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一、導(dǎo)讀

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合管具有良好的經(jīng)濟(jì)性，主要體現(xiàn)為較長的使用壽命和足夠輕量化可降低安裝成本，兼具良好的結(jié)構(gòu)特性和耐腐蝕能力。因而在油田上的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，同時(shí)也顯示出良好的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。在油氣行業(yè)的應(yīng)用環(huán)境下，玻璃鋼管主要被用于油田采出水的輸送，因此評(píng)價(jià)玻璃鋼管在各種介質(zhì)條件的耐久性對(duì)進(jìn)一步推廣玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合管在油氣田環(huán)境的應(yīng)用是非常必要且有價(jià)值的。

近日，四川大學(xué)王均教授團(tuán)隊(duì)對(duì)油氣田環(huán)境下的玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）復(fù)合管的長期力學(xué)行為進(jìn)行了研究，分析了該管道在復(fù)雜油氣環(huán)境下老化失效特征和內(nèi)部缺陷的擴(kuò)展機(jī)制，并以環(huán)向拉伸強(qiáng)度為指標(biāo)采用阿倫尼烏斯模型對(duì)GFRP管道進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)。文章發(fā)表于國際知名期刊《Composite Structures》，論文標(biāo)題為“Study on the effect of multi-factor compound action on long-term tensile performance of GFRP composite pipe and life prediction analysis”。

二、內(nèi)容簡介

該研究針對(duì)應(yīng)用于油氣田環(huán)境的GFRP復(fù)合管開展了循環(huán)空氣，模擬采出水以及模擬標(biāo)準(zhǔn)油三種環(huán)境下的加速熱老化實(shí)驗(yàn)。采用掃描電鏡對(duì)三種條件下GFRP管老化后的微觀形貌進(jìn)行了觀察，并使用顯微CT技術(shù)對(duì)老化管材的組織演化特征進(jìn)行了分析。采用分離圓盤法探究了老化后GFRP管材環(huán)向抗拉強(qiáng)度的衰減規(guī)律，同時(shí)以環(huán)向強(qiáng)度為壽命指標(biāo)基于阿倫尼烏斯理論進(jìn)行了服役壽命預(yù)測(cè)。

圖 1. 玻璃纖維增強(qiáng)塑料管材老化試驗(yàn)流程示意圖;（a）循環(huán)空氣中的熱氧老化，（b）模擬采出水熱老化，（c）模擬石油熱老化，（d）分離圓盤法的環(huán)向強(qiáng)度測(cè)試。

研究發(fā)現(xiàn)由于基質(zhì)和纖維之間的導(dǎo)熱性差異，在油介質(zhì)中觀察到玻璃纖維界面的顯著損傷，而GFRP材料在采出水介質(zhì)中的耐久性最差。經(jīng)過3500h的水熱老化后發(fā)現(xiàn)玻璃纖維有明顯腐蝕殼層和溶解損傷，這與氫氧根離子和氯離子的作用導(dǎo)致玻璃纖維中SiO2網(wǎng)絡(luò)的逐漸溶解和破壞以及硅烷鍵的斷裂有關(guān)。

圖 2. 不同狀態(tài)下熱老化后試樣的內(nèi)表面形態(tài)：（a）原始狀態(tài)；（b）3500小時(shí)的熱氧化老化；（c）3500小時(shí)水熱老化；（d）3500小時(shí)模擬油老化。

初始樣品中的孔隙缺陷體積為0.106%，而在熱氧和水熱環(huán)境中老化5000小時(shí)后分別達(dá)到0.637%和0.959%。在油熱環(huán)境中老化4000小時(shí)后，最大孔隙率為1.50%，表明孔隙缺陷對(duì)油熱環(huán)境的敏感性最高。缺陷分析結(jié)果表明裂紋在樹脂和纖維界面引發(fā)，通過纖維/樹脂界面脫膠以及樹脂的塑性變形向樹脂內(nèi)部傳播，隨后孔隙在裂紋尖端形成，在老化過程中與擴(kuò)展的裂紋合并成大體積缺陷。

圖 3. 不同狀態(tài)下樣品的真實(shí)形態(tài)與計(jì)算機(jī)斷層掃描的3D圖像的對(duì)比:（a）原始狀態(tài);（b）3500小時(shí)的熱氧化老化;（c）3500小時(shí)水熱老化;（d）3500小時(shí)模擬油老化。

圖 4. 不同條件下老化樣品的計(jì)算機(jī)斷層掃描孔提取結(jié)果對(duì)比。

圖 5. 顯微CT掃描孔隙率結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析：（a）孔隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果；（b）缺陷直徑分布；（c）缺陷體積分布。

斷口分析結(jié)果表明初始狀態(tài)玻璃纖維和環(huán)氧樹脂基體之間有很強(qiáng)的結(jié)合，因?yàn)樵诶w維周圍可以看到大量的樹脂包覆，纖維斷口幾乎在同一平面。但在后續(xù)的老化樣品中情況則有所不同，它們的斷口愈發(fā)雜亂和交錯(cuò)，這些斷裂模式包括纖維斷裂、基體開裂和纖維基體脫膠。斷裂的玻纖大多以單獨(dú)的狀態(tài)出現(xiàn)，表面并沒有包裹樹脂層，樹脂與玻纖形成相互獨(dú)立的體系兩者的粘接強(qiáng)度顯著減弱。尤其在水熱和油老化環(huán)境下，基體樹脂開裂明顯，玻纖在較大的長度范圍內(nèi)被拔出，這對(duì)提升纖維復(fù)合材料的抗載性能是明顯不利的。

圖 6. 三種老化環(huán)境的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（a）（b）（c）熱氧環(huán)境，（d）（e）（f）水熱環(huán)境，（g）（h）（i）模擬石油環(huán)境。

以環(huán)向拉伸強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于阿倫尼烏斯模型進(jìn)行老化壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果表明水熱條件具有最大的反應(yīng)活化能Ea，水熱環(huán)境下GFRP管環(huán)向強(qiáng)度衰減最為顯著。將75%強(qiáng)度保留率作為壽命終止指標(biāo)，預(yù)測(cè)在循環(huán)熱氧，模擬采出水和模擬油三種環(huán)境中在20℃條件下的服役時(shí)間分別為23.5年，23.1年和28.5年；在40℃條件下的服役時(shí)間分別依次為12.2年，4.9年和10.3年。

三、小結(jié)

這項(xiàng)研究工作評(píng)估了三種油田介質(zhì)的老化環(huán)境對(duì)GFRP管道宏觀性能和老化行為的影響。側(cè)重分析了老化過程的微觀結(jié)構(gòu)和管道內(nèi)缺陷演變的特征，重點(diǎn)關(guān)注玻璃纖維增強(qiáng)塑料管臨界破壞特征和宏觀性能參數(shù)的變化，并最終基于Arrhenius方法預(yù)測(cè)和評(píng)估了管道使用壽命，并在后期進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)服役管道老化數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，具有較高的準(zhǔn)確率，這對(duì)油田復(fù)雜環(huán)境中非金屬管道的安全運(yùn)行和維護(hù)具有一定指導(dǎo)意義。

原始文獻(xiàn)：

Liao D, Gu T, Yan J, et al. Study on the effect of multi-factor compound action on long-term tensile performance of GFRP composite pipe and life prediction analysis[J]. Composite Structures, 2024,348:118478.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118478