大口徑海洋PE管材市場開發所面臨的挑戰

大口徑海洋PE管材市場開發所面臨的挑戰

摘要：自20世紀60年代初，PE管已被安裝用於海上輸油管道。如今，實壁PE管早已成為海運管道最常用的材料。市場開發成功的主要原因是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，然後通過一端充水的方法來使管道沉入海底。在管道施工過程中，管道將明顯彎曲並承受壓力和變形。對大多數管道來說，管道施工過程中所承受的應力和應變將遠遠高於其整個服役壽命期間所承受的應力和應變。一般情況下，實壁PE管施工過程中的軸嚮應力可能達到6-12 MPa。實壁PE管通常可以承受這麼大的壓力，但是對於薄壁管(SDR標準尺寸比≥26)，管道彎曲時的不圓度非常顯著，這種現象將會大大提高管材的彎折風險。如今，實壁PE管道的直徑最大可達到2500mm，但擠出技術和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等級相對較高，因此其彎折的風險比小口徑、壁厚較大的管材更大。為了保證S型彎管安裝的安全性能，避免在安裝過程中造成管道損壞，管道供應商必須計算出安裝過程中的彎曲度，給設計人員、承包商和最終用戶提供技術支持。

本文重點介紹了S型彎管安裝方法和經驗，如何計算彎曲度，以及PE100材料在高應力水平下彈性模量數據的準確性。後者對於評估S型彎管安裝工藝的安全極限非常重要，並將為管道製造商進一步開發大口徑海洋PE管市場提供更好的設計支持。

關鍵詞：設計；安裝；進水口；PE管；出水口

0 概述

S型彎管安裝工藝的應用是過去50年全球海洋PE管道市場成功發展的主要原因。採用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2000mm PE管道安裝的安全，PE管道和樹脂供應商必須進一步對S型彎管安裝工藝進行開發，併為承包商和最終用戶提供專業的技術支持。這種技術推廣方式應該參考上世紀60和70年代 S型彎管剛開發時的做法。對承包商和終端用戶的技術支持，對大口徑海洋PE管道市場的進一步發展非常重要。

1 引言

在過去的50年裡，全球範圍內海洋PE管道的市場一直在穩步增長。PE給水和排水管材市場的快速增長主要由於大口徑PE管材（最大可至2500mm）加工工藝的進步、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的密度接近於960kg/m³。如果沒有負載，即使在充滿水的情況下，PE管也會浮起。S型彎管的安裝方法包括通過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。在開始注水時，管道的末端開始向下彎曲。當管道末端到達海床時，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型彎管安裝過程

當S型彎管形成後，管道一端的進一步注水和另一端的空氣排出將使S型彎管持續向前移動。在管道安裝過程中，管道將明顯彎曲並承受應力和應變。對大多數管道來說，在此過程中所承受的應力和應變將遠高於在整個壽命期間所承受的應力和應變。在S型彎管安裝過程中海洋PE管道的正常下沉速度是500-700m/h。由於管道的彎曲部分在安裝過程中沿著管道方向逐漸移動，彎曲應力通常會以持續幾分鐘的短期應力形式作用在管道上。

20世紀50年代末，小口徑PE管的S型彎管方法開始在斯堪的納維亞半島上應用。當時安裝管道的SDR等級通常為17或者更小。安裝經驗是從實踐和問題中摸索得到的，並沒有任何進一步的理論研究。在20世紀60年代末和70年代初，當PE管道的製造直徑達到1200mm時，一些北歐的PE製造商開始進一步探索S型彎管的安裝方法。瑞典諮詢公司Sweco深入參與了這項工作，他們在上世紀70年代早期進行的大量研究，至今仍然是S型彎管安裝方法的理論基礎。S型彎管的安裝方法看起來可能非常簡單，但是這個方法需要大量的專業技術支撐，並且其安裝難度隨著管道直徑的增大而增加。

通過使用S型彎管的安裝方法，使直徑超過2000mm的實壁PE管道可以被安全地使用，因此大口徑海洋PE管的市場得以發展。

3 影響管道彎曲的參數

為了更好地瞭解哪些參數會影響管道的彎曲，可以將S型彎管分成3個部分，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)管道的浮動部分。

