新型深水夾層管道靜水壓潰實驗設計

付光明， 彭玉丹， 楊健坤， 安 晨

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院,山東 青島 266580；2.里約熱內盧聯邦大學,巴西 里約熱內盧 21941-970；3.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程研究院，北京 102249)

0 引 言

隨著陸上油氣資源的日趨枯竭，油氣勘探開發逐漸向海洋轉移。南海蘊藏著近300億桶油氣當量資源，近年來越來越受到重視。為適應海洋油氣資源開發向更深更遠方向發展，開發兼備抗壓和保溫性能的海底管道越來越受到重視，例如，深水管中管(Pipe-in-Pipe,PIP)和夾層管(SP)的概念相繼被提出。Kyriakides等[1-2]通過實驗手段研究了PIP管道的深水壓潰行為。Sato等[3]提出了基于最小勢能原理的外壓作用下管中管彈性失穩計算方法。Gong等[4]利用實驗和數值模擬手段研究了深水PIP系統的屈曲傳播特性。深水夾層保溫管線作為深水油氣輸運的新概念管線，兼備良好的抗壓和保溫性能，可為南海水深水油氣的輸運安全提供必要的支撐，受到了廣泛關注[5-8]。An等[9-11]通過實驗與數值模擬研究了基于應變硬化水泥基復合材料的夾層保溫管在外壓作用下的壓潰行為。付光明等[12-13]研究了不同夾層材料以及夾層管缺陷幾何尺寸特征對夾層管抗壓潰強度的影響。龔順風等[14]研究了外壓作用下夾層管道的非線性屈曲失穩機理，并利用數值模擬的方法分析了夾層管層間黏結性能、內外管道的初始橢圓度、內外管道徑厚比以及材料力學參數等對夾層管外壓失穩規律的影響。Arjomandi等[15]利用數值模擬手段研究了夾層管抗彎曲變形行為，為夾層管的S型和卷筒式安裝提供了技術支撐。

由于PVA纖維加強的水泥基(SHCC)材料具有抗壓強度大、抗應變能力強以及經濟性好等的特點，本文設計了基于該水泥基材料的夾層保溫管，并通過實驗手段研究了基于SHCC材料的夾層保溫管加工工藝可行性及其抗壓潰的性能。結果表明,該夾層管具備3 km水深條件下安全輸運油氣的能力，同時也驗證了本文所建立的加工工藝的可行性。

1 實驗設計與步驟

1.1 SHCC制備

SHCC材料的配比(質量配比):水泥488,細沙516,火山灰593,水360,塑性劑30,黏性劑3,PVA纖維29。放置于200 L容量的水泥攪拌容器內充分攪拌混合，詳細的操作程序如下：

(1) 將所需材料中的固相成分(水泥、火山灰和細沙等)以及黏性劑等放置于混合容器中，低速攪拌，確保充分混合，如圖1(a)所示。

(2) 加去離子水，低速攪拌30 s；而后，倒入一半體積的塑性劑，并快速攪拌1 min，如圖1(b)所示。

(3) 將另一半體積的塑性劑倒入攪拌容器內，低速攪拌1 min，如圖1(c)所示。

(4) 待塑性劑全部加入后，高速攪拌容器內的混合物1 min，而后靜置2 min，并利用工具檢查并攪拌容器底部未充分混合的材料，如圖1(d)所示。

(5) 再次進行1 min的低速攪拌，同時加入PVA纖維材料，如圖1(e)所示。

(6) 靜置1 min，并確認容器內PVA纖維已充分混合。將容器內的混合物快速攪拌2 min，確認容器內PVA纖維已充分混合后，即完成PVA纖維加強水泥基材料的制備。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

利用如圖2所示的塌落度測試，檢驗SHCC材料的基本性能。而后，利用特殊設計的工具，制備夾層管中間夾層材料SHCC力學性能實驗試件。圖3所示為制備SHCC夾層材料實驗試件和對中短節的模具。將充分混合好的夾層材料放置于加工的模具中，并利用振動平臺實時振動去除試件灌注過程中存在的氣泡，保證灌注試件的材料均勻。試件灌注完成后，連同模具一并放入21 °C恒溫恒濕的空間內固結28 d。如圖4所示為固結完成后的實驗試件和對中短節。

圖2 SHCC塌落度測試

1.2 SHCC基本力學性能測試

采用島津萬能材料力學試驗機測試SHCC材料的基本物理力學性能，如圖5所示。試件兩端通過特制的夾具加持，保證有效實驗段的長度為80 mm。通過緩慢加載的方式(0.1 mm/min)實現準靜態加載，研究其拉伸力學性能。圖6為試件拉伸破壞失效變形曲線，失效破壞前，試件表面可觀察到裂紋產生，持續加載，試件表面裂紋不斷增加，直至發生拉伸破壞失效，此時的最大應變接近4%，平均拉伸強度為2.5 MPa。通過實驗發現，該纖維加強水泥基材料其具有明顯的應變加強特征和抗變形能力。

