大口徑海洋PE管材市場(chǎng)開(kāi)發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)

摘要：自20世紀(jì)60年代初，PE管已被安裝用于海上輸油管道。如今，實(shí)壁PE管早已成為海運(yùn)管道最常用的材料。市場(chǎng)開(kāi)發(fā)成功的主要原因是S型彎管施工方法的使用，將空氣填充的PE管道浮在海面上，然后通過(guò)一端充水的方法來(lái)使管道沉入海底。在管道施工過(guò)程中，管道將明顯彎曲并承受壓力和變形。對(duì)大多數(shù)管道來(lái)說(shuō)，管道施工過(guò)程中所承受的應(yīng)力和應(yīng)變將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其整個(gè)服役壽命期間所承受的應(yīng)力和應(yīng)變。一般情況下，實(shí)壁PE管施工過(guò)程中的軸向應(yīng)力可能達(dá)到6-12 MPa。實(shí)壁PE管通常可以承受這么大的壓力，但是對(duì)于薄壁管(SDR標(biāo)準(zhǔn)尺寸比≥26)，管道彎曲時(shí)的不圓度非常顯著，這種現(xiàn)象將會(huì)大大提高管材的彎折風(fēng)險(xiǎn)。如今，實(shí)壁PE管道的直徑最大可達(dá)到2500mm，但擠出技術(shù)和PE材料性能限制了管材的壁厚大小，這意味著大口徑管道的SDR等級(jí)相對(duì)較高，因此其彎折的風(fēng)險(xiǎn)比小口徑、壁厚較大的管材更大。為了保證S型彎管安裝的安全性能，避免在安裝過(guò)程中造成管道損壞，管道供應(yīng)商必須計(jì)算出安裝過(guò)程中的彎曲度，給設(shè)計(jì)人員、承包商和最終用戶提供技術(shù)支持。

本文重點(diǎn)介紹了S型彎管安裝方法和經(jīng)驗(yàn)，如何計(jì)算彎曲度，以及PE100材料在高應(yīng)力水平下彈性模量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。后者對(duì)于評(píng)估S型彎管安裝工藝的安全極限非常重要，并將為管道制造商進(jìn)一步開(kāi)發(fā)大口徑海洋PE管市場(chǎng)提供更好的設(shè)計(jì)支持。

0 概述

S型彎管安裝工藝的應(yīng)用是過(guò)去50年全球海洋PE管道市場(chǎng)成功發(fā)展的主要原因。采用S型彎管工藝可以保證中小口徑PE管安裝的安全性，但隨著管道尺寸的增大，安裝難度也逐步增大。為了確保口徑超過(guò)2000mm PE管道安裝的安全，PE管道和樹(shù)脂供應(yīng)商必須進(jìn)一步對(duì)S型彎管安裝工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并為承包商和最終用戶提供專業(yè)的技術(shù)支持。這種技術(shù)推廣方式應(yīng)該參考上世紀(jì)60和70年代 S型彎管剛開(kāi)發(fā)時(shí)的做法。對(duì)承包商和終端用戶的技術(shù)支持，對(duì)大口徑海洋PE管道市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展非常重要。

1 引言

在過(guò)去的50年里，全球范圍內(nèi)海洋PE管道的市場(chǎng)一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)。PE給水和排水管材市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)主要由于大口徑PE管材（最大可至2500mm）加工工藝的進(jìn)步、PE材料耐腐蝕、PE管柔韌性、s型彎管安裝工藝的快速、有效等綜合因素。

2 海洋PE管道的S型彎管安裝方法

PE的密度接近于960kg/m3。如果沒(méi)有負(fù)載，即使在充滿水的情況下，PE管也會(huì)浮起。S型彎管的安裝方法包括通過(guò)將壓載重量加載到在水面上漂浮的填充空氣的PE管道中，使其下沉到管道的安裝位置。從管道的一端往漂浮的管中注水。在開(kāi)始注水時(shí)，管道的末端開(kāi)始向下彎曲。當(dāng)管道末端到達(dá)海床時(shí)，管的彎曲將逐漸改變形成S型彎管，如圖1所示。