圖2 PE管道S型彎管的安裝

在A部分，壓載塊被放置於海床上，並作為管道的支撐物。管道通過變形使其形狀與海床的形狀相匹配，而壓載塊依據海床的柔軟性可能部分沉入海底。與B部分相比，A部分管道的應力和應變較低。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在A-B部分的轉折點處。因此通常認為，堅硬的海床將會在A-B轉折點處產生更高的彎曲度。

在C部分，浮動管充當彈性基底的橫樑。管道的彎曲取決於管道的軸向剛度和基底的彈性係數，在這種情況下其直接與管道的外徑、SDR等級和壓載的比例有關。此部分管道的最大彎曲發生在B-C部分的轉折點。

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於海水深度乘以管道受壓載產生位移的百分比，如圖2所示。這一部分管道會承受最大的應力和應變，而其彎曲度取決於管道的軸向剛度、壓載塊、拉力，以及在A-B和B-C各自轉折點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於：

——水深；

——壓載塊的數量；

——管道的軸向剛度；

——浸沒在水中的軸向拉力。

由於實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，在計算彎曲度時需要的輸入值為：

——水深、壓載力、拉力、管道外徑、標準尺寸比值和彈性模量。

計算管道彎曲度的所有輸入數據除PE材料的彈性模量以外都是定值。而彈性模量取決於：

——應力水平；

——承受時間；

——溫度。

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

4 S 型彎管方法的侷限性

在S型彎管的下沉過程中，要利用 PE管材高柔韌性的特點。儘管PE管道能夠承受大於2.5%的應變，但通常建議其最大應變值在2.5%以內。這相當於彎曲半徑值是管道外徑的20倍，但只有管壁相對較厚的管材才可以承受如此程度的彎曲而不會扭結。由於扭結使得管道不圓度迅速增加，最終導致管道出現摺疊。彎曲過程中不圓度的增加可通過下列公式計算：

δ/D = 6.25*(SDR-1)²/(R/D)²

其中：

δ/D=不圓度的增加值(%)；

SDR=管材的標準尺寸比（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很小。但在較高的彎曲度時，不圓度的增加程度會相當顯著。當不圓度增大時，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越高的應力，最終將會迅速彎折。實際上當不圓度的比例達到8%時，即可將其定義為扭結的起點。為了確保管材彎曲時的安全係數，S型彎管安裝時PE管的可允許彎曲度通常被限制在最大不圓度的4%以內。圖3顯示了在S型彎管安裝過程中，不同SDR的PE管道的彎曲程度、屈曲極限以及彎曲導致的應變水平。

圖3 PE管材彎曲造成的不圓度

從圖3可以看出，管道的SDR值對管道安裝中的允許彎曲度有很大的影響。在低壓運行下的給水和排水管道通常採用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高於33的PE管材由於較低的耐彎曲性能，不能用於 S型彎管的安裝。

5 管徑的影響

目前由於管壁厚度大於110mm的實壁PE管材擠出加工困難，因此直徑2500mm PE管SDR值≥26。儘管SDR≤17 PE管材可以在沒有扭結風險下極大地彎曲，並且管道的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確計算及密切監測其下沉操作過程，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時，通過拖船對管道提供一個軸向拉力。該軸向拉力在一定程度上使管道變直，並減少S型彎管的彎曲度，如圖4所示。

圖4 通過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的C段管段也被向下推，並且產生一個上升力。上升力的大小與管道的浮力有關，因此大口徑的管道需要更大的拉力來減小彎曲。拖船通常可以產生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1800mm）的彎曲。為了顯著減少管徑超過2000mm管道的彎曲，拉力必須非常大，以至於通常不可能通過拖船來提供。這就意味著中小型管道可通過該拉力來減少彎曲度；而大口徑管道 (外徑超過2000mm)彎曲度的降低程度很小。

由於大直徑管道具有較高的SDR，並且軸向拉力對控制管道的彎曲度沒有太大的幫助，因此大口徑PE管道的S型彎管安裝工藝非常重要，而且需要進一步的研究以確保其安全性。

6 討論

如上所述，當採用S型彎管安裝方法施工海洋PE管道時，安裝難度會隨著管道的直徑和SDR的增大而增高。SDR為33的PE管道（可採用S型彎管安裝方法施工海洋PE管的最高SDR值），相當於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壽命中作為進水管和出水管時的壓力。因此低壓力海洋PE管道的S型彎管安裝工藝設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的管材在彎曲時對扭轉非常敏感。因此確保管材在彎曲時不超過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。由於管道彎曲部分在安裝過程中逐漸沿著管道移動，彎曲應力通常呈現為持續幾分鐘的短期應力。然而中斷安裝將致使彎曲的持續時間更長，從而導致彈性模量降低，彎曲增大(更小的彎曲半徑)，如圖5所示。

