一、导读

 

玻璃纤维增强复合管具有良好的经济性，主要体现为较长的使用寿命和足够轻量化可降低安装成本，兼具良好的结构特性和耐腐蚀能力。因而在油田上的应用愈发广泛，同时也显示出良好的应用前景和商业价值。在油气行业的应用环境下，玻璃钢管主要被用于油田采出水的输送，因此评价玻璃钢管在各种介质条件的耐久性对进一步推广玻璃纤维增强复合管在油气田环境的应用是非常必要且有价值的。

 

近日，四川大学王均教授团队对油气田环境下的玻璃纤维增强塑料（GFRP）复合管的长期力学行为进行了研究，分析了该管道在复杂油气环境下老化失效特征和内部缺陷的扩展机制，并以环向拉伸强度为指标采用阿伦尼乌斯模型对GFRP管道进行了寿命预测。文章发表于国际知名期刊《Composite Structures》，论文标题为“Study on the effect of multi-factor compound action on long-term tensile performance of GFRP composite pipe and life prediction analysis”。

 

二、内容简介

 

该研究针对应用于油气田环境的GFRP复合管开展了循环空气，模拟采出水以及模拟标准油三种环境下的加速热老化实验。采用扫描电镜对三种条件下GFRP管老化后的微观形貌进行了观察，并使用显微CT技术对老化管材的组织演化特征进行了分析。采用分离圆盘法探究了老化后GFRP管材环向抗拉强度的衰减规律，同时以环向强度为寿命指标基于阿伦尼乌斯理论进行了服役寿命预测。

 

图 1. 玻璃纤维增强塑料管材老化试验流程示意图;（a）循环空气中的热氧老化，（b）模拟采出水热老化，（c）模拟石油热老化，（d）分离圆盘法的环向强度测试。

研究发现由于基质和纤维之间的导热性差异，在油介质中观察到玻璃纤维界面的显著损伤，而GFRP材料在采出水介质中的耐久性最差。经过3500h的水热老化后发现玻璃纤维有明显腐蚀壳层和溶解损伤，这与氢氧根离子和氯离子的作用导致玻璃纤维中SiO2网络的逐渐溶解和破坏以及硅烷键的断裂有关。

 

图 2. 不同状态下热老化后试样的内表面形态：（a）原始状态；（b）3500小时的热氧化老化；（c）3500小时水热老化；（d）3500小时模拟油老化。

初始样品中的孔隙缺陷体积为0.106%，而在热氧和水热环境中老化5000小时后分别达到0.637%和0.959%。在油热环境中老化4000小时后，最大孔隙率为1.50%，表明孔隙缺陷对油热环境的敏感性最高。缺陷分析结果表明裂纹在树脂和纤维界面引发，通过纤维/树脂界面脱胶以及树脂的塑性变形向树脂内部传播，随后孔隙在裂纹尖端形成，在老化过程中与扩展的裂纹合并成大体积缺陷。

 

图 3. 不同状态下样品的真实形态与计算机断层扫描的3D图像的对比:（a）原始状态;（b）3500小时的热氧化老化;（c）3500小时水热老化;（d）3500小时模拟油老化。

图 4. 不同条件下老化样品的计算机断层扫描孔提取结果对比。

图 5. 显微CT扫描孔隙率结果统计分析：（a）孔隙率统计结果；（b）缺陷直径分布；（c）缺陷体积分布。

断口分析结果表明初始状态玻璃纤维和环氧树脂基体之间有很强的结合，因为在纤维周围可以看到大量的树脂包覆，纤维断口几乎在同一平面。但在后续的老化样品中情况则有所不同，它们的断口愈发杂乱和交错，这些断裂模式包括纤维断裂、基体开裂和纤维基体脱胶。断裂的玻纤大多以单独的状态出现，表面并没有包裹树脂层，树脂与玻纤形成相互独立的体系两者的粘接强度显著减弱。尤其在水热和油老化环境下，基体树脂开裂明显，玻纤在较大的长度范围内被拔出，这对提升纤维复合材料的抗载性能是明显不利的。

 

图 6. 三种老化环境的典型应力-应变曲线：（a）（b）（c）热氧环境，（d）（e）（f）水热环境，（g）（h）（i）模拟石油环境。

以环向拉伸强度作为评价指标，基于阿伦尼乌斯模型进行老化寿命预测，结果表明水热条件具有最大的反应活化能Ea，水热环境下GFRP管环向强度衰减最为显著。将75%强度保留率作为寿命终止指标，预测在循环热氧，模拟采出水和模拟油三种环境中在20℃条件下的服役时间分别为23.5年，23.1年和28.5年；在40℃条件下的服役时间分别依次为12.2年，4.9年和10.3年。

 

三、小结

 

这项研究工作评估了三种油田介质的老化环境对GFRP管道宏观性能和老化行为的影响。侧重分析了老化过程的微观结构和管道内缺陷演变的特征，重点关注玻璃纤维增强塑料管临界破坏特征和宏观性能参数的变化，并最终基于Arrhenius方法预测和评估了管道使用寿命，并在后期进行了现场服役管道老化数据的验证，具有较高的准确率，这对油田复杂环境中非金属管道的安全运行和维护具有一定指导意义。

 

原始文献：

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.

原文链接：

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

 

 

来源：复合材料力学

关键词： GFRP复合管 拉伸性能