但 濤 李林輝 何炆憶 施岱艷 崔 磊 宋 亮 姜 放

1. 中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦, 四川 瀘州 646000; 2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 3. 中國石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性油氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室, 四川 成都 610041; 4. 中國石油西南油氣田公司華油公司瀘州市西部天然氣有限公司, 四川 瀘州 646000

0 前言

我國每年有大量的金屬管道因腐蝕報(bào)廢需要更換,一些復(fù)雜腐蝕油氣田集輸管道甚至幾個(gè)月就腐蝕穿孔,腐蝕造成的管道經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)數(shù)百億元人民幣[1-5]。而非金屬管無內(nèi)外涂層、無陰極保護(hù)、無需焊接,安裝、挖溝、回填費(fèi)用低,總體投資成本低;同時(shí),非金屬管本身所固有的耐腐蝕性,降低了操作維護(hù)費(fèi),可在全壽命周期內(nèi)大大降低成本。國外油氣田已經(jīng)大量將非金屬管道用于油氣田污水處理,在油氣集輸方面的應(yīng)用也逐年增多[6-13]。

目前,玻璃鋼管是油氣田應(yīng)用時(shí)間最長、用量最大的非金屬管。玻璃鋼管的成型工藝包括纏繞、離心澆鑄和手工鋪設(shè)等,樹脂可采用環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂等[14-17]。與其他非金屬管相比,玻璃鋼管的優(yōu)點(diǎn)是耐溫性能高、價(jià)格較低,缺點(diǎn)是接頭性能和抗沖擊性能差[18-20]。

蜀南氣礦五打線(以下簡稱五打線)玻璃鋼管輸送原料氣從2003年運(yùn)行至今,經(jīng)過了一定壓力下輸送介質(zhì)的沖蝕,玻璃鋼管接頭承受了熱脹冷縮引起的拉伸或壓縮作用力的影響。為檢驗(yàn)該在役玻璃鋼管在輸氣環(huán)境的性能穩(wěn)定性,確保管道的使用安全,2016年11月再次對五打線現(xiàn)場運(yùn)行玻璃鋼管進(jìn)行取樣檢測,研究了玻璃鋼管的硬度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彎曲強(qiáng)度、短時(shí)失效壓力等隨使用時(shí)間而衰減的程度以及變化規(guī)律,分析了玻璃鋼管在長期應(yīng)力狀態(tài)下腐蝕性天然氣環(huán)境對使用性能的影響,進(jìn)一步研究了埋地玻璃鋼管在現(xiàn)役條件下的使用安全性。

1 五打線玻璃鋼管基本情況

在投運(yùn)前,檢測了玻璃鋼管性能,投運(yùn)前的規(guī)格和性能見表1。2004年7月,分別對五3井試驗(yàn)段和五打線玻璃鋼管進(jìn)行了科研試驗(yàn),測試了接頭短時(shí)失效壓力和耐蝕層材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。2005年11月,對五打線的埋地管道6″SFH-5.5 IJ(1″=25.4 mm)進(jìn)行了取樣檢測,2016年11月,取樣玻璃鋼管為6″SFH-5.5 IJ的線路埋地管道,運(yùn)行周期164月。

表1 五打線玻璃鋼管投運(yùn)前的規(guī)格和性能

規(guī)格制造商平均壁厚/ mm壓力等級/MPa樹脂類型樹脂的固化劑固化度/℃軸向拉伸強(qiáng)度 /MPa 6″SFH-5.5 IJ哈爾濱斯達(dá)玻璃鋼有限公司4.15.5環(huán)氧樹脂酸酐類固化劑12073

2 評價(jià)內(nèi)容

結(jié)合SY/T 6267《高壓玻璃纖維管線管規(guī)范》(以下簡稱SY/T 6267)和SY/T 6770.1《非金屬管材質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范第1部分:高壓玻璃纖維管線管》的要求,從外觀、基體樹脂和增強(qiáng)纖維等方面的變化來研究玻璃鋼管在服役條件下的性能變化情況,以判斷玻璃鋼管在役安全性。評價(jià)內(nèi)容如下:

