自然时效及受到辐照时玻璃钢管道声学与力学性能的关联性

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(1.中国石化股份胜利油田分公司，东营 257000；2.中国石油大学(华东)机电工程学院，青岛 266580)

玻璃钢(GFRP)也称为“玻璃纤维增强塑料”，主要承载材料为玻璃纤维，辅之树脂类作为基体的复合增强材料，与一般所谓的钢化玻璃有着本质差异[1]。由于其比强度高、比模量大，电性能、热性能良好，耐疲劳性能好，减震性能、破损安全性能好，以及具有各向异性、性能可设计、材料与结构的统一性等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工、交通运输、建筑工程等领域[2]。随着国内各油田的开采进度相继进入中后期，对中、高压玻璃钢管道的需求量不断增加，我国油田领域每年玻璃钢管道的总需求量达6 000 km以上，工程投资达9亿元[3]。玻璃钢在大气中的老化主要是由于受太阳辐射、高温、潮湿空气及风吹雨打的作用，玻璃钢表面颜色发生了变化，树脂脱落，拉伸力学性能也降低[4]。国内外研究人员对玻璃钢在不同环境下发生的物理化学变化，以及其防老化和延长寿命的措施进行了研究[5]，但均未对玻璃钢管道的环境适应性能进行评价，也不能实现对管道的使用寿命进行预测[6]。笔者通过环境试验、力学性能试验，研究了自然时效老化及辐照老化对管道力学性能的影响规律，同时通过声发射试验建立了玻璃钢管道声学与力学性能的关联性，为管道整体性能的评价提供参考。

管道时效试验分为紫外线辐照加速试验和自然环境放置时效试验，辐照加速时效试验以紫外线灯为光源，模拟玻璃钢管道在大气暴露的环境[7]。自然环境时效试验能反映出自然环境对产品的影响，自然环境接近大气的实际情况，辐照试验只是对自然时效试验的模拟，强化了紫外线环境因素[8]。利用仪器探测、记录和分析声发射波的技术称为声发射技术[9]，声发射技术目前已成为研究复合材料结构损伤和检测复合材料设备的重要方法[10]。

采用灰色关联法分析试验数据，探讨了玻璃钢管道力学性能和声学性能参数的关联性，灰色理论中的灰色关联分析是从不完全的信息中，通过一定的数据处理，找出不同方法的相关性，其根据各因素之间发展态势的相似程度来衡量各因素接近的程度[11-12]。

1 试验对象与方法

以φ65 mm环氧树脂玻璃钢管道为试验对象，管道壁厚为6 mm，管道层铺为三层，层间交织着玻璃纤维，玻璃纤维为正交分布。采用SAEU2S-2型声发射仪和GYZJ934-1型巴柯尔硬度计，结合WDW10G微机控制电子式万能试验机开展了相关的声学、硬度和力学性能试验。

辐照加速时效试验参考标准GB/T 16422-1997《实验室光源曝露试验方法》，辐照时间为48 h，为1个周期，光源距离管道表面160 mm；力学性能试验参照标准GB/T 1458-2008《纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法》取环形件与剪切件各4组，进行拉伸、剪切试验；巴氏硬度测试参考标准GB/T 3854-2017《增强塑料巴柯尔硬度试验方法》；断铅试验参考标准QJ 2914-1997《复合材料结构件声发射检测方法》，笔芯伸长量2.5 mm，笔芯与被检测件表面夹角为30°。

自然条件下管道时效试验时，取暴露在胜利油田自然条件下4，35，50，66，102个月的玻璃钢长输管道，材料为环氧树脂。对每一个试验时间点的管道取4组拉伸试件和4组剪切试件进行力学性能试验和巴氏硬度测试，并对管道进行断铅声发射试验。

