18226[3]提供了燃氣用RTP的長、短期靜液壓、爆破壓力、軸向負載等測試方法，本技術規范的范圍為最大工作壓力達到和包括4 MPa以及使用溫度在-50～120 ℃下輸送燃氣用的RTP；德國給水和燃氣協會科技協會技術標準VP642/June 2004[4]提供了耐內壓性能，爆破測試中外層的黏合強度，環向變形中各層的黏合強度等技術標準，該標準的應用領域為壓力超過1.6 MPa輸送燃氣的；國內柔性復合管的標準SY/T 6662.2—2012[5]1對管材的評定提供了爆破試驗、靜液壓試驗、受壓開裂穩定性、縱向回縮率等試驗標準。但由于GFT-RTP在不斷發展，現有的相關標準、規范滿足不了GFT-RTP的需求，需要對標準、規范及時更新或重新制定。

大口徑(不可盤卷)GFT-RTP已經問世，目前為止還沒有相關的標準和規范，阻礙了其進一步發展和應用，應該分析其在使用過程中的失效機理，確定相關的性能檢測方法，制定相關的標準、規范，確保大口徑GFT-RTP的快速發展。

本文在深入研究GFT-RTP在使用過程中導致失效的各種因素(受力、介質、時間等)的基礎上，依據使用要求，提出了相應的檢測項目和評價方法，對GFT-RTP的材料、管材、管件和管道系統進行性能評價，為制定相應GFT-RTP產品的標準和應用規范提供了依據，保證GFT-RTP這一新產品的健康發展。

1 GFT-RTP的簡介

如圖1所示GFT-RTP一般由3層結構組成[6-7]，內層為聚合物內襯層，像高密度聚乙烯(PE-HD)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，可根據使用要求設計相應的功能材料作為內襯層；中間層為增強層，增強層種類很多，常用的有鋼絲、鋼帶、玻璃纖維、芳綸纖維、玻璃纖維帶等；外層常用的材料一般是聚乙烯，主要功能是保護增強部分不受損傷。損傷一般有卷起和展開時的磨損、運輸過程中刮傷以及光氧化造成的環境侵蝕、埋地時的一些外部損傷等。

1—聚合物內襯層 2—連續玻璃纖維增強層 3—外保護層 (a)結構示意圖 (b)連續玻璃纖維帶 (c)實物圖圖1 GFT-RTP的示意圖Fig.1 Schematic diagram of GFT-RTP pipe layer structure

2 GFT-RTP的使用要求

GFT-RTP主要應用在地面油氣集輸系統、礦山領域、水利、市政給水領域等4個方面。在油氣輸送管道中，從油井到計量站的單井管線管徑一般為50～110 mm，從計量站到混合站混輸管線直徑一般為160～400 mm，再到聯合站管線直徑可到600 mm，具有從油井輸送到聯合站輸量大；輸送介質一般為原油、距離較長，經過地區較復雜；運營可靠性高等幾個特點。因此，GFT-RTP需要滿足高安全度、抗載荷能力強、連接可靠；使用壽命長，設計壽命30～50年，抗老化；耐油氣介質，內外層具有優良的耐腐蝕性和低滲透性。在礦山領域輸送管道中，一般用于礦漿、礦粉以及尾礦輸送，輸送距離長、輸量大，安裝使用區域一般為礦山區域，地勢復雜。因此，GFT-RTP需滿足內層材料具有良好的耐磨性、抗沖擊性、耐防腐性、運行阻力小；高壓力、大口徑，礦山領域最大壓力為25 MPa，一般常用為5～6 MPa，管徑為90～800 mm；質量輕，施工方便。在水利、市政給水領域輸送管道中，GFT-RTP主要應滿足不同口徑的壓力要求、達到安全衛生、使用壽命長等要求。

