海洋柔性管道用復(fù)合材料的粘彈性研究

黃允燦，韓 霞

海洋柔性管道用復(fù)合材料的粘彈性研究

黃允燦1，韓 霞2

(1. 海裝駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064)

本文主要研究了柔性管道的結(jié)構(gòu)中起增強(qiáng)作用的增強(qiáng)層材料在長(zhǎng)期載荷下的蠕變行為。文中用連續(xù)拉擠成型工藝制備了CGFRPP單層板，利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和DMA測(cè)試儀測(cè)得了預(yù)測(cè)模型和理論所需要的力學(xué)數(shù)據(jù)，根據(jù)所測(cè)得的力學(xué)數(shù)據(jù)分別用Burgers模型和時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效原理(TTSSP)預(yù)測(cè)CGFRPP的長(zhǎng)期力學(xué)性能，并將兩種預(yù)測(cè)方法所得的結(jié)果進(jìn)行了分析和比較。研究表明TTSSP對(duì)CGFRPP復(fù)合材料低應(yīng)力下的蠕變行為預(yù)測(cè)具有較好的適用性，Burgers粘彈性模型對(duì)于CGFRPP復(fù)合材料的蠕變行為預(yù)測(cè)具有良好的適用性。

柔性管道 復(fù)合材料 粘彈性

0 引言

海洋柔性管道是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的管道,具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、彎曲剛度小、強(qiáng)度高、抗疲勞性以及抗腐蝕性好、便于安裝的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于海上油氣開(kāi)采過(guò)程以及海上油氣運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)階段，我國(guó)在海洋柔性管領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)水平相比有著非常大的差距[1-3]。由于柔性管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及各層結(jié)構(gòu)的作用各不相同，使得柔性管道各結(jié)構(gòu)層對(duì)材料的要求有很大差別[4-5]。本文主要研究柔性管道的結(jié)構(gòu)中起增強(qiáng)作用的增強(qiáng)層材料在長(zhǎng)期載荷下的蠕變行為，以期為柔性管道的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

海洋柔性管道增強(qiáng)層為熱塑性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸帶材料采用干法纏繞工藝成型。與傳統(tǒng)的熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料由于其具有簡(jiǎn)單的加工成型工藝、優(yōu)良的力學(xué)性能以及成本低可回收等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注[6-7]。其中在眾多的熱塑性基體中，聚丙烯（PP）由于其成本低、良好的力學(xué)性能、和耐化學(xué)性能，被認(rèn)為是熱塑性復(fù)合基體的良好選擇。連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯基復(fù)合材料（CGFRPP）近幾年也因此得到了快速的發(fā)展。但是由于熱塑性基體的固有蠕變特征，使得復(fù)合材料柔性管道在長(zhǎng)時(shí)間使用和負(fù)載的過(guò)程中產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，從而對(duì)海洋柔性管道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響[8-10]。因此應(yīng)用合適的數(shù)學(xué)模型和理論對(duì)熱塑性復(fù)合材料的長(zhǎng)期蠕變性能進(jìn)行研究并預(yù)測(cè)是非常有必要的。

1 實(shí)驗(yàn)

本文選用連續(xù)拉擠成型工藝作為CGFRPP的制備工藝[11]。

CGFRPP單層板的拉伸性能按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.5-2008在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。

CGFRPP的短期拉伸蠕變性能通過(guò) DMAQ800 Creep實(shí)驗(yàn)方案測(cè)試，設(shè)定一個(gè)恒定載荷，在恒溫條件下測(cè)量材料的形變量隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)置溫度區(qū)間為25℃-65℃，高于PP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，低于其軟化點(diǎn)溫度，適應(yīng)于 CGFRPP 構(gòu)件的普遍工作環(huán)境。第一組實(shí)驗(yàn)條件：設(shè)置靜態(tài)載荷為4 MPa，設(shè)置溫度梯度為25℃、45℃和65℃；第二組實(shí)驗(yàn)條件：設(shè)定溫度恒定為25℃，靜態(tài)載荷分別為4MPa、8 MPa、12 MPa、14 MPa。測(cè)試所用的試樣尺寸為25 mm×4 mm×0.5 mm。

CGFRPP單層板較長(zhǎng)期蠕變性能測(cè)試試樣與拉伸試樣相同，在載荷200 MPa、500 MPa、700 MPa下進(jìn)行1h蠕變實(shí)驗(yàn)；在780 MPa下進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)直至試樣發(fā)生蠕變破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1 CGFRPP單層板拉伸性能

為了利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩種不同纖維含量的單層板進(jìn)行了拉伸性能的測(cè)試，兩種不同纖維含量單層板的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量如表1和表2所示。

