柔性管道聚合物材料温度特性研究

摘要

海洋柔性管道作为连接水面浮体与海底井口的“生命线”，是深水油气开发的关键装备，其结构采用金属层和聚合物层多层复合而成，集合了两类材料的优势。在实际应用中，柔性管道输送的高温油气介质时，聚合物材料在高温环境下长期使用易发生老化现象，可能造成材料失效，管道破坏泄漏，造成环境污染。因此，本文研究高温特性下聚合物材料选型设计，在材料尺度对符合要求的聚合物材料进行高温老化行为分析，探究其机理，并在装备尺度对聚合物制成的柔性管道进行原型测试，验证其实际应用效果。 首先，综合分析高温介质对聚合物材料提出的功能需求，形成高温下聚合物材料的选型体系，其中耐高温、耐老化、流体兼容性、力学性能、加工性能为关键性能，对比总结聚偏氟乙烯（PVDF）为最优护套层聚合物材料，对其进行高温力学性能测试。结果表明，高温会有效加快PVDF分子链运动，随温度提高，其弹性模量、拉伸强度逐步降低，断裂伸长率逐步提高。 其次，采用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）及力学拉伸等多尺度手段研究130℃高温热老化不同时间（0～60天）对其结构和性能影响。结果表明，热老化时间越长，PVDF热老化降解程度越高，表观颜色越深；在热老化初期，相当于进行退火处理，促进了PVDF非晶相至晶相的转变，材料结晶完善程度和结晶度明显提高，熔融温度向高温偏移，拉伸强度随之提高，但断裂伸长率下降；随着热老化实验进行，高温诱导结晶区域遭到破坏，样品结晶度下降，熔融温度略有降低，拉伸强度及断裂伸长率均下降，但在整个过程，材料晶体结构均得以保留。进一步基于PVDF结构特性分析其高温老化机理，分析热老化对其结构及功能造成影响的根本原因，结果表明PVDF高温老化时发生侧基脱除，伴随HF脱除，会生成共轭双键生色团导致颜色变深；并且伴随增塑剂挥发及结晶度发生变化，导致宏观性能发生对应衰退。 最后，以PVDF制得柔性管道为样本，设计了一种全新的温度循环实验装置，研究特定温度下PVDF在管道内的实际应用效果。结果表明，温度和压力的提高都会促进柔性管道整体伸长，其中PVDF由于线膨胀系数大于钢，导致其伸长率大于相邻金属层，并在接头处产生应力作用；25次温度压力循环后，PVDF未出现表面显著变色、破损、开裂等失效现象，PVDF性能及护套层结构密封流体功能良好，柔性管道各层连接以及结构完整性得以保留。

目录

声明

1 绪论

1.1 柔性管道聚合物材料概述

1.1.1 柔性管道工程背景简介

1.1.2 柔性管道聚合物材料功能需求

1.2 柔性管道聚合物材料失效分析

1.3 聚合物材料高温热老化研究现状

1.3.1 聚合物材料高温热老化表征方法

1.3.2 柔性管道聚合物材料研发及老化研究

1.4 本课题的研究意义和内容

1.4.1 本课题的研究意义

1.4.2 本课题的研究内容

2 基于高温特性的材料选型设计与分析

2.1 柔性管道护套聚合物材料设计

2.1.1 柔性管道护套功能需求

2.1.2 聚合物材料设计准则

2.1.3 材料选型设计流程

2.1.4 材料总结与选型

2.2 聚偏氟乙烯高温力学性能分析

2.2.1 实验方法

2.2.2 实验过程

2.2.3 结果与讨论

2.4 本章结论

3 高温热老化对聚偏氟乙烯结构与性能的影响

3.1 实验材料与测试方法

3.1.1 实验材料

3.1.2 实验设备

3.1.3 性能测试与表征

3.2 实验部分

3.2.1 高温老化实验过程

3.3 结果与讨论

3.3.1 颜色变化分析

3.3.2 质量变化分析

3.3.3 力学性能分析

3.3.4 扫描电镜分析

3.3.5 X射线衍射分析

3.3.6 傅里叶红外光谱分析

3.3.7 差示扫描量热分析

3.4 本章结论

4 聚偏氟乙烯高温热老化机理分析

4.1 聚偏氟乙烯热老化类型

4.2 聚偏氟乙烯热老化机理

4.3 聚偏氟乙烯热老化下结构特性分析

4.3.1 化学结构分析

4.3.2 晶体结构分析

4.3.3 结晶度分析

4.4 本章结论

5 基于聚偏氟乙烯的柔性管道温度循环研究

5.1 实验样品与测试方法

5.1.1 实验样品选取

5.1.2 实验装置设计

5.2 实验部分

5.2.1 实验设置

5.2.2 实验过程

5.3 结果与讨论

5.4 本章结论

结论

创新点与展望

创新点

展望

参考文献

期间发表学术论文情况

致谢

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