圖1海洋PE管道的S型彎管安裝過(guò)程

當(dāng)S型彎管形成后，管道一端的進(jìn)一步注水和另一端的空氣排出將使S型彎管持續(xù)向前移動(dòng)。在管道安裝過(guò)程中，管道將明顯彎曲并承受應(yīng)力和應(yīng)變。對(duì)大多數(shù)管道來(lái)說(shuō)，在此過(guò)程中所承受的應(yīng)力和應(yīng)變將遠(yuǎn)高于在整個(gè)壽命期間所承受的應(yīng)力和應(yīng)變。在S型彎管安裝過(guò)程中海洋PE管道的正常下沉速度是500-700m/h。由于管道的彎曲部分在安裝過(guò)程中沿著管道方向逐漸移動(dòng)，彎曲應(yīng)力通常會(huì)以持續(xù)幾分鐘的短期應(yīng)力形式作用在管道上。

20世紀(jì)50年代末，小口徑PE管的S型彎管方法開(kāi)始在斯堪的納維亞半島上應(yīng)用。當(dāng)時(shí)安裝管道的SDR等級(jí)通常為17或者更小。安裝經(jīng)驗(yàn)是從實(shí)踐和問(wèn)題中摸索得到的，并沒(méi)有任何進(jìn)一步的理論研究。在20世紀(jì)60年代末和70年代初，當(dāng)PE管道的制造直徑達(dá)到1200mm時(shí)，一些北歐的PE制造商開(kāi)始進(jìn)一步探索S型彎管的安裝方法。瑞典咨詢公司Sweco深入?yún)⑴c了這項(xiàng)工作，他們?cè)谏鲜兰o(jì)70年代早期進(jìn)行的大量研究，至今仍然是S型彎管安裝方法的理論基礎(chǔ)。S型彎管的安裝方法看起來(lái)可能非常簡(jiǎn)單，但是這個(gè)方法需要大量的專業(yè)技術(shù)支撐，并且其安裝難度隨著管道直徑的增大而增加。

通過(guò)使用S型彎管的安裝方法，使直徑超過(guò)2000mm的實(shí)壁PE管道可以被安全地使用，因此大口徑海洋PE管的市場(chǎng)得以發(fā)展。

3 影響管道彎曲的參數(shù)

為了更好地了解哪些參數(shù)會(huì)影響管道的彎曲，可以將S型彎管分成3個(gè)部分，如圖2所示：

A)在海床上的管道為一部分；

B)從海底到水面的管道為一部分；

C)管道的浮動(dòng)部分。

圖2 PE管道S型彎管的安裝

在A部分，壓載塊被放置于海床上，并作為管道的支撐物。管道通過(guò)變形使其形狀與海床的形狀相匹配，而壓載塊依據(jù)海床的柔軟性可能部分沉入海底。與B部分相比，A部分管道的應(yīng)力和應(yīng)變較低。影響A部分管道彎曲性的因素是管道的軸向剛度和海床的柔軟度。A部分管段的最大彎曲出現(xiàn)在A-B部分的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處。因此通常認(rèn)為，堅(jiān)硬的海床將會(huì)在A-B轉(zhuǎn)折點(diǎn)處產(chǎn)生更高的彎曲度。

在C部分，浮動(dòng)管充當(dāng)彈性基底的橫梁。管道的彎曲取決于管道的軸向剛度和基底的彈性系數(shù)，在這種情況下其直接與管道的外徑、SDR等級(jí)和壓載的比例有關(guān)。此部分管道的最大彎曲發(fā)生在B-C部分的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

管道B部分的下部是充滿水的，而上部充滿空氣。這部分管道中水位的深度大致等于海水深度乘以管道受壓載產(chǎn)生位移的百分比，如圖2所示。這一部分管道會(huì)承受最大的應(yīng)力和應(yīng)變，而其彎曲度取決于管道的軸向剛度、壓載塊、拉力，以及在A-B和B-C各自轉(zhuǎn)折點(diǎn)上的彎曲力矩和剪切力。

