工程实验之管道性拉重过程

管道在拉伸过程中，管截面会变细，但没有明显的径缩现象。在拉伸位移到达一定值之后，最外层PE首先发生断裂破坏，此时所记录的拉力-位移曲线会有一个陡降。随着拉伸位移的增加，内层PE管也发生了断裂，虽然内层PE管被包裹在钢带缠绕增强层之内，但通过观察记录曲线上的第二次陡降，可以判断内层PE发生了断裂破坏。在此之后，管道被认为已完全丧失了载荷承载能力。四根样管的破坏模式如图6.3所示。

这四根样管对应的位移-拉力曲线如图6.4～图6.7所示。在试验机加载过程中，假设拉力为负，拉伸也为负。从这四幅曲线图中可以看出，在加载的初始阶段，轴向拉力值在0附近波动的较为厉害，这是由于加载试验机的不稳定性及测量精度的限制所造成的。但总体来说，在拉伸位移不超过管长的10%时，四条曲线的趋势较为一致。当位移载荷施加到一定程度之后，外层PE首先发生断裂破坏，从这四条曲线中都可以看出明显的跳跃现象，这些点对应的拉伸长度不完全一样，可能是由PE材料的差异性导致。随后轴向拉力值几乎按线性、平缓的方式增加，且这四条曲线在该阶段的斜率大致相同，该现象也说明钢带增强层具有提供轴向拉伸刚度的作用。随后这四条曲线的第二个下降阶梯段出现，且均发生在拉伸位移为270 mm左右，说明这四根样管内层PE的断裂拉伸长度基本一致。在此之后，所记录出的试验曲线变得无规律且杂乱，则试验结束。

图6.3　样管的破坏模式

图6.4　A1样管位移-拉力曲线图

图6.5　A2样管位移-拉力曲线图

图6.6　A3样管位移-拉力曲线图

图6.7　A4样管位移-拉力曲线图(www.xing528.com)

阶梯状下降现象是这四条曲线中出现的共同现象，通过比较试验曲线可以看出，试样A1～A3的位移-拉力曲线趋势更为相近，尽管对于A1样管而言，第一个阶梯状出现时，载荷的下降过程相比于其他两条曲线更为平稳。A4样管曲线与剩余几条曲线的走势却有很大区别，这可能是由于A4样管的最终破坏模式不一样，整个钢带层在外层PE发生破坏之前从端头拔了出来，如图6.3的A4所示，因此所读取出来的曲线没有明显的跳跃现象。但在外层PE发生破坏之前，四组试验曲线仍具有一定的重复性及可靠性。

在SSRTP工程实践应用中，外层PE一旦发生破坏，整个管道则丧失了其服役性能要求。API 17J［1］规定，非粘结柔性管在使用过程中，其内外PE层的容许应变不能超过7.7%，也就是说当SSRTP中的PE应变超过7.7%时，可认为管道发生了失效。因此管道从拉伸初始阶段到达到该应变这一阶段是工程实践中的重点研究对象。鉴于此，本节着重分析了从试验结果中提取出的该阶段位移-载荷曲线相关数据，如图6.8所示。

从图6.8可以看出，A1和A4的拉力-位移曲线吻合较好，而A2和A3的吻合较好。这可能是由于试验机的加载速率存在一定的容许误差，而内外PE层的材料性质与加载速度有很大关系，加载速度越大，在相同应变的情况下，PE层对应的应力就越大，所提供的轴向拉力就越大。尽管如此，从图6.8可以看出，四根样管的结果仍然具有较好的对比性及重复性。

图6.8　四根样管位移-拉力曲线对比图

图6.9　样管拉伸刚度与伸长应变的关系

从图6.8中曲线的走势也可以看出，样管的拉伸刚度随拉伸位移的增大而降低，该现象在图6.9中表现得更为明显。图6.9选择了两条代表性曲线（A1和A3）来说明该现象。由于试验设备精度的问题，由拉力传感器所测出来的拉力曲线有微小波动，该现象在计算样管拉伸刚度与拉伸应变的关系时会被扩大，具体反映为所得曲线出现锯齿状波动。图6.9采用曲线拟合的方式来清晰直观地反映管道拉伸刚度的变化。仔细观察该曲线，可以发现管道拉伸刚度的变化与PE材料切线模量的变化有一定的相似性：当PE材料应变不大时，切线模量较大，当应变达到一定值之后，切线模量随应变增加而减小，最后应力-应变曲线几乎与水平轴平行，而后切线模量变负。钢带管纯拉伸作用下的刚度变化情况与该现象类似，这说明当管拉伸应变小于10%时，与内外PE层对比，钢带增强层所承担的轴向拉力值并不大。