2 试验结果与分析

2.1 辐照加速时效试验结果与分析

对受辐照时间分别为0，48，96，144，192，288，336 h的φ65 mm管道进行力学性能和声学性能参数试验，试验结果如表1所示。

表1 受不同辐照时间的φ65 mm管道性能参数

管道辐照加速时效性能曲线如图1所示，从图1可以看出，辐照时间在96 h之前，断铅波速有小幅度增加，辐照时间在96 h之后，随着紫外线照射时间的延长，断铅波速曲线下降并趋于平缓；而管道表面巴氏硬度变化幅度不大，在整个试验期间，管道巴氏硬度在55 HBa上下浮动；管道拉伸破坏载荷曲线和断铅波速曲线有着近似的规律，呈先升后降的趋势；管道剪切破坏载荷曲线随着加速时效周期的延长逐渐减小并趋于平缓。大气4级紫外线强度在15～30 W·m-2，4级紫外线强度在一天中占的比重较多，一天中上午10时至下午4时为紫外线辐照强度最大的时间段；实验室紫外线强度经过计算约为4级紫外线强度的10倍，实验室辐照试验理论上相当于管道在4级紫外线强度的大气环境中暴露560 d。

2.2 自然放置时效试验结果与分析

对每一个分别放置4，35，50，66，102个月的φ65 mm管道进行取样，测量管道声学及力学性能参数，试验结果如表2所示。

表2 自然放置不同时间的φ65 mm管道性能参数

图1 管道辐照加速时效性能曲线

图2 自然放置管道时效性能曲线

自然放置管道时效性能曲线如图2所示，从图2可以看出，在管道自然放置50个月时，断铅波速最大，之后随着放置时间的延长，断铅波速逐渐减小并趋于平缓，管道表面巴氏硬度整体变化区间不大，浮动范围为0～8 HBa;在大气中放置4～66个月的管道，表面巴氏硬度有所减小，减小幅度不大,管道试件的拉伸强度曲线，剪切强度曲线和断铅波速曲线有着近似的规律。

3 试验结果相关性分析

灰色系统关联分析作为一种系统分析技术，是对发展的量化比较分析，通过计算目标值(参考数列)与影响因素(比较数列)的关联度及关联度的排序[13-14]，寻求影响目标值的主要因素。表3，4为管道时效试验相关性分析结果。

从表3，4计算的结果来看，实验室辐照加速时效试验下和管道自然放置条件下，断铅波速曲线与管道拉伸强度性能曲线关联度最大，关联度分别为0.75和0.74，表明在实验室条件下，不同辐照加速时效周期下管道断铅信号波速传播规律和管道试件环向拉伸力学性能有着近似的规律。图3为辐照时效管道性能参数无量纲化曲线，图4为自然放置管道参数无量纲化曲线，从图3，4可以看出，管道波速无量纲化曲线和拉伸强度无量纲化曲线较为贴近。

表3 辐照时效管道断铅波速与力学性能参数关联度

表4 自然放置管道断铅波速与力学性能参数关联度

图3 辐照时效管道性能参数无量纲化曲线

图4 自然放置管道性能参数无量纲化曲线

对于实验室辐照加速时效试验结果分析，玻璃钢管道试件环向拉伸、剪切强度先增加后减小，分析得出，由于受紫外线辐照，管道基体树脂发生热固化，随着辐照加速时效时间的延长，固化程度逐渐降低，管道环形拉伸强度减小。图5为管道不同辐照周期的玻璃化转变温度(TG)曲线，该曲线反映出了管道热固化的现象，在0～144 h时间内，玻璃化转变温度逐渐变大，管道试件环向拉伸强度也有所增大。

图5 不同辐照周期的TG曲线

4 结论

(1) 试验分析了在实验室辐照条件下和东营胜利油田自然条件放置玻璃钢管道的声学性能曲线及力学性能曲线，得出了随着时间的延长，曲线先升后降的规律，实验室强紫外线辐照试验表明，辐照是降低管道性能的一个主要因素。

(2) 管道在加速时效试验过程中发生了热固化，其拉伸强度先上升后下降，玻璃钢管道玻璃化转变温度也呈先升后降规律。

(3) 利用灰色关联分析法得出，玻璃钢管道断铅信号声速曲线和管道拉伸力学性能曲线关联度较高，两者有着近似的规律，可以尝试利用声学特征参数对管道力学性能进行评价。

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