基于层次分析法的玻璃钢管失效因素评价

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(1. 中国矿业大学 资源与安全工程学院，北京 100083； 2. 河北大学 质量技术监督学院，保定 071002；3. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

基于层次分析法的玻璃钢管失效因素评价

杨丽颖1,2,董小平2,聂百胜1,王修云3

(1. 中国矿业大学 资源与安全工程学院，北京 100083； 2. 河北大学 质量技术监督学院，保定 071002；3. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

模拟玻璃钢管现场应用环境，对玻璃钢管进行了腐蚀试验和环向拉伸测试，计算出在温度、NaCl含量、CO2分压、H2S分压、应力5个因素共同作用下玻璃钢管环向拉伸强度损失率。采用层次分析法根据环向拉伸强度损失率计算各单因素对环向拉伸强度损失的权重。结果表明:各因素对玻璃钢环向拉伸强度损失的影响大小依次为温度、应力、H2S分压、CO2分压、NaCl含量。

层次分析法；玻璃钢管；环向拉伸强度损失率；温度；CO2

玻璃钢管具有耐腐蚀、质量轻、安装方便、不污染输送介质等优点,且与相同口径钢管相比输送介质流速大，可降低工程总投资，因而被广泛用于原油和天然气集输、化学废水及污水处理、盐水注入、CO2回收等中高压流体的输送管线。但玻璃钢管在其服役过程中也会出现纤维和树脂基体脱离、力学性能减弱等不利现象。玻璃钢管服役时的环境因素，如水分子、温度、压力会影响其力学性能[1]。STOCCHI等[2-4]研究发现，水易浸入环氧树脂的空隙或缝隙等处，会导致基体树脂溶胀、结构破坏，降低基体的界面剪切强度等。RAMI等[5]的研究结果表明，随着浸泡时间的延长和温度的升高，玻璃钢管的拉伸强度降低。ESLAMI等[6]发现NaCl对玻璃钢中树脂基体与碳纤维的界面粘结强度有持续弱化的作用。在石油输送过程中存在CO2、H2S等酸性气体，这些腐蚀性气体会与玻璃钢发生腐蚀化学反应，严重影响其力学性能[6-10]。目前，针对玻璃钢服役过程中力学性能的影响因素已有相关报道，但影响因素一般不超过三个，而关于多因素协同影响其力学性能的研究还鲜有报道。为此，本工作根据玻璃钢现场应用环境设计了失效模拟试验，研究了多因素影响下的玻璃钢环向拉伸强度损失，然后采用层次分析法确定各因素对玻璃钢环向拉伸强度损失的权重，明确影响玻璃钢环向拉伸强度损失的主要影响因素。

1 试验

试验溶液的基础成分见表1，pH为5.20。试验材料为芳胺固化环氧玻璃钢管(以下称玻璃钢管)，试验设备为高温高压反应釜。

表1 试验溶液的基础成分(质量分数)Tab. 1 Basic components in experimental solution (mass) %

将配制好的试验溶液置于反应釜内，通入N2除氧12 h，再通入H2S/CO2混合气体或CO2气体，分别升温到试验温度，对试样加载应力，试验周期为240 h。根据芳胺固化环氧玻璃钢在油气田中的服役环境，用11种试验条件对其进行了模拟，具体试验参数设置见表2。其中，将含有H2S/CO2混合气体的试验条件分别标记为1～6号，含有CO2气体的试验条件分别标记为7～11号。试验结束后，采用万能拉伸试验机按照NACE TM0298-2003标准对试样进行拉伸测试，得到环向拉伸强度，拉伸速率为2 mm/min。根据环向拉伸强度计算环向拉伸强度损失率。

表2 不同试验条件下的试验参数Tab. 2 Experimental parameters in different test conditions

采用层次分析法对各因素进行分析，分析步骤依次为：建立层次模型，构造成对比较阵，计算权向量并做一致性检验，计算组合权向量并做组合一致性检验。

2 结果与讨论

2.1 环向拉伸强度损失

图1为各试验条件下玻璃钢管的环向拉伸强度损失率。由图1可见，在不同试验条件下，玻璃钢的环向拉伸强度损失率不同：在3号试验条件下，玻璃钢管的环向拉伸强度损失率相对较大，达到13%；而在1号试验条件下，玻璃钢管的环向拉伸强度损失率相对较低，为7.5%；在其他条件下，玻璃钢管的环向拉伸强度损失率介于上述两种试验条件之间。这是由CO2分压、H2S分压、NaCl含量、温度、应力等因素共同作用的结果。

图1 各试验条件下玻璃钢管的环向拉伸强度损失率Fig. 1 Circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe in different conditions

温度及应力加载对玻璃钢管环向拉伸强度损失率如图2所示。由图2可知：在同一温度下，应力加载后玻璃钢管的环向拉伸强度损失率大于未加载应力时的；且不同温度下，应力加载前后环向拉伸强度损失率的增幅也不同， 70 ℃和90 ℃时环向拉伸强度损失率增幅分别为18.28%，39.33%，这说明90 ℃下，应力加载前后玻璃钢管环向拉伸强度损失率大于70 ℃下的。由此可见，温度与应力加载对玻璃钢管的环向拉伸强度损失率都有影响。

图2 温度及应力加载对玻璃钢管环向拉伸强度损失率的影响Fig. 2 Effects of temperature and loading stress on circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe

