深水夾層管準靜態屈曲傳播實驗設計

付光明， 連鵬坤， 李舒鑫， 彭玉丹， 李愛華

（1.中國石油大學（華東）非常規油氣開發教育部重點實驗室，山東青島 266580；2.油氣鉆完井技術國家工程研究中心，山東青島 266580）

0 引 言

深遠海油氣資源是未來能源的重要增長點，當前用于深遠海油氣開發的海洋工程裝備面臨嚴峻挑戰。其中，深水管道是保障深水油氣安全高效開發的重要裝備之一。為滿足深水高壓、低溫等惡劣環境下油氣輸運安全的需求，國內外學者提出了多種結構形式的海底管道設計。深水夾層管由內外鋼管和中間保溫夾層組成，具有良好的保溫性能和抗壓性能，是未來極具潛力的深水開發裝備。然而，在深水高壓下，夾層管容易發生局部屈曲失穩，屈曲變形將在極短時間內傳播至數千米，嚴重影響海底管線的結構完整性，威脅深水油氣流動安全。為預防實際工程中海底管道大范圍屈曲傳播，保障深水油氣輸運安全，亟需開展深水夾層管屈曲傳播機理研究。

國內外學者對外壓作用下管中管、夾層管的屈曲傳播進行了相關研究。Gong 等［1］開展了管中管的屈曲傳播實驗，分析了管中管的屈曲傳播特性。Kyriakides［2］開展了準靜態條件下的管中管屈曲傳播實驗，驗證了管中管屈曲傳播有限元模型的準確性。付光明等［3］對偏心影響下的夾層管進行了數值模擬，揭示了偏心距等幾何參數對夾層管抗屈曲能力的影響。張磊等［4］通過數值模擬方法對夾層管屈曲傳播行為進行分析，討論了夾層管初始缺陷、層間系數對屈曲傳播壓力的影響。Fu 等［5-6］建立了二維夾層管模型，研究了夾層管幾何參數、材料屬性等對夾層管壓潰壓力的影響，并基于3 125 組數值模擬結果，提出了適用于不同幾何參數、材料性能和層間摩擦因數的夾層管抗壓強度簡化公式。An 等［7-8］開展了填充金屬、聚乙烯醇（PVA）纖維的夾層管壓潰和屈曲傳播實驗，建立了夾層管有限元模型，研究了夾層管尺寸、橢圓度等對壓潰壓力的影響。付光明等［9］進行了基于聚乙烯醇纖維增強水泥材料的夾層管靜水壓潰實驗，驗證了結構的穩定性。Gong 等［10］和Xu 等［11］開展了內外管為鋁合金、夾層為聚丙烯的夾層管屈曲傳播實驗，研究了層間黏附行為和夾層材料性能等因素對屈曲傳播壓力的影響。Yang 等［12-13］開展了填充應變硬化水泥基復合材料的夾層管屈曲傳播實驗，分析了外壓作用下夾層管的幾何尺寸和材料性能對屈曲傳播壓力的影響。Fu 等［14］進行了以應變硬化水泥基復合材料為夾層的夾層管壓潰及屈曲傳播實驗，建立了夾層管的壓潰及屈曲傳播有限元模型，并驗證了模型的準確性。付光明等［15］通過數值模擬和實驗驗證模型，分析了海底管道壓潰傳播過程中壓潰變形與壓力脈沖的耦合特性，總結了管道壓潰脈沖變化行為規律。盡管已有大量的相關研究，但是準靜態條件下夾層管屈曲傳播機理仍不明確，有待進一步的實驗分析。

為研究準靜態條件下夾層管屈曲傳播行為，設計了以SS304 不銹鋼為內外管、高密度聚乙烯（HDPE）為夾層的夾層管準靜態屈曲傳播實驗。對SS304 不銹鋼和HDPE進行力學性能測試，制作了夾層管比例縮尺模型并進行準靜態屈曲傳播實驗。

1 實驗設計與步驟

1.1 夾層材料基本力學性能測試

對夾層管的夾層材料HDPE 進行拉伸實驗，拉伸實驗試件設計圖如圖1（a）所示，實際制作的夾層材料拉伸試件如圖1（b）所示。共加工3 組夾層材料拉伸試件，基本尺寸如表1 所示。

表1 夾層材料拉伸試件尺寸

圖1 夾層材料拉伸實驗試件

夾層材料力學性能的拉伸試驗機如圖2 所示。通過緩慢加載的方式（0.9 mm／min）實現準靜態加載，測試結果如圖3 所示。

圖2 夾層材料單軸拉伸實驗

圖3 夾層材料應力-應變曲線

夾層材料應力-應變曲線呈現理想彈塑性特點。在材料的彈性階段，應力隨應變線性增加；材料屈服后，隨著應變的增加應力基本不變。3 組夾層材料拉伸測試結果如表2 所示。夾層材料的平均彈性模量為1 136.85 MPa，平均屈服強度為20.35 MPa。

表2 夾層材料拉伸測試結果

1.2 SS304 不銹鋼材料測試

針對夾層管內外管，采用全壁厚縱向弧形拉伸試件。對于外徑為30 ～50 mm的管材，平行段寬度為10 mm，厚度為管材厚度；對于外徑為50 ～70 mm 的管材，平行段寬度為15 mm。SS304 拉伸試件如圖4 所示。分別加工了3 組SS304 不銹鋼內管和外管試件，尺寸如表3 所示。