(a) SHCC拉伸試件(mm)

(b) 單軸拉伸實驗

圖5 實驗設計

1.3 夾層管加工工藝流程

本文加工夾層管的基本尺寸如表1所示，夾層管兩端通過端蓋進行密封，如圖7所示。安裝過程中，在夾層管環空內每隔2 m放置提前制備的對中短節，以保證該夾層管滿足同心的要求，同確保該夾層管的夾層材料厚度均勻。

表1 夾層管的基本幾何尺寸

如圖8所示，安裝好內外管道底部端蓋后，將其固定在安全塔架上，從夾層管上部環空的開口處注入SHCC水泥基材料。實驗過程中，保持振動電動機開啟，實現均勻填充環空空間，并排空可能存在的氣泡。每隔2 m放置一個對中短節，保證內外管以及環空夾層能夠同心。

(b) 應力應變曲線

(a)

(b)

為保證夾層材料具備最優的力學性能，將裝配后的夾層管靜置于溫度為21 ℃的恒溫恒濕的空間內固結28 d。如圖9(a)所示為固結28 d后的夾層管及SHCC材料的填充情況。通過觀察可知，此次加工的夾層管的夾層材料填充均勻，同時內外管以及夾層滿足同心的幾何要求。由于夾層管的橢圓度直接影響其抗壓潰能力，在進行高壓艙壓潰實驗之前，利用FARO激光測量設備，對整根管道得初始橢圓度進行了測量，如圖9(b)所示。

(a)

(b)

1.4 深水高壓艙壓潰實驗

利用室內高壓艙對SHCC水泥基夾層管道進行靜水壓潰實驗，如圖10所示。首先，將夾層管兩端密封后，利用送入工具，將其放置于高壓艙內，其中夾層管一側端蓋處，利用特制的接口，與外界大氣相連通。而后，不斷向高壓艙內部緩慢注入清水。為滿足準靜態加載，初期加載速率為0.2 MPa/min。當高壓艙內壓力值達到5 MPa時，停止加壓，靜置5 min，觀察壓力是否恒定。若壓力發生明顯下降，表明夾層管密封存在問題，需停止加壓，并打開泄壓閥門，待壓力恢復大氣壓后，取出實驗管道重新進行管道密封處理。重復以上步驟，再次進行實驗。待高壓艙內壓力值接近試件臨界壓潰載荷預估值的50%時，將加載速率設定為0.1 MPa/min，實時記錄壓力隨時間變化情況，直至夾層管道被壓潰。

圖10 高壓艙內試件安放及其局部連接

2 實驗結果與討論

壓潰實驗結束后，通過泄壓閥門，卸除高壓艙內的壓力，并排空流體。利用相應的工具，取出夾層管道，觀測夾層管壓潰后的變形以及壓力傳感器記錄的壓力隨時間變化情況。圖11為夾層管試件SP1壓潰后的變形和載荷隨時間變化情況。由圖可知，該夾層管的抗壓載荷為37.8 MPa，具備抵抗3 780 m水深的靜水壓力的能力。

如圖12所示，將夾層管道人為制造缺陷后，研究其在不同初始缺陷尺寸情況下的壓潰變形和壓力隨時間的變化曲線。該試件SP2的初始橢圓度為6.35%，其靜水壓潰載荷為22.5 MPa，如圖12所示。壓潰發生后，夾層管道發生了屈曲傳播，其傳播載荷的大小為7.24 MPa。通過對比以上的實驗結果發現，當初始橢圓度由0.5%(SP1)增加為6.35%(SP2)時，壓潰載荷由37.8 MPa降為22.5 MPa，降幅約為40.5%，管道的初始缺陷的大小直接影響壓潰載荷值。夾層管道發生壓潰破壞后，其壓潰變形將在較低的壓力下發生壓潰傳播的現象，在實際生產中將對生產安全產生嚴重威脅。

(a)

(b)

圖11 夾層管道SP1壓潰后變形形態(a)及壓力變化曲線(b)

(a)

(b)

圖12 夾層管道SP2壓潰后變形(a),初始壓潰載荷和屈曲傳播載荷隨時間變化曲線(b)

3 結 語

本文設計了基于PVA纖維加強的水泥基深水夾層管道，研究了該夾層管加工制造工藝可行性和管道的靜水壓潰特性。在實驗設計過程中，學生從SHCC材料的配比，實驗方案的設計、夾層管的裝配以及靜水壓潰實驗過程中對潛在影響因素的分析與解決方案的提出等各個環節，受到了全面的訓練。通過該實驗，激發了學生積極探索的熱情，訓練了學生整體規劃實驗的能力。其次，通過實驗結果的分析，基于PVA纖維加強的水泥基材料不同于常規的水泥基材料，具備更好的應變強化特性。利用該夾層材料(SHCC)制備的深水夾層管，具備很強的抗壓潰能力，具備超深水應用的前景。