NaCl含量改变时玻璃钢管的环向拉伸强度损失率如图3所示。由图3可知:随NaCl含量的变化，环向拉伸强度损失率也发生改变,但变化不明显。以100 g·L-1为基准(环向拉伸强度损失率为13.9%)，当NaCl质量浓度为200,350 g·L-1时，环向拉伸强度损失率提高幅度分别为3.60%,7.19%。

图3 NaCl含量对玻璃钢管环向拉伸强度损失率的影响Fig. 3 Effect of NaCl content on circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe

图4 气体介质对玻璃钢管环向拉伸强度损失率的影响Fig. 4 Effect of gas medium on circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic pipe

图4为气体介质对玻璃钢管环向拉伸强度损失率的影响。由图4可知：介质为单一CO2气体时，70 ℃下玻璃钢管的环向拉伸强度损失率比90 ℃下的增加了17.11%，而介质为H2S/CO2混合气体时，增加了54.04%。这说明，温度较高更易导致玻璃钢管在此条件下发生环向断裂。另外，在70 ℃下，采用单一CO2气体时的环向拉伸强度损失率比采用H2S/CO2混合气体时的提高了5.92%，而在90 ℃下该损失率提高了39.33%。这说明H2S/CO2混合气体介质对玻璃钢管的环向断裂影响相对较大。

2.2 层次分析法确定各因素对玻璃钢强度损失的权重

根据试验结果，定性判断各因素对玻璃钢管的影响，然后通过两两影响因素赋值比较，构建比较矩阵，定量计算各因素的权重值[11]。根据已经建立的因素集，构建影响玻璃钢失效因素的层次结构如图5所示。根据图1～4的试验结果以及基于层次分析法确定各个因素的影响大小。

图5 玻璃钢管环向拉伸强度损失的层次结构Fig. 5 Analytic hierarchy process structure of the fiber reinforced plastics tube strength loss

建立化学介质(H2S分压、CO2分压、NaCl含量)影响的两两比较矩阵A1见式(1)。

根据

计算得λ1为矩阵A1的特征根和特征向量分别为λ1=3.038 5；W1=(0.916 1,0.371 5,0.150 6)。

基于化学介质影响因素以及λ值，按式(3)计算得一致性指标CI为0.091 25。

式中：n为化学介质影响因素，取3。

按式(4)计算得一致性比例CR为0.033 19，小于0.1。

式中：RI为随机一致性指标，为0.58。

计算的一致性比例在可接受的范围内，对矩阵A1的特征向量进行归一化处理，见式(5)～(7)。

因此，最终对特征向量归一化处理得到化学介质对玻璃钢环向拉伸强度损失的权重集为

同理，建立其他条件因素(温度、应力)影响的两两比较矩阵A2，见式(9)。

计算得矩阵A2的特征根和特征向量分别为λ2=2.000 0；W2=(0.948 7，0.316 2)。此矩阵为一致性正反判断矩阵，不需一致性检验，其一致性可接受。归一化得到权重集W2=(0.750 0，0.250 0)

建立化学介质影响和其他环境影响的组合权向量两两比较矩阵见式(10)。

计算得A的特征根和特征向量分别为λ=2.000 0，W=(0.316 2，0.948 7)。此矩阵为一致性正反判断矩阵，不需一致性检验，其一致性可接受。归一化得到权重集W=(0.250 0，0.750 0)

基于以上结果，H2S分压、CO2分压、NaCl含量、温度和应力对玻璃钢管环向拉伸强度损失的权重分别为各因素在权重集W1和W2中对应的权重数乘以在权重集W中对应的权重数，即：

因此，对于玻璃钢管的环向拉伸强度损失的权重的顺序为温度>应力>H2S分压>CO2分压>NaCl含量。

3 结论

(1) 在H2S分压为100 kPa，CO2分压为200 kPa，盐质量浓度为200 g·L-1，温度为85 ℃条件下，玻璃钢管的环向拉伸强度损失率相对较低；加载应力后环向拉伸强度损失率幅度比未加载应力时更为明显。H2S/CO2混合介质对玻璃钢的环向断裂影响相对较大。

(2) 基于层次分析法研究表明，各因素对玻璃钢管的环向拉伸强度损失的影响顺序为温度>应力>H2S分压>CO2分压>NaCl含量，温度是影响玻璃钢管环向拉伸强度损失的主要因素。

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EvaluationofFailureFactorsofFiberReinforcedPlasticPipeBasedonAnalyticHierarchyProcess

YANG liying1,2, DONG Xiaoping2, NIE Baisheng1, WANG Xiuyun3

(1. College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;2. College of Quality and Technical Supervision, Hebei University, Baoding 071002, China;3. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The circumferential tensile strength loss rate of fiber reinforced plastic (FRP) pipe was calculated under joint action of multi factors including temperature, NaCl content, CO2partial pressure, H2S partial pressure and stress by corrosion experiment simulating field application environments and tensile test along hoop. The weighting of circumferential tensile strength loss caused by each factor was calculated by analytic hierarchy process (AHP) on the basis of the obtained circumferential tensile strength loss rate. The evaluation results show that the strong-to-weak sequence for circumferential tensile strength loss rate of FRP pipe was temperature, stress, H2S partial pressure, CO2partial pressure and NaCl content.

analytic hierarchy process; fiber reinforced plastic (FRP) pipe; circumferential tensile strength loss rate； temperature； CO2

10.11973/fsyfh-201712012

TE985.8

A

1005-748X(2017)12-0959-04

2016-05-19

河北省自然科学基金(E2014201120); 河北省教育厅(Z2012168); 保定市科技局(12ZG018)

杨丽颖(1974-)，副教授，博士，从事材料腐蚀失效研究，0312-5097063，yangliying0116@163.com