表3 SS304 不銹鋼拉伸試件尺寸

圖4 SS304不銹鋼拉伸試件

測試內外管金屬材料力學性能的拉伸試驗機如圖5 所示。小尺寸試件加載速率為0.45 mm／min，大尺寸試件加載速率為0.60 mm／min，準靜態加載。測試結果如圖6 所示。

圖5 SS304不銹鋼試件拉伸

圖6 SS304不銹鋼試件應力-應變曲線

由圖6 可知，夾層管內外管金屬材料應力-應變曲線呈現應變硬化的特點。在材料的彈性階段，應力隨應變線性增加，斜率為彈性模量；材料屈服后，應力隨應變緩慢增加，斜率為硬化模量。3 組夾層管內外管金屬材料拉伸試驗結果如表4 所示。內外管金屬材料的平均彈性模量分別為219 415.67、244 883.33 MPa，平均屈服強度分別為847.33、853.00 MPa，平均硬化模量分別為1 151.83、1 168.80 MPa。

表4 SS304 不銹鋼試件拉伸試驗結果

1.3 夾層管加工工藝流程

加工了2 組外管厚度不同的夾層管試件，基本尺寸如表5 所示。

表5 夾層管試件尺寸

夾層管的屈曲傳播實驗需要在管道的內外空間制造壓力差，因此采用密封塞封閉夾層管的兩端，密封塞和焊接加工完成的管道如圖7 所示。

圖7 夾層管密封塞焊接

為使夾層管在實驗條件下易發生屈曲從而獲取屈曲傳播壓力，在夾層管制造局部初始缺陷，在距管道端部200 mm處使用壓力機對管道進行對稱擠壓。制造的初始缺陷如圖8 所示。

圖8 夾層管試件初始缺陷制造

1.4 深水高壓艙壓潰實驗

采用HPW1500／35（3）型號室內高壓艙對夾層管進行準靜態屈曲傳播實驗，如圖9 所示。該型號高壓艙最大工作壓力為35 MPa，工作溫度為常溫，內徑為1.5 m，內部凈空長度為3.0 m，工作介質為水，最長保壓時間可達260 h。

圖9 高壓艙外形

夾層管準靜態屈曲傳播實驗的具體過程如下：首先，將夾層管置于高壓艙內，固定后關閉高壓艙；然后，通過外置泵向高壓艙內部緩慢注水，進行排氣和加壓。在加壓過程中，設置初期加壓速率為0.35 MPa／min。當高壓艙內壓力達到4.00 MPa 時，停止加壓，靜置5 min，觀察高壓艙壓力是否下降，以判斷夾層管密封性是否完好。若高壓艙內壓力無變化，表明夾層管密封良好，繼續注水加壓，待高壓艙內壓力接近試件臨界壓潰載荷預估值的50%時，將加壓速率設定為0.1 MPa／min，實時觀察并記錄壓力隨時間變化直至夾層管被壓潰，然后泄壓、排水，取出夾層管。

2 實驗結果與討論

屈曲傳播實驗結束后，通過泄壓閥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，發現夾層管在外壓作用下均已壓潰，具有初始缺陷一端的壓潰程度較高，屈曲傳播進行到管道末端的堵頭位置處停止，如圖10 所示。

圖10 試件壓潰后變形

SP2C2 夾層管的壓力-時間曲線如圖11 所示。壓力以0.35 MPa／min 的速率上升，在4.00 MPa 時暫停5 min，繼續加壓至8.20 MPa，觀察到夾層管開始逐漸壓潰，同時傳感器上顯示壓力下降至8.10 MPa，隨后維持在8.10 MPa，直到屈曲傳播完成后5 min 內壓力未發生改變。因此，判斷SP2C2 夾層管屈曲傳播壓力為8.10 MPa。

圖11 SP2C2夾層管壓力-時間曲線

對比SP2C2 與SP3C2 夾層管實驗結果，當夾層管尺寸由外管直徑55.20 mm、壁厚1.84 mm增加至外管直徑57.10 mm、壁厚2.90 mm 時，屈曲傳播壓力由8.10 MPa上升到了19.50 MPa，增幅為140.74%，說明增加夾層管的外管厚度可以顯著提升夾層管的屈曲傳播壓力。

SP3C2 夾層管的壓力-時間曲線如圖12 所示。壓力以0.35 MPa／min 的速率上升，在4.00 MPa 時暫停5 min，繼續加壓至19.90 MPa 時，觀察到夾層管初始缺陷開始緩慢擴大。由于艙體較大，夾層管壓潰后艙內體積變化不大，因此壓力變化也不大，壓力下降至19.50 MPa，隨后保持在19.50 MPa直到屈曲傳播至管端。因此，判斷SP3C2 夾層管的屈曲傳播壓力為19.50 MPa。

圖12 SP3C2夾層管壓力-時間曲線

3 結 語

設計了深水夾層管準靜態屈曲傳播實驗，通過實驗觀察了夾層管在準靜態靜水壓下的壓潰變形及屈曲傳播過程，分析了夾層管的準靜態屈曲傳播特性。結果表明，通過提高夾層管外管的厚度能顯著增強夾層管的抗屈曲傳播能力。設計的實驗能夠滿足夾層管準靜態屈曲傳播壓力測試，實驗獲得的屈曲傳播壓力數據可為夾層管基本結構設計和現場工程應用提供參考。