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摘要

玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合管道在經(jīng)濟(jì)性方面表現(xiàn)優(yōu)異，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在使用壽命的延長(zhǎng)以及輕質(zhì)特性，這些因素共同作用降低了安裝的總體成本。此外，該材料具備卓越的結(jié)構(gòu)性能和對(duì)腐蝕環(huán)境的抵抗能力。正因如此，該類型管道在油氣田開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，并且展現(xiàn)出了巨大的潛在應(yīng)用前景和商業(yè)利益。在油氣產(chǎn)業(yè)中，玻璃鋼管道主要用于輸送油田采出水，因此，對(duì)玻璃鋼管道在不同介質(zhì)條件下的耐久性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合管道在油氣田環(huán)境中的更廣泛運(yùn)用，具有極其重要且實(shí)際的意義。

近期，由四川大學(xué)的王均教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)油氣田環(huán)境中玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）復(fù)合管道的長(zhǎng)期力學(xué)性能進(jìn)行了深入探究。該研究分析了在復(fù)雜油氣條件下，GFRP管道的老化失效特性和內(nèi)部缺陷的發(fā)展機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)以環(huán)向拉伸強(qiáng)度為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用阿倫尼烏斯模型對(duì)GFRP管道的預(yù)期使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)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”。

本研究針對(duì)油氣田環(huán)境中使用的玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）復(fù)合管道，實(shí)施了循環(huán)空氣、模擬采出水和模擬標(biāo)準(zhǔn)油三種不同環(huán)境條件下的加速熱老化實(shí)驗(yàn)。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)，對(duì)GFRP管道在這三種環(huán)境條件下的老化微觀形態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)觀察。此外，利用顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）技術(shù)，對(duì)老化過(guò)程中管道材料的組織結(jié)構(gòu)演變特性進(jìn)行了深入分析。

為了探究老化對(duì)GFRP管道環(huán)向抗拉強(qiáng)度的影響，本研究采用了分離圓盤法，對(duì)老化后GFRP管材的環(huán)向抗拉強(qiáng)度衰減規(guī)律進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，以環(huán)向抗拉強(qiáng)度作為評(píng)估管道使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，依據(jù)阿倫尼烏斯方程理論，對(duì)GFRP管道在油氣田環(huán)境中的預(yù)期使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。

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。

本研究現(xiàn)示，由于基體與纖維之間存在導(dǎo)熱性差異，在油性介質(zhì)中，玻璃纖維界面遭受了顯著的損傷。與此同時(shí)，GFRP材料在模擬采出水介質(zhì)中的耐久性表現(xiàn)最為不佳。在經(jīng)歷了3500小時(shí)的水熱老化過(guò)程后，觀察到玻璃纖維表面形成了明顯的腐蝕殼層以及溶解性損傷。這些現(xiàn)象的發(fā)生與氫氧根離子和氯離子對(duì)玻璃纖維的作用密切相關(guān)，它們導(dǎo)致了纖維中二氧化硅（SiO2）網(wǎng)絡(luò)的逐步溶解與破壞，以及硅烷鍵的斷裂。

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。

在未經(jīng)老化的初始樣品中，孔隙缺陷的體積占比為0.106%。然而，在熱氧老化環(huán)境和水熱老化環(huán)境中分別經(jīng)過(guò)5000小時(shí)的老化處理后，孔隙缺陷體積分別增加至0.637%和0.959%。特別是在油熱老化環(huán)境中，經(jīng)過(guò)4000小時(shí)的老化，孔隙缺陷體積達(dá)到了1.50%，這一數(shù)據(jù)表明孔隙缺陷對(duì)于油熱老化環(huán)境具有最高的敏感性。

對(duì)缺陷的分析結(jié)果表明，裂紋最初在樹脂與纖維的界面處形成，隨后通過(guò)纖維與樹脂界面的脫粘以及樹脂的塑性變形在樹脂內(nèi)部擴(kuò)展。裂紋的尖端成為了孔隙形成的起點(diǎn)，隨著老化過(guò)程的持續(xù)，這些孔隙與擴(kuò)展的裂紋相互融合，最終形成了體積較大的缺陷。

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。

通過(guò)對(duì)斷口的分析，研究結(jié)果表明在初始狀態(tài)下，玻璃纖維與環(huán)氧樹脂基體之間存在著強(qiáng)烈的結(jié)合作用。這一結(jié)論得到了纖維周圍大量樹脂包覆現(xiàn)象的支持，且纖維斷口大多位于同一平面，顯示出均勻的斷裂特征。然而，在經(jīng)歷老化過(guò)程后的樣品中，斷口特征出現(xiàn)了顯著變化，表現(xiàn)為斷口更加雜亂和無(wú)序。這些斷裂模式包括了纖維斷裂、基體開裂以及纖維與基體之間的脫粘現(xiàn)象。

在老化后的樣品中，斷裂的玻璃纖維多數(shù)呈現(xiàn)孤立狀態(tài)，其表面缺乏樹脂層的包裹，表明樹脂與玻璃纖維之間的粘接強(qiáng)度顯著下降，兩者形成了相對(duì)獨(dú)立的體系。特別是在水熱和油老化環(huán)境下，基體樹脂的開裂現(xiàn)象尤為明顯，玻璃纖維在較大長(zhǎng)度范圍內(nèi)被拔出，這種現(xiàn)象對(duì)于提高纖維復(fù)合材料的承載性能極為不利。這表明老化過(guò)程對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度和整體力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。

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。

本研究選取環(huán)向拉伸強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)復(fù)合材料老化性能的關(guān)鍵指標(biāo)，并采用阿倫尼烏斯模型對(duì)老化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，在水熱老化條件下，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）管道的反應(yīng)活化能（Ea）最高，表明在此環(huán)境下GFRP管道的環(huán)向拉伸強(qiáng)度衰減最為顯著。以75%的強(qiáng)度保留率作為壽命終止的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)在循環(huán)熱氧、模擬采出水和模擬油三種環(huán)境下，GFRP管道在20℃條件下的預(yù)期服役時(shí)間分別為23.5年、23.1年和28.5年；而在40℃條件下，預(yù)期服役時(shí)間分別為12.2年、4.9年和10.3年。

本項(xiàng)研究工作系統(tǒng)評(píng)估了三種油田介質(zhì)老化環(huán)境對(duì)GFRP管道宏觀性能及老化行為的影響。研究重點(diǎn)在于分析老化過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化及管道內(nèi)部缺陷的演變特征，尤其關(guān)注了玻璃纖維增強(qiáng)塑料管道的臨界破壞特征和宏觀性能參數(shù)的變化。通過(guò)基于阿倫尼烏斯方法的老化壽命預(yù)測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)服役管道的老化數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本研究成果具有較高的準(zhǔn)確率。這些發(fā)現(xiàn)為油田復(fù)雜環(huán)境中非金屬管道的安全運(yùn)行與維護(hù)提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

原始文獻(xiàn)：

Dandan Liao, Tan Gu, Jing Yan, Zhiming Yu, Jingjie Dou, Min Hu, Fei Zhao, Jie Liu, Jun Wang, Study on the effect of multi-factor compound action on long-term tensile performance of GFRP composite pipe and life prediction analysis, Composite Structures, Volume 348, 2024, 118478, ISSN 0263-8223,

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