玻璃鋼復合鋼管的制備及靜水壓爆破性能研究

李 立， 王 強， 王友生， 侯永高， 王 勇， 付彥宏

（1. 中國石油渤海石油裝備制造有限公司研究院， 河北 青縣062658；2. 中國石油渤海石油裝備制造有限公司 第一機械廠， 河北 青縣062658）

0 前 言

國家對油氣能源需求的不斷增長， 對油氣輸送用管道提出了更高的要求， 如要求具備輸送壓力高、 低溫韌性好、 止裂性能好、 抗腐蝕性強等特點， 同時又要有效控制管道建設成本。 目前成熟并廣泛應用的管線鋼最高鋼級為X80， 開發X80 鋼級以上的管線鋼， 材料韌性及管道止裂問題是世界性難題， 單從鋼材本身目前難以解決，若采取管道加止裂環等輔助措施則投資大。 因此， 選用新型替代材料或將成為一種理想的選擇。 高強玻璃纖維復合材料綜合性能非常優越，現廣泛應用于軍工、 航天、 交通等國民經濟各領域， 若推廣應用到油氣輸送管道領域， 選擇以現有管線管為基管， 在此基管外層纏繞玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料。 由于玻璃纖維是單向排列于樹脂基體中， 當外力由基體傳遞至纖維時， 由于各向異性， 外力主要沿纖維長度方向進行傳遞， 而玻璃纖維沿長度方向承載能力非常高，在一定程度上使力的作用得到分散， 從而使管道的承壓能力得到提高。 2012 年7 月， 環氧玻璃鋼復合管在河北唐山市唐海縣天然氣管道穿越工程中得以成功應用， 穿越完成后玻璃鋼保護層結構完好無損， 管道防腐層也沒有被破壞，充分證明了玻璃鋼強度高、 耐摩擦、 耐劃傷的突出優勢。

為了進一步研究玻璃鋼復合管的力學性能，渤海裝備研究院依托鋼管試驗平臺開展了一系列試驗研究工作， 包括對玻璃鋼復合鋼管的制備以及靜水壓爆破試驗， 獲得了玻璃鋼復合鋼管性能數據。

1 玻璃鋼復合鋼管樣管制備

1.1 玻璃鋼復合鋼管的結構

玻璃鋼復合鋼管由鋼管母管和玻璃鋼復合層兩部分構成。 在鋼管母管外表面復合5 mm 厚的玻璃鋼層， 以達到提高鋼管強度的作用。 本次試驗鋼管母管采用普通直縫埋弧焊管管段， 玻璃鋼復合層由玻璃纖維和合成樹脂組成， 玻璃鋼復合層通過沿鋼管外壁纏繞的工藝方式進行制備， 圖1為制備的樣管實物照片。

圖1 玻璃鋼復合鋼管實物照片

1.2 玻璃纖維復合材料選擇

玻璃鋼學名玻璃纖維增強塑料， 由于其強度相當于鋼材， 又含有玻璃組分， 具有玻璃的色澤、 外觀以及耐腐蝕、 電絕緣、 隔熱等性能， 俗稱 “玻璃鋼”。 玻璃鋼是當今用量最大的復合材料， 占現代意義復合材料產量的90%以上， 它是以玻璃纖維及其制品 （玻璃布、 帶、 氈、 紗等） 作為增強材料， 以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。 在纖維增強樹脂復合材料中， 纖維和樹脂各自起著獨立的作用， 同時又相互依存，純粹的纖維狀態是不能作為工程結構材料使用的， 而樹脂的力學性能也很差， 只有把兩者結合起來， 形成一個整體， 才能實現復合材料的性能優勢。

本次試驗選用國內某廠家的E6 級玻璃纖維作為復合層的主要材料， E6 玻璃纖維的優勢在于強度更高， 比E 玻璃纖維高20%， 適合應用于高溫、 高壓等特殊工況。 玻璃鋼復合層的主要性能參數見表1。

表1 玻璃鋼復合層性能參數

1.3 玻璃鋼復合鋼管樣管制作

本次試驗用玻璃鋼復合管母管采用X65M 鋼級Φ508 mm×14.2 mm 直縫埋弧焊管， 管體屈服強度499 MPa， 抗拉強度597 MPa。 為了實現定向爆破， 以便于觀察開裂過程， 試驗前對鋼管中間部位進行了外壁區域減薄處理， 減薄區域尺寸為500 mm×300 mm， 長度和寬度方向分別每隔100 mm 測量壁厚。 鋼管減薄區域如圖2 所示， 減薄處理前后各區域壁厚測量結果見表2。 從表2可以看出， 厚度減薄了2.5～3 mm。 在國內某玻璃鋼廠對鋼管外壁進行了5 mm 玻璃鋼復合層的纏繞， 圖3 為鋼管復合層纏繞過程現場照片。

圖2 鋼管減薄區域原壁厚測量位置示意圖

表2 減薄前后各區域壁厚測量結果

2 玻璃鋼復合鋼管爆破試驗及結果

纏繞完成后的鋼管經過端頭封焊， 運入水壓爆破試驗室， 為了便于觀察爆破過程， 在試驗室進行了高速攝像。 圖4 為待試驗玻璃鋼復合管，圖中紅色方框內為鋼管壁厚減薄區域。

圖5 為高速攝像機拍攝的玻璃鋼復合管水壓試驗過程中玻璃纖維層照片， 從圖5 可以看出， 隨著鋼管內水壓的持續升高， 玻璃纖維首先發生了局部開裂 （見圖5 （a））， 隨后玻璃纖維斷裂面積開始延展 （見圖5 （b））， 當玻璃纖維大面積斷裂以至于無法約束鋼管形變時鋼管出現破口 （見圖5 （c））， 最終破口完全爆開 （見圖5 （d））。 從玻璃纖維層開始局部撕裂到破口完全爆裂， 整個過程約7 ms， 起爆破點位于減薄層與管體的交界處。