3 GFT-RTP的失效方式與影響因素

3.1 受力

在GFT-RTP中，受力部分主要為連續玻璃纖維帶增強層，由于連續玻璃纖維是彈性材料，并且斷裂伸長率很低(4 %左右)，至少2層的連續玻璃纖維復合帶按照鋪展角疊合形成增強層，因此，增強層近似于剛性體，當形變大于4 %時即失效；外層PE-HD是不承受內壓的；內層的PE-HD是承受內壓的，但由于增強層的限制，內層PE-HD的應變不大于4 %，在PE-HD彈性形變范圍內，承受的內壓力相當于應變對應的拉伸應力，是一個比較小的值，小于PE-HD的設計應力，另外，內層的PE-HD承受壓應力，但遠低于PE-HD的壓縮強度，也就是在使用過程中，內層PE-HD不會產生壓縮形變。即如果連續玻璃纖維帶承受的應力小于斷裂時承受的力，那么復合管就能在此載荷下長期工作而不破壞或不改變形狀，僅在容許的應力范圍內產生彈性變形。因此，導致復合管失效的原因之一是工作壓力超過連續玻璃纖維帶的斷裂力，使增強層失效從而導致復合管整體失效。

3.2 介質

在GFT-RTP輸送介質的過程中，不同的介質可能對復合管內層產生不同程度的溶解、磨損、滲透等。尤其在高溫下(相比于塑料管較高的溫度，一般不超過80 ℃)。像在石油和天然氣的輸送過程中，內層會接觸低相對分子質量的烷烴和芳香烴等，這些低相對分子質量的烴類會對復合管內層產生一定的溶脹作用，這些低相對分子質量的烴類首先滲入聚合物的非結晶區，產生溶脹。如果聚合物的結晶度不高，則聚合物的溶脹會破壞結晶，促使結晶區逐漸向非結晶區轉化，而后溶解，從而影響內層材料的密閉性和屈服強度等。若溶脹作用較明顯，會導致流體滲透、管材泄露。另外，溶脹作用也可能會對管材的連接產生一定的影響。因而，導致復合管失效的又一個原因是介質對內層材料的侵蝕。在GFT-RTP輸送的過程中，介質對管材內部的磨損會影響內層材料的損失，尤其是在輸送固 - 液兩相流的過程中，固體顆粒對管材內部造成沖擊和摩擦，導致管材內層材料的流失和脫落等，導致管道發生破損。還有，滲透作用也會導致管材的失效，在GFT-RTP輸送氣體的過程中，隨著壓力的升高，小分子物質會通過內層滲透到增強層或外層，當氣體滲透到增強層在內壓的作用下并保留在增強層中時，一旦輸送壓力降低，增強層中的氣體可能會將內管擠扁，造成內管坍塌，導致管材失效。

3.3 時間

在時間方面光氧化、慢速裂紋增長(SCG)和環境應力這3個因素影響管材的失效。聚烯烴在陽光照射下發生氧化，生成羰基而引起主鏈斷裂導致管材失效。雖然GFT-RTP通常是埋地使用的，但隨著時間的推移，還是會產生一定的影響。GFT-RTP在使用過程中，會受到長時間、小負荷的作用，在這種作用之下，GFT-RTP會發生脆性破壞。脆性緩慢開裂行為則是在持續的低應力狀態下發生的，在該過程中，開始的行為與韌性形變比較相似，但是，由于材料在低應力狀態下，分子鏈開始解纏和松弛，隨著時間的推移，剩下為數不多的分子鏈承受載荷作用，這時造成應力集中，在應力集中點形成銀紋區，應力集中點處于材料中存在的不規整處，或在裂紋或缺口尖端。銀紋和裂紋不同。所謂裂紋就是小的裂縫，而銀紋是由聚合物大分子連接起來的空洞所構成的，如圖2所示。銀紋區的發展，導致局部屈服和聚合物的拉伸。裂紋尖端前的材料首先發展成小的空洞，逐漸成為大的空洞。這些空洞間的聚合物材料被高度拉伸，形成微纖。銀紋中的聚合物細絲全部斷裂，形成裂紋。在新的開裂尖端，又形成新的銀紋，該過程可重復發生。于是材料就發生脆性破壞。GFT-RTP在使用過程中，難免會遇到壓力波動的情況。在壓力波動時，復合管會發生輕微變形 - 恢復 - 再變形的情況，這時玻璃纖維帶層與層、玻璃纖維與PE之間會產生摩擦，隨著時間的推移，在這種摩擦中玻璃纖維可能會斷裂。因而，GFT-RTP的使用壽命超過玻璃纖維摩擦斷裂的時間就會導致GFT-RTP失效。