總而言之，海洋PE管道的S型彎管安裝的彎曲半徑將取決于：

——水深；

——壓載塊的數(shù)量；

——管道的軸向剛度；

——浸沒(méi)在水中的軸向拉力。

由于實(shí)壁管的軸向剛度是管道公稱外徑、SDR和管道彈性模量的函數(shù)，在計(jì)算彎曲度時(shí)需要的輸入值為：

——水深、壓載力、拉力、管道外徑、標(biāo)準(zhǔn)尺寸比值和彈性模量。

計(jì)算管道彎曲度的所有輸入數(shù)據(jù)除PE材料的彈性模量以外都是定值。而彈性模量取決于：

——應(yīng)力水平；

——承受時(shí)間；

——溫度。

為了得到管材彎曲度的精確值，材料彈性模量相對(duì)值的選擇很重要。由于PE材料的彈性模量具有一定程度的時(shí)間依賴性，因此這意味著下沉速度也會(huì)影響管道的彎曲度。

4 S 型彎管方法的局限性

在S型彎管的下沉過(guò)程中，要利用 PE管材高柔韌性的特點(diǎn)。盡管PE管道能夠承受大于2.5%的應(yīng)變，但通常建議其最大應(yīng)變值在2.5%以內(nèi)。這相當(dāng)于彎曲半徑值是管道外徑的20倍，但只有管壁相對(duì)較厚的管材才可以承受如此程度的彎曲而不會(huì)扭結(jié)。由于扭結(jié)使得管道不圓度迅速增加，最終導(dǎo)致管道出現(xiàn)折疊。彎曲過(guò)程中不圓度的增加可通過(guò)下列公式計(jì)算：

δ/D = 6.25*(SDR-1)2/(R/D)2

其中：

δ/D=不圓度的增加值(%)；

SDR=管材的標(biāo)準(zhǔn)尺寸比（公稱外徑/壁厚）；

R=管材的彎曲半徑 (m)；

D=管材的公稱直徑 (m)。

在彎曲半徑大的情況下，不圓度的增加程度會(huì)很小。但在較高的彎曲度時(shí)，不圓度的增加程度會(huì)相當(dāng)顯著。當(dāng)不圓度增大時(shí)，管道的慣性矩將減小。這意味著管道的彎曲部分將承受越來(lái)越高的應(yīng)力，最終將會(huì)迅速?gòu)澱邸?shí)際上當(dāng)不圓度的比例達(dá)到8%時(shí)，即可將其定義為扭結(jié)的起點(diǎn)。為了確保管材彎曲時(shí)的安全系數(shù)，S型彎管安裝時(shí)PE管的可允許彎曲度通常被限制在最大不圓度的4%以內(nèi)。圖3顯示了在S型彎管安裝過(guò)程中，不同SDR的PE管道的彎曲程度、屈曲極限以及彎曲導(dǎo)致的應(yīng)變水平。

圖3 PE管材彎曲造成的不圓度

從圖3可以看出，管道的SDR值對(duì)管道安裝中的允許彎曲度有很大的影響。在低壓運(yùn)行下的給水和排水管道通常采用SDR在26-33之間的PE管道。這種管道可以在大約12-20m深的S型彎管中安全使用。而SDR高于33的PE管材由于較低的耐彎曲性能，不能用于 S型彎管的安裝。

5 管徑的影響

目前由于管壁厚度大于110mm的實(shí)壁PE管材擠出加工困難，因此直徑2500mm PE管SDR值≥26。盡管SDR≤17 PE管材可以在沒(méi)有扭結(jié)風(fēng)險(xiǎn)下極大地彎曲，并且管道的S型彎管方法可在很深的水深下安全使用，但SDR≥26的大口徑PE管材的S型彎管安裝工藝需要準(zhǔn)確計(jì)算及密切監(jiān)測(cè)其下沉操作過(guò)程，以確保安全。

