可扁平输油软管由纤维骨架和橡胶层组成，具有质量轻、包装和运输体积小、可快速铺展与折叠等优点，被广泛应用于军事燃料供应、应急维护石油管道等领域[1]。纤维骨架作为承载压力的增强层，常采用聚酯纤维、芳纶纤维、液晶聚酯纤维等纤维织物材料制备[2]；橡胶层通常由热塑性聚氨酯材料构成。由于聚合物材料具有黏弹特性，软管复合材料受到承压作用会发生蠕变行为。当大量持续输送油料使输油软管处于长周期蠕变状态，可能造成软管失效从而引起油料泄漏。因此，研究可扁平输油软管承压蠕变，对于提高油料运输安全性具有重要的意义。软管复合材料的蠕变行为比单一聚合物更复杂。软管具有不同玻璃化转变温度组分，受蠕变的差异性、结晶状态以及纤维织物增强层的受力行为等多因素耦合，使基于各组分间蠕变量或者通过构建复杂模型开展软管的长期服役状态模拟非常困难[3-4]。为明确可扁平输油软管承压状态下的长时间蠕变行为，本实验搭建一套原位软管直径测量系统，用于监测不同模拟服役条件下软管在一定时间内的形变率。在此基础上，采用时温等效原理实现对软管长期承压使用过程的评估和预测，为保障油料输运安全提供指导。1实验部分1.1样品与介质试样采用100 mm高强度可扁平输油软管组合件，长度1.0 m，其中软管采用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)编织纤维作为中间增强层，内外双层涂覆热塑性聚氨酯(TPU)胶料，两端安装堵头，堵头与软管连接部位采用软管接头相同的结构形式。由于实验在加热高压条件下，长期使用油料存在较大风险，因此选择水作为替代内置加压液体。压强选择输油软管正常工作使用级别1.0、1.6和3.5 MPa，温度区间选择298~343 K。1.2仪器与设备防爆烘箱，BHX-062AF，上海钧华防爆设备有限公司；穿孔型π尺，ϕ(100~225) mm，成都市精博直径精密测量研究所；电动试压泵，4DY-30/40A，台州市慧新泵业制造有限公司；高清工业内窥镜，H15S，昌斯特科技有限公司。1.3测试方法图1为自主设计的原位软管直径测量系统。从图1可以看出，采用防爆烘箱作为恒温装置，将可扁平软管样品置于烘箱内进行实验。软管堵头一端封闭，另一端通过液压管与电动泵连接，电动泵装有储水容器，并配备电接点压力表。当软管内部压力降至一定值，自动泵输送清水以提高内部压力至控制值。在软管上卷绕一圈挂重的穿孔型π尺自动获取软管承压后直径，挂重砝码为50 g。在恒温控制箱内设置耐高温内窥镜和光源，采用四氟乙烯薄膜将直射光漫反射至穿孔型π尺。测量读数时间间隔初始期为5 min，之后根据实际测试情况延长读数时间间隔。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.008.F001图1原位软管直径测量系统的主视图和侧视图Fig.1The front and side views of the in-site diameter measurement system of hose2结果与讨论2.1可扁平输油软管的承压蠕变行为图2为不同温度下软管承受不同内在压强(p)下形变率(ε)随时间(t)变化，初始形变率(εint)与p的关系。从图2a可以看出，当测量系统的温度为298 K，软管εint为3.4%，承压20 d，软管的ε增至4.0%。从图2b可以看出，测量系统的温度为298 K，软管的εint为4.4%，承压20 d时，软管的ε增至6.3%。从图2c可以看出，测量温度为298 K时，软管的εint增至9.4%，当承压20 d，软管的ε为10.6%。软管的εint随着管内p的增大而增加。从图2d可以看出，εint与p呈现线性关系。承压初期形变可以作为软管蠕变过程中的普弹形变，包括PET增强纤维编织层受力瞬时扩展，PET和TPU分子链键长与键角的调整。随着承压增加，分子链段运动，分子链取向移动，软管复合材料的蠕变包括高弹形变和塑性形变。由于测量温度处于PET的玻璃化转变温度(~358 K)以下，且PET增强纤维编织层对TPU层的束缚作用，复合材料随承压进行高弹形变和塑性形变缓慢。