圖2 銀紋與裂紋的形成Fig.2 Craze and creak formation

4 GFT-RTP檢測項目

4.1 失效模式

為滿足GFT-RTP的使用要求。針對GFT-RTP在使用過程中遇到的狀況以及可能出現的失效模式，必須要有相對應的檢測手段來評價該GFT-RTP管是否能應用。因此，GFT-RTP的性能評價顯得尤為重要。在介紹性能評價之前，首先需要確定管材的失效模式。多個標準中都提出了管材的失效模式，其中在SY/T 6794—2010[8]中給出了管材的失效模式：對于采用玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維或其他非金屬纖維增強的GFT-RTP產品，在試驗時唯一可容許的失效形式應是增強部分的拉伸(環向)或混合模式(雙軸)失效，這些失效包括增強層失效、局部泄漏/滴漏、內襯層和外保護層破裂等多種形式的組合，從而導致管結構的整體失效。

除主要失效模式外，發生其他任何失效模式時制造商都應仔細研究調查以找出失效原因，并采取必要措施防止再次發生，非允許的失效模式的事例包括：內襯層的失效(導致流體泄露)，接頭或套筒的失效，尤其是管體從接頭或套筒中脫出[9]。

4.2 聚合物材料的檢測

對于聚合物所考慮的環境條件必須包括介質溫度、應力、應變、壓力、接觸介質種類以及紫外線等。 若聚合物采用高密度聚乙烯(PE-HD)，基本性能應符合GB 15558.1的要求，并滿足表1的要求，采用交聯聚乙烯時，基本性能應符合ISO 14531—1的要求，采用聚偏氟乙烯(PVDF)時，基本性能應符合ISO 10931的要求[5]10。對于增強層材料，連續玻璃纖維增強復合帶基本性能應滿足表2的要求[10]；鋼絲應符合GB/T 14450的要求；鋼絲繩應符合YB/T 5179或GB/T 12753的要求；用于含酸性氣體的介質輸送時，鋼絲或鋼絲繩應進行抗硫設計；玻璃纖維束應符合JC/T 589的要求；滌綸工業長絲應符合GB/T 16604的要求；芳綸長絲應符合YD/T 1182.2的要求；超高相對分子質量聚乙烯長絲應符合FZ/T 54027的要求。

表1 PE-HD的基本性能

Tab.1 Basic properties of PE-HD

表2 玻璃纖維增強復合帶的規格及性能

Tab.2 Specifications and properties of glass fiber reinforced composite tapes

4.3 爆破試驗

管材在不同溫度下的最大壓力等級的確定需要爆破試驗。爆破試驗的要求為爆破測試中管材的破壞處應位于管材中間或接近中間部分。塑料管材管件在壓力高到4 MPa下輸送燃氣的增強熱塑性塑料管道系統中，對于短期爆破測試提到：壓力的升高應該按預定的速率(1+0.05) MPa/min。這對于壓力在4 MPa以下的GFT-RTP管是適用的，但像高壓GFT-RTP，爆破壓力在幾十MPa，應按爆破時間為60～70 s進行加壓試驗，試驗時，應連續均勻地、快速地對試樣施加壓力使測試管材爆破。SY/T 6662.2—2012規定爆破壓力應大于等于公稱壓力的3.0倍。對于爆破管材的長度可參照GB/T 15560的規定進行，當公稱外徑D<160 mm時，試樣在2個密封接頭之間的有效長度L≥5D，但不小于300 mm；當D≥160 mm時，L≥3D，但不小于750 mm。爆破試驗不僅檢測了管材整體的抗拉強度(縱向和軸向)，而且驗證了管材的最大工作壓力是否滿足使用要求，是一項重要的檢測指標，對管材的性能檢測具有重要意義。