表1 纖維含量為57.01%的單層板的拉伸性能

因?yàn)槔w維在單層板受到沿纖維方向拉伸時(shí)承受著主要的力，因此纖維含量的增加可以明顯地增加連續(xù)纖維增強(qiáng)聚丙烯單層板的拉伸性能。由于目前國(guó)內(nèi)連續(xù)拉擠成型工藝制備的CGFRPP纖維含量約為60%，本為選用纖維含量為57.01%的單層板進(jìn)行蠕變性能研究。

表2 纖維含量為75.95%的單層板的拉伸性能

2.2 CGFRPP低應(yīng)力水平下的蠕變性能

在低應(yīng)力作用下，CGFRPP的蠕變行為受基體蠕變性能影響較大，如圖1和圖2所示。這是因?yàn)樵诔跏茧A段，CGFRPP單層板的形變過(guò)程是彈性形變過(guò)程，其蠕變速率是呈遞減趨勢(shì)的。之后，進(jìn)入穩(wěn)速蠕變階段，此時(shí)CGFRPP單層板的蠕變速率是基本上趨于穩(wěn)定的。在此階段，會(huì)產(chǎn)生可回復(fù)的彈性形變和不可回復(fù)的粘性形變，形變的結(jié)果與PP聚合物的蠕變行為相同。上述的對(duì)比結(jié)果表明：CGFRPP單層板的抗蠕變性能隨著溫度的升高而降低；隨著溫度的升高，初始時(shí)的蠕變速率和和穩(wěn)態(tài)時(shí)的蠕變速率會(huì)明顯增大，因?yàn)椴ＡЮw維的力學(xué)性能在25℃-65℃范圍內(nèi)基本上不會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓a(chǎn)生較大的變化，因此可以認(rèn)為PP基體的粘彈性能決定了溫度對(duì)CGFRPP單層板蠕變性能的影響，當(dāng)溫度高于PP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，隨著溫度升高，鏈段運(yùn)動(dòng)變得容易，且自由體積增大，PP基體分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力顯著提高，加速了CGFRPP單層板的蠕變。

圖1 CGFRPP單層板不同溫度下的蠕變曲線

對(duì)于DMA測(cè)試結(jié)果的分析，本文分別使用了TTSSP和Burgers蠕變模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合和分析，根據(jù)擬合得到的結(jié)果可以對(duì)CGFRPP一段時(shí)間內(nèi)的蠕變行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2.1 TTSSP模擬和預(yù)測(cè)

圖3是依據(jù)時(shí)間-應(yīng)力等效得到4 MPa、25 ℃條件下的蠕變主曲線，計(jì)算得到CGFRPP單層板11小時(shí)時(shí)的蠕變?nèi)崃繛?00 μm2/N，應(yīng)變?yōu)?.08%。圖4是依據(jù)溫度-應(yīng)力等效得到25℃、4 MPa條件下的蠕變主曲線，計(jì)算得到CGFRPP單層板13小時(shí)時(shí)的蠕變?nèi)崃繛?00 μm2/N，應(yīng)變?yōu)?.08%。對(duì)比應(yīng)力-時(shí)間等效曲線和溫度-時(shí)間等效曲線，兩者預(yù)測(cè)CGFRPP單層板蠕變行為比較一致，說(shuō)明應(yīng)力和溫度對(duì)CGFRPP單層板的蠕變性能影響是等效的，驗(yàn)證了TTSSP 理論對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料具有較好的適用性。

根據(jù)圖3和圖4可以預(yù)測(cè)CGFRPP單層板44小時(shí)的蠕變?nèi)崃繛?40 μm2/N，應(yīng)變?yōu)?.136%。

圖2 CGFRPP單層板不同應(yīng)力下的蠕變曲線

圖3 依據(jù)時(shí)間-應(yīng)力等效得到4MPa、25℃條件下的蠕變主曲線

2.2.2 Burgers四元件粘彈性模型擬合和預(yù)測(cè)

利用Burgers四元件粘彈性模型對(duì)在實(shí)驗(yàn)條件4 MPa，25℃下的CGFRPP單層板的蠕變曲線進(jìn)行了擬合，擬合曲線和實(shí)際蠕變曲線的擬合程度2=0.997，如圖5所示，說(shuō)明Burgers蠕變模型能夠較好地預(yù)測(cè)CGFRPP單層板的蠕變行為。擬合得到的Burgers參數(shù)列于表3中。利用得到的Burgers模型參數(shù)，計(jì)算16.7分鐘時(shí)的蠕變?nèi)崃繛?0.7 μm2/N，這與TTSSP原理在圖3和圖4預(yù)測(cè)的結(jié)果很接近，說(shuō)明較短時(shí)間內(nèi)兩者預(yù)測(cè)結(jié)果相差不大，均適合預(yù)測(cè)CGFRPP單層板的短期蠕變。計(jì)算11小時(shí)時(shí)的蠕變?nèi)崃繛?14 μm2/N，這與TTSSP原理在11小時(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的結(jié)果相差較大，原因可能為：由于玻璃纖維是彈性體，且為復(fù)合材料中的承載材料，在長(zhǎng)時(shí)間的拉伸蠕變過(guò)程中，纖維應(yīng)力越來(lái)越大，基體的蠕變?cè)絹?lái)越小，所以用短期蠕變等效長(zhǎng)期蠕變會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