如果在中止作業之前管道彎曲度在可允許彎曲的極限值附近，那麼持續幾小時的中止作業將使彈性模量降低，在一定程度上可能出現管道屈曲失效的危險，參見圖6。

圖6 中止施工對安全係數的降低

因此在S型彎管的安裝過程中，較高應力水平下PE100樹脂彈性模量值的精確性極其重要。在上世紀60年代和70年代早期PE管道開始與其他材料競爭時，PE樹脂製造商不得不向用戶提供了一套完整的材料彈性模量數值，用於解釋PE材料的粘彈性行為。第一代高密度PE管道的應力和應變關係，如圖7所示。

由於彈性模量與應力/應變比呈對應關係，因此可以很容易地從圖7曲線中推算出彈性模量曲線。對於第一代PE樹脂，可以推算出應力水平高達5MPa時的彈性模量相對值。如今PE100樹脂被廣泛應用於各種不同的管道領域中，其最高應力水平可高達8MPa。但不同PE100樹脂的應力/應變曲線卻很少提供。在大多數情況下，PE100管道的彈性模量值對於管道設計來說是足夠的。但為了更準確地評估S型彎管方法安裝海洋PE管道的安全係數，則需要更進一步的彈性模量的信息。具體來說，在應力水平高達12MPa和持續時間長達100h條件下的彈性模量相對值，對彎曲半徑的精確估算和安全係數的準確評估有極大的幫助。

圖7 第一代HDPE管材在+20℃ 下的應力/應變曲線，虛線為外推值

PE管道製造商通常從PE樹脂生產廠家購買PE管材專用料(含有添加劑和色母)，在擠出生產時不添加任何其他的添加劑。因此PE管的性能幾乎完全取決於所使用的PE樹脂。大多數PE管樹脂具有相似的性能，而且其選擇通常由管道製造商決定，管道的終端用戶不會考慮到樹脂的選擇。對於大多數管道應用領域，管道的彈性模量信息對於管道設計已經足夠。但對於一些特殊領域，例如S型彎管方法安裝大口徑管道，則需要更準確的彈性模量設計數據。

即使所有PE100樹脂被測試並論證其長期強度超過10MPa，也不能保證它們會有相同的應力/應變關係，即相同的彈性模量值。如果不同品牌的低熔垂PE樹脂在彈性模量值上存在顯著差異，那麼管道製造商對於PE樹脂的選擇將會變得非常重要。目前，計算機軟件（例如Orcaflex和Zenriser）可被用來計算管道在安裝時的彎曲值。但除非有更可信的彈性模量值，軟件的進一步計算也會受到限制。

大口徑PE管道採用S型彎管方法的安裝，對於安全係數的準確評估是重要的設計問題之一。由於S型彎管工藝提供了長管段的快速安裝方法，這也意味著如果出現錯誤就會造成巨大的損失。因此，為了能夠給承包商和終端用戶提供建議，並儘量避免安裝失誤，大口徑PE管道製造商必須對安裝過程深入瞭解。後者對於確保大口徑海洋PE管道市場的未來發展具有重要意義。

7 結論

對於大多數的大口徑海洋PE管道，管道的長期使用強度並不是其設計極限強度。PE材料的應變特性和管道安裝時的扭結風險決定了管道的設計。

通過選擇較低SDR的PE管道可以顯著降低安裝風險。這種方法適用於中小型PE管道，而不會大幅度增加成本。但對於直徑2500mm以上的PE管道，增加管道壁厚會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，其需要對安裝的安全係數進行準確的評估。

為了保證大口徑海洋PE管道安裝的安全，PE管和樹脂製造商必須致力於進一步發展S型彎管的安裝方法，併為承包商和最終用戶提供專業的技術，就如同曾在20世界60年代和 70年代時S型彎管工藝最初應用時一樣進行大量研究。

PE管道製造商應向承包商和最終用戶提供足夠的技術支持。這對於確保大口徑海洋PE管道市場的進一步發展起著至關重要的作用。

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