4.4 靜液壓試驗

圖3 確定LCL、MPR和MSP的示意圖Fig.3 Schematic diagram for determining LCL, MPR and MSP

內液壓載荷是GFT-RTP最主要和最基本的載荷形式，因而對GFT-RTP的內液壓載荷能力的研究是認識和使用GFT-RTP的重要基礎，同時，也是研究和評價GFT-RTP應用的最重要的手段之一。由于GFT-RTP的耐內壓強度與時間是相輔相成的，不能離開時間單純地討論GFT-RTP的耐內壓強度。因此，GFT-RTP的設計與使用存在著2個方面相輔相成的基本問題：一是在限定時間和給定溫度下，管材所能承受的最大壓力為多少；二是在限定溫度下，管材承受一確定的壓力時，其壽命有多長。需要確定這2個基本問題就需要靜液壓試驗來實現。GFT-RTP作為一種新型管材，其產品評定可以由壓力分級試驗評定，其中壓力分級試驗是型式試驗。對于管材的置信下限(LCL)、最大壓力等級(MPR)和最大工作壓力(MSP)可以根據在試驗溫度和恒定壓力條件下一系列應力破壞試驗來確定，如圖3所示，試驗數據被用于確定復合管材的長期靜液壓力(LTHP)的平均回歸曲線以及其LCL。LCL表示97.5 %的預測值都位于此值之上。復合管材的LCL是通過外推這個回歸曲線至設計壽命獲得的。復合管材的設計壽命都應與其他復合材料的管道標準相同，設定為20年。如果復合管材用于輸水管道，也可采用50年設計壽命[11]。對于GFT-RTP的出廠檢驗則要采用短期靜液壓試驗，表3列出了短期靜液壓的試驗要求。

靜液壓試驗除了測定管材長期靜液壓強度以及研究增強熱塑性塑料復合管的長期性能的應用外，還有諸多應用：管材及管件的質量控制手段、耐化學性研究、管道連接系統的質量與系統適應性等。但是長期靜液壓試驗周期較長，只適合型式試驗，相信將來會研究出長期靜液壓試驗壓力與時間的關系，從而縮短試驗時間，提高檢測效率。

表3 短期靜液壓強度試驗要求

Tab.3 Requirements for short-term hydrostatic strength test

4.5 內壓波動試驗

內壓波動試驗是專門對于脆性材料增強復合管的一個檢測項目，因為脆性材料的一個缺點就是耐疲勞性較差，在循環載荷的不斷作用下，材料的疲勞損傷不斷積累，積累到一定程度，材料發生破壞失效。韌性材料增強的復合管或實壁管的檢測標準中則沒有這項檢測項目。

GFT-RTP在使用過程中會受到周期性或非周期性的動載荷作用，比如輸送流體時壓力的波動、溫度變化產生的應力、土壤變化如沉降及車輛通行等的應力，都會影響到玻璃纖維的耐疲勞性。因此需要對GFT-RTP進行一項新的檢測項目：內壓波動試驗(疲勞試驗)，在長期靜壓值上下周期性壓力脈動，脈動幅度為靜壓值的±20 %，頻率為10 次/min，連續試驗時間為20 h。