提高S型彎管工藝安全性的一種方法是在管道下沉?xí)r，通過(guò)拖船對(duì)管道提供一個(gè)軸向拉力。該軸向拉力在一定程度上使管道變直，并減少S型彎管的彎曲度，如圖4所示。

圖4 通過(guò)施加管道的軸向拉力而減小的彎曲度

從圖4中可以看出，軸向拉力減小了管道的彎曲度和B部分管道的斜率。這也意味著部分浮動(dòng)的C段管段也被向下推，并且產(chǎn)生一個(gè)上升力。上升力的大小與管道的浮力有關(guān)，因此大口徑的管道需要更大的拉力來(lái)減小彎曲。拖船通常可以產(chǎn)生25-50噸的拉力，可在不同程度上減少管道（最大管材直徑可達(dá)1800mm）的彎曲。為了顯著減少管徑超過(guò)2000mm管道的彎曲，拉力必須非常大，以至于通常不可能通過(guò)拖船來(lái)提供。這就意味著中小型管道可通過(guò)該拉力來(lái)減少?gòu)澢龋欢罂趶焦艿?(外徑超過(guò)2000mm)彎曲度的降低程度很小。

由于大直徑管道具有較高的SDR，并且軸向拉力對(duì)控制管道的彎曲度沒(méi)有太大的幫助，因此大口徑PE管道的S型彎管安裝工藝非常重要，而且需要進(jìn)一步的研究以確保其安全性。

6 討論

如上所述，當(dāng)采用S型彎管安裝方法施工海洋PE管道時(shí)，安裝難度會(huì)隨著管道的直徑和SDR的增大而增高。SDR為33的PE管道（可采用S型彎管安裝方法施工海洋PE管的最高SDR值），相當(dāng)于PN5（公稱壓力）的管材。而該種管道已完全能夠承受海洋管整個(gè)壽命中作為進(jìn)水管和出水管時(shí)的壓力。因此低壓力海洋PE管道的S型彎管安裝工藝設(shè)定了管材壁厚的極限值。

圖5 中止下沉所造成的彎曲度增加

SDR 33的管材在彎曲時(shí)對(duì)扭轉(zhuǎn)非常敏感。因此確保管材在彎曲時(shí)不超過(guò)極限值是非常重要的。海洋PE管S型彎管安裝的正常下沉速度為500-700m/h。由于管道彎曲部分在安裝過(guò)程中逐漸沿著管道移動(dòng)，彎曲應(yīng)力通常呈現(xiàn)為持續(xù)幾分鐘的短期應(yīng)力。然而中斷安裝將致使彎曲的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致彈性模量降低，彎曲增大(更小的彎曲半徑)，如圖5所示。

如果在中止作業(yè)之前管道彎曲度在可允許彎曲的極限值附近，那么持續(xù)幾小時(shí)的中止作業(yè)將使彈性模量降低，在一定程度上可能出現(xiàn)管道屈曲失效的危險(xiǎn)，參見(jiàn)圖6。

圖6 中止施工對(duì)安全系數(shù)的降低

因此在S型彎管的安裝過(guò)程中，較高應(yīng)力水平下PE100樹(shù)脂彈性模量值的精確性極其重要。在上世紀(jì)60年代和70年代早期PE管道開(kāi)始與其他材料競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，PE樹(shù)脂制造商不得不向用戶提供了一套完整的材料彈性模量數(shù)值，用于解釋PE材料的粘彈性行為。第一代高密度PE管道的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，如圖7所示。

由于彈性模量與應(yīng)力/應(yīng)變比呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以很容易地從圖7曲線中推算出彈性模量曲線。對(duì)于第一代PE樹(shù)脂，可以推算出應(yīng)力水平高達(dá)5MPa時(shí)的彈性模量相對(duì)值。如今PE100樹(shù)脂被廣泛應(yīng)用于各種不同的管道領(lǐng)域中，其最高應(yīng)力水平可高達(dá)8MPa。但不同PE100樹(shù)脂的應(yīng)力/應(yīng)變曲線卻很少提供。在大多數(shù)情況下，PE100管道的彈性模量值對(duì)于管道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是足夠的。但為了更準(zhǔn)確地評(píng)估S型彎管方法安裝海洋PE管道的安全系數(shù)，則需要更進(jìn)一步的彈性模量的信息。具體來(lái)說(shuō)，在應(yīng)力水平高達(dá)12MPa和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100h條件下的彈性模量相對(duì)值，對(duì)彎曲半徑的精確估算和安全系數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估有極大的幫助。

