摘要

玻璃纖維增強的復合管道在經濟性方面表現優異，其優勢主要體現在使用壽命的延長以及輕質特性，這些因素共同作用降低了安裝的總體成本。此外，該材料具備卓越的結構性能和對腐蝕環境的抵抗能力。正因如此，該類型管道在油氣田開發領域的應用范圍日益擴大，并且展現出了巨大的潛在應用前景和商業利益。在油氣產業中，玻璃鋼管道主要用于輸送油田采出水，因此，對玻璃鋼管道在不同介質條件下的耐久性進行評估，對于促進玻璃纖維增強復合管道在油氣田環境中的更廣泛運用，具有極其重要且實際的意義。

近期，由四川大學的王均教授領導的研究團隊，針對油氣田環境中玻璃纖維增強塑料（GFRP）復合管道的長期力學性能進行了深入探究。該研究分析了在復雜油氣條件下，GFRP管道的老化失效特性和內部缺陷的發展機制。研究團隊以環向拉伸強度為評估標準，運用阿倫尼烏斯模型對GFRP管道的預期使用壽命進行了預測。相關研究成果已發表于國際知名學術期刊《Composite Structures》，論文標題為“Study on the effect of multi-factor compound action on long-term tensile performance of GFRP composite pipe and life prediction analysis”。

本研究針對油氣田環境中使用的玻璃纖維增強塑料（GFRP）復合管道，實施了循環空氣、模擬采出水和模擬標準油三種不同環境條件下的加速熱老化實驗。通過掃描電子顯微鏡（SEM）技術，對GFRP管道在這三種環境條件下的老化微觀形態進行了詳細觀察。此外，利用顯微計算機斷層掃描（micro-CT）技術，對老化過程中管道材料的組織結構演變特性進行了深入分析。

為了探究老化對GFRP管道環向抗拉強度的影響，本研究采用了分離圓盤法，對老化后GFRP管材的環向抗拉強度衰減規律進行了研究。在此基礎上，以環向抗拉強度作為評估管道使用壽命的關鍵指標，依據阿倫尼烏斯方程理論，對GFRP管道在油氣田環境中的預期使用壽命進行了預測分析。

圖 1. 玻璃纖維增強塑料管材老化試驗流程示意圖;（a）循環空氣中的熱氧老化，（b）模擬采出水熱老化，（c）模擬石油熱老化，（d）分離圓盤法的環向強度測試。

本研究現示，由于基體與纖維之間存在導熱性差異，在油性介質中，玻璃纖維界面遭受了顯著的損傷。與此同時，GFRP材料在模擬采出水介質中的耐久性表現最為不佳。在經歷了3500小時的水熱老化過程后，觀察到玻璃纖維表面形成了明顯的腐蝕殼層以及溶解性損傷。這些現象的發生與氫氧根離子和氯離子對玻璃纖維的作用密切相關，它們導致了纖維中二氧化硅（SiO2）網絡的逐步溶解與破壞，以及硅烷鍵的斷裂。

圖 2. 不同狀態下熱老化后試樣的內表面形態：（a）原始狀態；（b）3500小時的熱氧化老化；（c）3500小時水熱老化；（d）3500小時模擬油老化。

在未經老化的初始樣品中，孔隙缺陷的體積占比為0.106%。然而，在熱氧老化環境和水熱老化環境中分別經過5000小時的老化處理后，孔隙缺陷體積分別增加至0.637%和0.959%。特別是在油熱老化環境中，經過4000小時的老化，孔隙缺陷體積達到了1.50%，這一數據表明孔隙缺陷對于油熱老化環境具有最高的敏感性。

對缺陷的分析結果表明，裂紋最初在樹脂與纖維的界面處形成，隨后通過纖維與樹脂界面的脫粘以及樹脂的塑性變形在樹脂內部擴展。裂紋的尖端成為了孔隙形成的起點，隨著老化過程的持續，這些孔隙與擴展的裂紋相互融合，最終形成了體積較大的缺陷。

圖 3. 不同狀態下樣品的真實形態與計算機斷層掃描的3D圖像的對比:（a）原始狀態;（b）3500小時的熱氧化老化;（c）3500小時水熱老化;（d）3500小時模擬油老化。

圖 4. 不同條件下老化樣品的計算機斷層掃描孔提取結果對比。

圖 5. 顯微CT掃描孔隙率結果統計分析：（a）孔隙率統計結果；（b）缺陷直徑分布；（c）缺陷體積分布。

通過對斷口的分析，研究結果表明在初始狀態下，玻璃纖維與環氧樹脂基體之間存在著強烈的結合作用。這一結論得到了纖維周圍大量樹脂包覆現象的支持，且纖維斷口大多位于同一平面，顯示出均勻的斷裂特征。然而，在經歷老化過程后的樣品中，斷口特征出現了顯著變化，表現為斷口更加雜亂和無序。這些斷裂模式包括了纖維斷裂、基體開裂以及纖維與基體之間的脫粘現象。

在老化后的樣品中，斷裂的玻璃纖維多數呈現孤立狀態，其表面缺乏樹脂層的包裹，表明樹脂與玻璃纖維之間的粘接強度顯著下降，兩者形成了相對獨立的體系。特別是在水熱和油老化環境下，基體樹脂的開裂現象尤為明顯，玻璃纖維在較大長度范圍內被拔出，這種現象對于提高纖維復合材料的承載性能極為不利。這表明老化過程對復合材料的界面結合強度和整體力學性能產生了顯著的負面影響。

圖 6. 三種老化環境的典型應力-應變曲線：（a）（b）（c）熱氧環境，（d）（e）（f）水熱環境，（g）（h）（i）模擬石油環境。

本研究選取環向拉伸強度作為評價復合材料老化性能的關鍵指標，并采用阿倫尼烏斯模型對老化壽命進行預測。預測結果顯示，在水熱老化條件下，玻璃纖維增強塑料（GFRP）管道的反應活化能（Ea）最高，表明在此環境下GFRP管道的環向拉伸強度衰減最為顯著。以75%的強度保留率作為壽命終止的標準，預測在循環熱氧、模擬采出水和模擬油三種環境下，GFRP管道在20℃條件下的預期服役時間分別為23.5年、23.1年和28.5年；而在40℃條件下，預期服役時間分別為12.2年、4.9年和10.3年。

本項研究工作系統評估了三種油田介質老化環境對GFRP管道宏觀性能及老化行為的影響。研究重點在于分析老化過程中的微觀結構變化及管道內部缺陷的演變特征，尤其關注了玻璃纖維增強塑料管道的臨界破壞特征和宏觀性能參數的變化。通過基于阿倫尼烏斯方法的老化壽命預測，并結合現場服役管道的老化數據驗證，本研究成果具有較高的準確率。這些發現為油田復雜環境中非金屬管道的安全運行與維護提供了重要的理論依據和實踐指導。

原始文獻：

Dandan Liao, Tan Gu, Jing Yan, Zhiming Yu, Jingjie Dou, Min Hu, Fei Zhao, Jie Liu, Jun Wang, Study on the effect of multi-factor compound action on long-term tensile performance of GFRP composite pipe and life prediction analysis, Composite Structures, Volume 348, 2024, 118478, ISSN 0263-8223,

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118478.