基于实验室测试的大口径HDPE海洋管道的沉管性能

挪威派莱福公司（Pipelife） Ilija Radeljic

瑞典IBCO AB公司 Ingemar Björklund

摘要：自20世纪60年代以来，高密度聚乙烯（HDPE）实壁管在欧洲已用于海洋领域。多年来，实壁聚乙烯海洋管道的尺寸一直在稳步增加，截至本报告撰写时，最大尺寸为2500mm。大型海洋HDPE管（外径>2000mm）通常为SDR26或SDR30级别，设计可能有所不同。由于大口径HDPE管具有相对较高的SDR等级，因此，原则上在安装时存在发生弯曲破坏的风险，这就导致其在设计时有一定局限性。大口径HDPE管的S型弯管浸没至关重要，因此需要进行详细研究，以确保安全安装。

选择HDPE海洋管有几个关键因素，包括：管材SDR、HDPE原材料类型、压载块设置和内压。压载块在弯曲过程中的加强效应是一个特别值得关注的问题，因为现有的大多数据是基于20世纪30年代对金属管道的研究。

为此，研制了HDPE管材弯曲试验装置，其目的是模拟管材的弯曲，试验小尺寸管材，并获得与不同管道装备相关的数据。该试验计划包括上述因素的各种组合，对多种不同的组合进行试验。放大试验结果以模拟出大尺寸HDPE管的性能。

获得的试验结果有助于更好地了解不同设置下的失效机理和管道性能。获得的数据有：管内应力和应变、蠕变模量、弯曲不圆度、破坏速度、弯曲屈曲半径、SDR的影响、压载块的加强效应等。本文是根据获得的试验数据得出的结论。这项测试的价值对海运承包商特别重要，因为管道的设计极限更为清楚，不确定性减少，从而可以更好地优化安装过程，节约成本。

关键词：安装；HDPE；管道；排水口；进水口

0 绪论

随着管径（OD2000+mm）、管材长度（1000+m）的增加，壁厚（SDR26-30）的减少，实壁HDPE管的安装变得更加困难和危险。为了在沉管前更好地了解最终组装后管道的极限，进行了实验室规模的试验。结果表明，管道SDR等级、重量块的不同间距和内压对其影响较大。根据所得管道组件的性能结果，可以更好的理解管道组件的极限。这些结果和随后得出的结论可以优化组件，便于更安全的安装。

1 介绍

HDPE实壁管主要用于给水和燃气输送用压力管道，本研究正是针对这一部分市场。虽然HDPE是一种优良的海洋应用材料，但在这一领域的研究还很有限。大多数可用于海洋应用的数据发表于2003年（Janson，2003），其中大部分数据来自60年代到80年代，并未反映出PE材料的新发展。

LLLD管道可用于新型重大项目，如发电厂、海水淡化厂和液化天然气站。由于这些项目的重要性，在安装过程中需要对管道的极限有更多的了解。

为此，设计了一种特殊的管道弯曲试验装置，能够控制管道的弯曲。这样可以测量各种管道装置不同时间的弯曲半径和椭圆度。

该测试模拟了正在进行的发电厂项目准备交付的管道的设置，在该项目中，OD2500 SDR26管道将用作进气管道（6×555m组装成 3×1110m）。此项目设置的缩放版本已测试。

本文将简单介绍本研究所得的数据。

2 命名法

HDPE 高密度聚乙烯；

LLLD 长距离大口径；

PE100 最小要求强度（MRS）为10MPa的PE100聚乙烯树脂；

SDR 标准尺寸比；

OD 外径（mm）；

C/C 混凝土加重块中心距；

R/OD 弯曲半径除以外径。

3 讨论

试验与现场之间的连接。由于HDPE的特性和管道尺寸（相同的SDR比），可以在实验室模拟现场安装过程。由于SDR26和SDR30等级的管材在海洋工程中最为常见，因此对SDR26和SDR30等级进行了测试和比较。通过比较SDR比率和实验室不同设置的测试，承包商可以了解现场管道组件的限制，并减少安装过程中的未知风险。典型安装如图1所示。

图1 OD2500 SDR26管道在浸没（安装）过程中的弯曲

图2 试验装置

4 试验装置

试验装置的设计旨在迫使管道在负载下弯曲。通过对管道两侧施加对称载荷，可以监测管道弯曲情况，并手动测量弯曲半径和椭圆度。在各种管道装置上使用了两种不同的加载设置。实验室内试验装置见图2。

5 测试设置

总共进行了22个测试，在本文中介绍了12个最新测试结果的比较。 管材的弯矩是通过在管材末端分别悬挂10kg的钢块来获得的，弯矩分别为260Nm和442Nm（见图2）。施加载荷后，管道处于（几乎）恒定力矩下，从而导致HDPE材料随时间发生蠕变。监测破坏时间（屈曲）以及不同管道装置的变形。对PE100、OD110的SDR26和SDR30管道进行了测试。还对实际进行中的项目进行了模拟，混凝土重量块以C/C为4m和5.6m间隔开，通过等比例缩小的加强筋分别在18.2cm和24.6cm处进行模拟。表1列出了经过测试的各种设置，并选择了一些结果以供进一步阐述。