圖7 第一代HDPE管材在+20℃ 下的應(yīng)力/應(yīng)變曲線，虛線為外推值

PE管道制造商通常從PE樹(shù)脂生產(chǎn)廠家購(gòu)買(mǎi)PE管材專用料(含有添加劑和色母)，在擠出生產(chǎn)時(shí)不添加任何其他的添加劑。因此PE管的性能幾乎完全取決于所使用的PE樹(shù)脂。大多數(shù)PE管樹(shù)脂具有相似的性能，而且其選擇通常由管道制造商決定，管道的終端用戶不會(huì)考慮到樹(shù)脂的選擇。對(duì)于大多數(shù)管道應(yīng)用領(lǐng)域，管道的彈性模量信息對(duì)于管道設(shè)計(jì)已經(jīng)足夠。但對(duì)于一些特殊領(lǐng)域，例如S型彎管方法安裝大口徑管道，則需要更準(zhǔn)確的彈性模量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

即使所有PE100樹(shù)脂被測(cè)試并論證其長(zhǎng)期強(qiáng)度超過(guò)10MPa，也不能保證它們會(huì)有相同的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系，即相同的彈性模量值。如果不同品牌的低熔垂PE樹(shù)脂在彈性模量值上存在顯著差異，那么管道制造商對(duì)于PE樹(shù)脂的選擇將會(huì)變得非常重要。目前，計(jì)算機(jī)軟件（例如Orcaflex和Zenriser）可被用來(lái)計(jì)算管道在安裝時(shí)的彎曲值。但除非有更可信的彈性模量值，軟件的進(jìn)一步計(jì)算也會(huì)受到限制。

大口徑PE管道采用S型彎管方法的安裝，對(duì)于安全系數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估是重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題之一。由于S型彎管工藝提供了長(zhǎng)管段的快速安裝方法，這也意味著如果出現(xiàn)錯(cuò)誤就會(huì)造成巨大的損失。因此，為了能夠給承包商和終端用戶提供建議，并盡量避免安裝失誤，大口徑PE管道制造商必須對(duì)安裝過(guò)程深入了解。后者對(duì)于確保大口徑海洋PE管道市場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

7 結(jié)論

對(duì)于大多數(shù)的大口徑海洋PE管道，管道的長(zhǎng)期使用強(qiáng)度并不是其設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度。PE材料的應(yīng)變特性和管道安裝時(shí)的扭結(jié)風(fēng)險(xiǎn)決定了管道的設(shè)計(jì)。

通過(guò)選擇較低SDR的PE管道可以顯著降低安裝風(fēng)險(xiǎn)。這種方法適用于中小型PE管道，而不會(huì)大幅度增加成本。但對(duì)于直徑2500mm以上的PE管道，增加管道壁厚會(huì)造成成本的大幅度增加。

整體而言，S型彎管工藝在大口徑PE管道中的安裝要比中小型PE管道難度大，其需要對(duì)安裝的安全系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。

為了保證大口徑海洋PE管道安裝的安全，PE管和樹(shù)脂制造商必須致力于進(jìn)一步發(fā)展S型彎管的安裝方法，并為承包商和最終用戶提供專業(yè)的技術(shù)，就如同曾在20世界60年代和 70年代時(shí)S型彎管工藝最初應(yīng)用時(shí)一樣進(jìn)行大量研究。

PE管道制造商應(yīng)向承包商和最終用戶提供足夠的技術(shù)支持。這對(duì)于確保大口徑海洋PE管道市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。