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.008.F002图2不同温度和p下软管的ε随t的变化曲线，εint与p的关系Fig.2Variation curves between ε and t under different temperature and p， relationship between εint and p2.2时温等效叠加研究图3为将同一承压强度，不同温度下的形变率-时间曲线转变为横坐标为时间对数的平移曲线。不同压强下各温度阶段的数据在平移交叠区重合度良好，表明时温等效叠加处理软管的蠕变行为具有有效性和可靠性[5]。从图3可以看出，平移后获得软管在1.0、1.6和3.5 MPa承压下，298 K温度下时间跨度分别为2×107、5×105和5×103 d的主曲线，为预测输油软管的长期使用提供预测依据。为验证主曲线准确性，在298 K、3.5 MPa条件下进行60、120和180 d的蠕变测量。高温平移等效至低温长时间的蠕变与实际测量数据吻合度较高，证实时温等效预测PET增强纤维编织层与TPU胶层复合的软管长期蠕变行为的准确性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.008.F003图3298 K温度下软管承受不同内在压强的膨胀形变率主曲线Fig.3Expansion strain rate master curves of hose under different internal pressures at 298 K2.3软管蠕变行为的预测依据Arrhenius方程转变[6]，表观活化能(ΔHa)的计算公式为：∆Ha=RdlnαTd1T （1）式（1）中：ΔHa为表观活化能，kJ/mol；R为摩尔气体常数，为8.314 J/(mol·K)；lnαT为平移因子；T为温度，K。图4为以不同承压强度下的lnαT与1/T关系。从图4可以看出，两者之间不呈现线性关系，均满足Boltzmann拟合，R2均0.99。随着温度的升高，lnαT变化程度更显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.008.F004图4不同承压强度下的lnαT与1/T关系Fig.4Relationship between lnαT and 1/T under different compressive strength图5为不同承压强度下ΔHa与T之间的关系。从图5可以看出，同一温度下，承压强度越大，软管蠕变的表观活化能越小。这归因于更高的作用力使PET纤维和TPU胶层分子链的取向移动越容易，蠕变行为的温度依赖性减小。同一承压下，随着温度增加，软管蠕变的表观活化能升高，表观活化能与温度呈现线性关系。由于软管具有复杂材料组成及结构，无法明确其内在物理机制。但是，这一关系有助于获得更宽温度范围的蠕变活化能，计算对应的平移因子，从而获得更宽范围的蠕变曲线。结合可扁平输油软管实际服役环境，以318 K为例，得到3.5 MPa时表观活化能为192 kJ/mol，根据Arrhenius方程计算得到平移因子lnαT值为-3.18。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.008.F005图5不同承压强度下ΔHa与T之间的关系Fig.5Relationship between ΔHa and T under different compressive strength将图3c主曲线平移，图6为得到的318 K温度下的软管蠕变主曲线。从图6可以看出，当可扁平软管在318 K，承压3.5 MPa连续输油100 d后，形变率为11.2%，完全符合可扁平输油软管使用标准，满足油料运输安全保障要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.008.F006图6软管在318 K下的蠕变曲线Fig.6The creep curve of hose at 318 K3结论（1）自主搭建原位软管直径测量系统，在1.0、1.6和3.5 MPa的条件下测试可扁平输油软管在298~343 K的蠕变性能。根据时温等效原理对蠕变曲线平移得到可扁平输油软管在298 K下的长周期蠕变主曲线。（2）获得蠕变表观活化能与温度间关系，计算平移因子，预测输油软管在318 K温度下承压3.5 MPa输油的蠕变曲线，为输油软管的长期使用安全性提供依据。