圖4 待水壓爆破的玻璃鋼復合管

圖5 玻璃鋼復合管水壓爆破試驗過程照片

圖6 為玻璃鋼復合鋼管爆破過程壓力-時間曲線， 從圖6 可以看出， 管內壓力持續升高直至爆裂， 無明顯屈服過程。 整個升壓過程約為330 s，與普通鋼管的壓力-時間曲線有明顯區別， 表明玻璃鋼復合層束縛了鋼管的屈服形變過程， 直至玻璃纖維發生斷裂而產生爆破。 圖7 為爆破后玻璃鋼復合鋼管的形貌。

圖6 玻璃鋼復合鋼管爆破過程壓力-時間曲線

圖7 爆破后玻璃鋼復合鋼管的形貌

爆破試驗后， 對玻璃鋼復合鋼管爆破口進行清理， 圖8 為清理后的爆破口形貌。 對清理后爆破口的相關幾何尺寸進行測量， 結果見表3。同時對試驗后的玻璃鋼復合鋼管外徑進行測量，并與試驗前進行了對比， 對比結果見表4。

圖8 清理后的爆破口形貌

表3 爆破口尺寸測量結果

表4 試驗前后玻璃鋼復合鋼管外徑對比結果

3 對比試驗及結果

為了便于驗證試驗效果， 選取了X65M 鋼級Φ508 mm×12.7 mm 直縫埋弧焊鋼管進行了水壓爆破對比試驗， 實測鋼管尺寸及性能見表5。 水壓爆破對比試驗結果見表6， 對比試驗用直縫埋弧焊管水壓爆破形貌如圖9 所示， 圖10 為對比水壓爆破試驗壓力-時間曲線。

表5 對比試驗用鋼管參數

表6 對比試驗用鋼管水壓爆破試驗結果

圖9 對比試驗用直縫埋弧焊管水壓爆破口形貌

圖10 對比用鋼管水壓爆破試驗壓力-時間曲線

4 試驗結果分析

4.1 試驗數據綜合對比

對比試驗管段外徑及性能參數與玻璃鋼復合鋼管 （按減薄層計算壁厚） 基本相同， 具備對比分析的條件。 兩種鋼管水壓爆破試驗綜合對比結果見表7。 由表7 可以看出， 玻璃鋼復合鋼管爆破壓力值比對比試驗普通鋼管約高44%， 破口長度 （沿鋼管軸向）、 寬度 （沿鋼管周向）、 減薄壁厚等均比普通鋼管小。

表7 兩種鋼管水壓爆破試驗綜合對比情況

4.2 強度分析

根據鋼管靜水壓爆破試驗理論強度計算公式

式中： S——Rt0.5或Rm， MPa；

t——公稱壁厚， mm；

D——公稱外徑， mm。

將爆破壓力為44.64 MPa、 鋼板抗拉強度為597 MPa 代入公式 （1） 可得， 玻璃鋼復合鋼管強度相當于壁厚為18.99 mm 的同等材質鋼管強度；將爆破壓力44.64 MPa、 鋼管壁厚12 mm 帶入公式可得， 玻璃鋼復合鋼管抗拉強度為944.88 MPa，該值相當于X100M 鋼級抗拉強度水平。

4.3 生產成本對比

為了比較普通直縫埋弧焊管和玻璃鋼復合鋼管在生產成本上的差異， 進行了計算對比分析。按照試驗結果可以初步得出， 5 mm 厚的玻璃鋼復合層等價于約6 mm 厚鋼材的強度作用， 且玻璃鋼復合層可以在一定程度上代替鋼管外防腐層使用。按目前Φ508 mm 直縫成品鋼管市場價7 000 元/t進行計算， 與5 mm 厚玻璃鋼層等價的6 mm 厚鋼管的價格為6 312 元/根。 再以目前市場玻璃纖維的價格4 500 元/t 為例， 玻璃纖維的密度約為2.5 t/m3， 采用玻璃鋼層5 mm 厚復合一根同樣鋼管所消耗的材料費約為1 500 元/根， 綜合生產成本不超過2 500 元/根。 由此可見， 玻璃鋼復合鋼管在生產成本方面較純材質鋼管具有明顯優勢。

5 結 論

（1） 玻璃鋼復合鋼管相對于同鋼級純材質鋼管的爆破壓力值提高了約44%， 表明玻璃鋼復合層較大地提升了管體強度。

（2） 玻璃鋼復合鋼管相對于同鋼級純材質鋼管的爆破口尺寸明顯減小， 表明該復合層具有較為明顯的止裂能力。

（3） 從玻璃鋼復合鋼管壓力-時間曲線可以看出， 復合管在水壓爆破過程中沒有明顯的屈服過程， 至爆破點前， 壓力一直隨著時間持續上升， 可見玻璃鋼復合層有效地束縛了鋼管的屈服形變過程， 直至爆破發生。

（4） 玻璃鋼復合鋼管的外徑膨脹率僅為1.06%～1.20%。

（5） 玻璃鋼復合鋼管的生產成本較同鋼級純材質鋼管低， 具有較高的產品性價比。

致謝：

本次研究工作得到巨石集團有限公司、 河北瑞和玻璃鋼有限公司、 河北科技大學材料科學與工程學院等單位的大力支持， 在此表示感謝。