圖4 依據(jù)溫度-應(yīng)力等效得到25 ℃、4 MPa條件下的蠕變主曲線

圖5 Burgers四元件粘彈性模型擬合4 MPa、25 ℃下的CGFRPP單層板的蠕變曲線

表3 Burgers蠕變參數(shù)

2.3 CGFRPP高應(yīng)力水平下的蠕變性能

不同于DMA蠕變測(cè)試，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高應(yīng)力水平下的CGFRPP單層板蠕變實(shí)驗(yàn)中，纖維起著主要的作用，而基體在此過(guò)程的作用較小。

2.3.1 Burgers四元件粘彈性模型進(jìn)行擬合

圖6是200 MPa、500 MPa、700 MPa下CGFRPP單層板一小時(shí)蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)間-柔量關(guān)系圖，擬合后三個(gè)曲線的Burgers參數(shù)列于表4中。通過(guò)擬合程度R2可以看出200 MPa和500 MPa、700 MPa條件下蠕變曲線的擬合程度較好，表明Burgers模型能夠較好地預(yù)測(cè)CGFRPP單層板的蠕變行為。圖7是200 MPa、500 MPa、700 MPa、780MPa下的時(shí)間-應(yīng)變曲線，通過(guò)圖7以看出在780MPa下，應(yīng)變?yōu)?.02%時(shí)試樣已經(jīng)失效，此時(shí)的蠕變?nèi)崃繛?7.2 μm2/N，根據(jù)失效時(shí)的斷裂應(yīng)變通過(guò)擬合后得到的Burgers粘彈性模型參數(shù)可以計(jì)算出200 MPa、500 MPa、700 MPa下的CGFRPP單層板的失效時(shí)間。

圖6 200 MPa、500 MPa、700 MPa下CGFRPP單層板的蠕變時(shí)間-柔量曲線

圖7 200 MPa、500 MPa、700 MPa、780 MPa下CGFRPP單層板的蠕變時(shí)間-應(yīng)變曲線

Burgers粘彈性模型的擬合公式為：

就可以得出CGFRPP破壞的時(shí)間。

經(jīng)過(guò)計(jì)算200 MPa、500 MPa、700 MPa下的CGFRPP單層板的失效時(shí)間分別為130小時(shí)、23.6小時(shí)和12.7小時(shí)。

Burgers粘彈性模型的擬合曲線和實(shí)際曲線擬合程度較高，預(yù)測(cè)效果比較理想，適合在較高應(yīng)力水平下預(yù)測(cè)CGFRPP的長(zhǎng)期蠕變性能。

表4 Burgers蠕變參數(shù)

3 結(jié)論

本文使用DMA測(cè)試儀和萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了CGFRPP的蠕變性能，并用TTSSP和Burgers粘彈性模型進(jìn)行了模擬，主要得出以下結(jié)論：

1）CGFRPP低應(yīng)力水平下的蠕變性能受基體蠕變性能影響較大。TTSSP模擬結(jié)果表明應(yīng)力-時(shí)間等效曲線和溫度-時(shí)間等效曲線，兩者預(yù)測(cè)CGFRPP單層板的蠕變行為比較一致，說(shuō)明應(yīng)力和溫度對(duì)CGFRPP單層板的蠕變性能影響是等效的，驗(yàn)證了TTSSP 對(duì)CGFRPP復(fù)合材料的蠕變行為預(yù)測(cè)具有較好的適用性。

2）低應(yīng)力水平下Burgers粘彈性模型擬合曲線和實(shí)際蠕變曲線的擬合程度2=0.997，高應(yīng)力水平下Burgers粘彈性模型擬合程度2>0.98，表明Burgers粘彈性模型對(duì)于CGFRPP復(fù)合材料的蠕變行為預(yù)測(cè)具有良好的適用性。

3）Burgers粘彈性模型擬合效果在預(yù)測(cè)CGFRPP單層板的蠕變行為較為理想，得到的擬合曲線與實(shí)際曲線的擬合程度比較高。并且通過(guò)780 MPa下斷裂應(yīng)變，求得了CGFRPP單層板在200 MPa、500 MPa和700 MPa下的破壞時(shí)間分別為130小時(shí)、23.6小時(shí)和12.7小時(shí)。應(yīng)用Burgers粘彈性模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)CGFRPP在受到一個(gè)恒定應(yīng)力時(shí)的壽命。

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Viscoelasticity of Composite Materials for Marine Flexible Pipelines

Huang Yuncan1, Han Xia2

(1. No.6 Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064, China)

TB33

A

1003-4862（2019）12-0024-04

2019-11-11

黃允燦（1989-），男，工程師。研究方向：海裝工程。E-mail: 503287842@qq.com