复合软管的结构形式及加工工艺

随着深海油气开采范围的日益扩大，复合柔性软管因具有性和地形适应性好、安装方便、不需使用大型铺管船等明显优势，   了越来越广泛的和应用。复合软管根据其结构形式分为粘结型复合柔性软管和非粘结型复合柔性软管。其中，粘结型复合柔性软管由高分子材料层和金属增强层挤压而成，并在成型后通过的工艺使高分子材料层和金属增强层产生较高的粘结强度；而非粘结型复合柔性软管的聚合物材料层和金属增强层之间直接装配，不需要使用的化学工艺粘合，通过摩擦力和接触压力传递载荷。目前复合软管的设计以及加工工艺技术在国内尚属初级阶段。依托“十二五”   科技重大专项，中海油   总院联合天津市海王星海上工程技术股份有限公司启动了“海洋用保温输油软管”   ，从设计、制造到工程使用，该项   打破了   技术垄断，实现了设备国产化和产品的中国制造，   降低了油田生产成本。在柔性软管的长期服役过程中，由于高分子材料的茹弹性，内衬层聚合物材料会不断地发生蠕变。在服役温度和压力的作用下，内衬层材料的形变随时间的推移而逐渐增大，可能会造成内层材料厚度的过度减少，从而引起内衬层材料的结构破坏。蠕变性能反映了内衬层材料的尺寸稳定性和长期负载能力。复合柔性软管的设计标准—美国石油协会(API标准API中指出：在复合柔性软管的整个服役周期内，内衬层材料在各种外部因素的作用下厚度减薄应小于30%。因此，对于复合柔性软管内衬层材料蠕变行为的   在软管的结构设计中非常重要。

本文以聚乙烯(HDPE≥内衬层为   对象，采用有限元分析(FEA方法分析了内衬层材料在受到内压时的径向压力，   了不同温度下HDPE材料的蠕变性能，根据时温等效原理计算了HDPE材料的长期蠕变模型；结合内衬层外的抗压层结构形式，进行了侧向约束下HDPE材料的压缩蠕变试验，模拟了HDPE材料在抗压层空隙中的填充行为，据此计算其服役寿命内在抗压层空隙中的填充量。

非粘结海洋复合柔性软管的结构形式。其内衬层和外包覆层由高分子聚合物材料连续挤出制成，骨架层及抗拉抗压层由多层钢带(或相互咬合的扁钢）螺旋缠绕而成。内衬层的作用为密封管道内输送的流体，外包覆层的作用为阻隔外部海水，钢带(或扁钢的作用为承受内部压力或轴向拉力。

复合柔性软管管道运行期间的内压载荷直接作用到内衬层上，但由于聚合物的强度较低，其将内压载荷传递到其外的金属层来承担。为计算内衬层在内压载荷下承受的径向压力，对其进行了有限元建模分析。

考虑复合柔性软管内衬层以及其外层金属铠装层之间的相互作用，采用有限元模拟的方法对其径向压应力进行了模拟，输入软管的尺寸参数、内衬层以及其外层金属恺装层的厚度参数以及力学性能参数。内衬层所受的径向压应力为19.99MPa，径向应变为3.15%。

   先不考虑软管各层之间的相互作用，对内衬层HDPE材料进行压缩蠕变分析。选择压缩应力11MPa，测试不同温度下的压缩蠕变。试样的尺寸为(12.7士0.2）mmX(12.7士0.2）mm，每个温度下的蠕变时间为24h，蠕变试验结果。随着温度的升高，试样的初始压缩应变增大，且在蠕变的初始阶段，蠕变量随着温度的升高而增加。从图中还可以看出，在蠕变曲线的   初阶段，蠕变量增加很快，为材料的弹性变形阶段，而后材料的变形由弹性变形转变为茹性变形，并且随着时间的延长，蠕变速率变缓。

根据时温等效原理，可通过平移的方法将不同温度下的蠕变曲线叠加至60℃。平移因子随温度的变化几乎呈线性关系，这也可以进一步说明采用时温等效原理可以   地评价HDPE的长期蠕变行为。60℃下的蠕变，设计寿命终点(30年）时，HDPE内衬层的蠕变量为17.5%左右。该蠕变试验方法   的结果在后续项目中可用于内衬层材料的选择和确定。

材料本身的压缩蠕变性能可以评价HDPE作为内衬层的长期尺寸稳定性，但是HDPE作为内衬层，其外层通常会缠绕一层扁钢作为抗压铠装层，扁钢之间会有   的间隙。同时，在实际使用时，HDPE内衬层在长度方向受到软管接头的固定而环向受到抗压恺装层的约束，蠕变只能发生在内衬层的径向，因此HDPE内衬层的蠕变行为会使其在内压作用下填充进扁钢的缝隙而造成厚度减小。据此设计了侧向约束压缩蠕变工装，模拟了扁钢的间隙以及内衬层材料在软管中的实际使用状况。该工装分为三部分：平板厚度为5mm，用于承载试样；中间部分为一正方形筒体，筒体的内径为13mmX13mm，壁厚为5mm；   上部为一带凹槽的压块，该压块能平滑无摩擦地放入筒体内，凹槽的宽度为2mm，   为7mmo蠕变试验加载时，平板放置在蠕变试验机的下夹具上，压块与蠕变试验机的上夹具接触。