6 结果

弯矩使管道中产生了较大的应变（2.42-5.54%）和应力（8-14MPa）。在高应力水平下，观察到管道中明显的弯曲。

与标准值相比，管道略厚，并且更接近SDR28和SDR23。为了便于比较，使用SDR30和SDR26。为了比较不同管道装置的结果，确定管道应力随着弯曲时间的变化就很重要。因此，北欧化工聚烯烃有限公司已进行了广泛的实验室工作，以确定其PE100树脂在200h的恒定应力下（高达14MPa）的应力/应变关系。通过使用北欧化工提供的应力/应变数据，可以计算出管道中的弯曲应力。在高度弯曲时，管道内应力会很高，并引起显著屈服。例如，管道中的14MPa应力水平将使应变从1.6min时的2.2%增加到2.7h（166min）时的5.9%。施加442Nm的弯曲力矩将使管道产生约14MPa的弯曲应力，而施加260Nm弯矩将使管道达到8-9MPa的应力水平。

图表1 普通管SDR26和SDR30的弯曲，弯矩260nm，测试1和8

图表2 SDR26和SDR30普通管弯曲，弯曲力矩442nm，测试2和3

首先分析了普通弯管的受力性能。对两个SDR上的两个负载装置进行了测试，弯曲度如图表1和图表2所示。如图表1所示，估计SDR30管道在4h（240min）后发生弯曲，而SDR26管道即使在18h（1080min）后也没有屈曲，试验停止。

图3 OD110 SDR30管弯曲（普通），测试1

图4 屈弯曲塑性变形

图5 OD110 SDR30管（普通）的弯曲，测试1

一旦管道超过约8%的弯曲度极限，塑性变形将加速弯曲，如图4所示。因此，将8%的极限作为管道失效的参考临界点。图5显示了海洋管道安装过程中的弯曲管道和典型破坏形式。如预期那样，在所有测试装置上都观察到这种失效，这是LLLD管道安装过程中的最大风险。

如图表2所示，SDR30管道在4min后发生弯曲，而SDR26管道在71min后发生弯曲。壁厚差约为15%，但在相同载荷下，失效时间差超过1700%。额外的失效时间是由于更高的弯曲刚度。

下一组结果显示了带有加强筋的管道装置。加强筋的尺寸和间距与正在进行项目的混凝土配重块的实际数据相对应。试验结果表明，加强筋或内压的存在大大减缓了弯曲度的发展，变形前的弯曲度远低于普通管材。因此，随时间变化的R/OD值可用于比较其他设置。R/OD值是一种控制测量值，在海洋管道安装过程中使用，通过用一个经验系数来定义不同管道尺寸的最小弯曲半径，防止管道弯曲。添加了加劲筋后，在相同荷载下的破坏时间有显著提高。正确设计混凝土配重块的有益影响对于这种价值至关重要。结果如图表3所示。

图表3 SDR26有加强筋（蓝色）和没有加强筋（绿色）的弯曲，弯矩442 Nm，测试3和9

图表4 带有加强筋的SDR26和SDR30管道弯曲，弯曲力矩442Nm，测试4和9

图表4显示了带有加强筋和相同荷载的SDR26和SDR30管道之间的结果对比。SDR30带加强筋的管道在16min后弯曲，而不带加强筋的情况下为4min。带加强筋的SDR26管道在超过8h（480min）后弯曲，而不带加强筋的SDR26管道为1h（60min）。

相比之下，在相同负载下，SDR26管道的性能要好得多，与SDR30管相比，加固带来的好处更大。带加强筋的SDR26管的测试装置如图6和图7所示。

图6 带加强筋的OD110 SDR26管的弯曲，测试9

图7 带加强筋的OD110 SDR26管的弯曲，测试9

带加强筋的管道变形过程缓慢，但一旦超过临界点，在几秒钟内就会发生破坏。重要的是要避免在安装过程中管道发生这种变形，因为这种变形不会立即显现，但会在项目的生命期内构成风险。图8显示了另一个装置在弯曲之前的变形特写。

另一个有趣的比较是SDR26管道设置不同，但负载相同。试验表明（图表5）普通管首先失效，然后是加筋管，最后是带加筋和内压的管。通过施加内部超压，破坏时间大大延长，这种超压通常出现在淹没过程中。内部压力还导致应力水平降低，并且管道弯曲程度也略有降低。基于这些结果，加强筋与内压的结合对提高管道组件在安装过程中的弯曲刚度具有重要的作用。

图8 失效前管道变形

图表5 普通管（SDR26-1），带加强筋的管（SDR26-4）和带加强筋和内压的管（SDR26-5）的比较，弯矩为442Nm

7 结论

据观察，普通管的抗弯刚度最低，而实壁海洋HDPE管的加重方法对管道组件的弯曲刚度和安装安全性有较大影响。随着加强筋和/或内部压力的增加，使管道组件弯曲的时间显著增加。施加内压时，允许R/OD略有增加，管道也可以稍微弯曲。弯曲最可能是由聚乙烯材料在恒定载荷下高应变水平（2.5%-5%）下的蠕变引起的。大多数测试是在14MPa的高应力水平下和高弯曲R/OD下进行的，这实际上意味着管道处于屈曲阶段。然而，在合理的时间内需要高应力水平才能使管道弯曲。通过SDR26和SDR30管相比，可以发现SDR30的性能比SDR26表现差得多。与实际项目相比，SDR30管道在安装过程中将无法达到相同的安装深度，或屈曲临界值低得多，从而导致更高的风险。

用手动工具进行的测量，在一定程度上影响了结果，这些工具具有一定的误差范围，并且在弯曲装置中存在很小的摩擦。在未来的测试中，应改进感官读数。由于篇幅所限，从测试中获得的应力，应变和蠕变模量值的比较将在另一篇论文中进行介绍。

参考文献

Janson，L.-E.（2003年）；供水和污水处理用塑料管；斯德哥尔摩：北欧化工。

（翻译：宏岳塑胶集团股份有限公司 于海华 王倩 钟毅；

校对：沧州明珠塑料股份有限公司 池永生 李霞）