內壓波動試驗準確反應了復合管在各種環境應力下的疲勞損傷狀態，是依據復合管在正常使用狀態下受到的不同環境應力作用下的一種檢測方法，評價了復合管材及管件的疲勞壽命。但內壓波動試驗作為一種新的檢測方法，目前還沒有相關具體的試驗標準，需要時間來驗證其可行性。相信在不久的將來，內壓波動試驗會作為一種新的評價方法對增強熱塑性塑料復合管作出更加準確的性能評價。

4.6 扁平試驗

扁平試驗相當于現行標準中的壓裂試驗，因王慶昭等[12-14]研究開發的GFT-RTP中的連續玻璃纖維帶具有很大的柔韌性，因此在壓裂一定程度后仍能滿足使用要求，壓裂試驗不能反映GFT-RTP的使用要求和失效機理。因此，針對大口徑管材在運輸或使用過程中遇到的可能被壓扁問題以及壓扁后是否仍能達到使用要求，需要對管材(大口徑不可盤卷)進行扁平試驗。扁平試驗的要求：管材長度為：當公稱外徑D<160 mm時，試樣在2個密封接頭之間的有效長度L≥5D，但不小于300 mm；當D≥160 mm時，L≥3D，但不小于750 mm。隨機取滿足長度要求的3個管材試樣進行試驗，試樣置于試驗機兩壓板間進行下壓，每塊壓板的寬度為50～100 mm，以100 mm/min 的速度，在試樣管中部下壓至管材內徑1/2高度。取出后繼續做靜液壓試驗或爆破試驗。

從材料學角度來說，扁平試驗檢測了玻璃纖維本身一個重要方面的性能，也檢測了表面和界面的性能，同時，檢測了內層、增強層和外層的結合性能，如果通過了扁平試驗，表明GFT-RTP的管壁結構達到了設計要求。并且，這是區別于連續纖維增強熱固性塑料管道的一個重要檢測項目。扁平試驗比壓裂試驗更能反映出管材的失效機理，以后在GFT-RTP的性能檢測方面扁平試驗可能會取代現有的壓裂試驗。

4.7 國內外復合塑料管道現行標準問題總結

隨著國內外GFT-RTP管行業的快速發展時期，相應的標準制定修訂進步迅速，國際標準、國家標準、行業標準相繼被制定出來。包括API SPEC 17J—2014、API 17K—2010、ISO國際標準系列以及ASTM系列等[15]。國內針對不同類型的GFT-RTP管以及應用領域也制定了一系列關于非金屬復合增強管的標準，像SY/T 6662.1—2012、SY/T 6662.2-2-12等。具體詳細標準[16-35]在表4、表5中列出。但這些標準仍存在許多問題，例如：部分標準適應范圍窄，只針對某一種產品；部分標準產品類型相似，大部分標準缺乏質量驗收、設計施工等系列標準。因此，建議完善標準內容，發展標準體系，制定前沿標準。

表4 增強熱塑性復合管相關國內標準

Tab. 4 Domestic standards for reinforced thermoplastic composite pipes

表5 增強熱塑性復合管相關國外標準

Tab. 5 International standards for reinforced thermoplastic composite pipes

5 結語

GFT-RTP作為典型的柔性管道，以其耐腐蝕性能好、承壓能力高、耐疲勞性好、內壁光滑、不滲漏、使用壽命長等優點將逐漸替代其他管道；但GFT-RTP在進入市場面臨著一系列標準以及工程技術規范等問題；尤其缺乏在性能檢測方面的標準及規范；通過對GFT-RTP性能評價方法研究GFT-RTP標準體系的制定以及施工規范的制定具有一定的參考作用；本文提出的性能檢測方法較好地評價了GFT-RTP對輸送介質、使用壓力、壽命、安裝要求等方面的性能，相信在不久的將來就會有GFT-RTP的性能檢測方法標準以及施工工程規范的出現，實現GFT-RTP在地面油氣集輸系統、礦山領域、水利、市政給水等領域的廣闊應用，而且對今后特殊工況下GFT-RTP應用標準體系建設具有探索意義。