1)外觀檢查:按SY/T 6267規(guī)定進(jìn)行,觀察在役管道、接頭的燒傷、缺口、微裂紋、纖維斷裂、干斑點(diǎn)、斷裂、針孔、樹脂滴流、劃痕、流體阻力、雜質(zhì)等。

2)彎曲強(qiáng)度:參照GB/T 1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》規(guī)定,檢測玻璃鋼管的彎曲強(qiáng)度變化。

3)硬度試驗(yàn):按GB/T 3854-2005《增強(qiáng)塑料巴柯爾硬度試驗(yàn)方法》規(guī)定，進(jìn)行巴氏硬度測定,測試設(shè)備為HBα-1型巴氏硬度計(jì)。

4)拉伸強(qiáng)度:按照GB/T 5349-2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗(yàn)方法》(以下簡稱GB/T 5349-2005)規(guī)定，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試。

5)短時(shí)失效壓力:按GB/T 5351-2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管短時(shí)水壓失效壓力試驗(yàn)方法》規(guī)定，進(jìn)行接頭爆破試驗(yàn)。

6)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度:用差示掃描量熱法(DSC)測定玻璃鋼管的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀

取出的玻璃鋼管顏色為墨綠色,表面有光澤。玻纖螺旋纏繞,與軸向的夾角為54°,見圖1～2；玻璃鋼管(在役)的外觀檢查結(jié)果見表2。在役玻璃鋼管外表面無明顯缺陷或損傷,內(nèi)表面光滑,無磨損痕跡。

圖1 直管表面

圖2 接頭表面

表2 玻璃鋼管道(在役)的外觀檢查結(jié)果

缺陷檢查結(jié)果管體接頭燒傷無熱分解引起的表面變形或變色無熱分解引起的表面變形或變色缺口表面有小塊破損,層板未斷裂表面有小塊破損,層板未斷裂微裂紋肉眼未見層壓材料表面和表面下的細(xì)小裂紋肉眼未見層壓材料表面和表面下的細(xì)小裂紋纖維斷裂表面未見增強(qiáng)材料暴露表面未見增強(qiáng)材料暴露干斑點(diǎn)無表面薄膜不完整的區(qū)域無表面薄膜不完整的區(qū)域斷裂無層間分離無層間分離針孔表面針孔深度目測未到增強(qiáng)纖維層表面針孔深度目測未到增強(qiáng)纖維層樹脂滴流樹脂凸起最高<2 mm樹脂凸起最高<2 mm劃痕表面有劃痕,增強(qiáng)材料未暴露表面有劃痕,增強(qiáng)材料未暴露流體阻力管內(nèi)壁表面光滑,未見膠、結(jié)塊等管內(nèi)壁表面光滑,未見膠、結(jié)塊等

3.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

采用DSC方法測定在役玻璃鋼管的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,測定結(jié)果顯示在酸性環(huán)境服役164個(gè)月后,玻璃鋼管的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為116 ℃。結(jié)合歷次測試數(shù)據(jù),運(yùn)行164個(gè)月后,五打線現(xiàn)場玻璃鋼管的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度見表3,和初始值比有所降低,但下降幅度較小,表明基體樹脂性能在緩慢下降。

表3 五打線玻璃鋼管玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的變化情況

運(yùn)行周期/月樣管玻璃化轉(zhuǎn)變溫度/℃0126.532133164116

3.3 玻璃鋼管硬度測試

玻璃鋼管硬度測試采用巴氏硬度計(jì),2016年11月取樣的玻璃鋼管硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。玻璃鋼管巴氏硬度均值為56.6,各部位測出的數(shù)據(jù)分散性較小。

表4 五打線玻璃鋼管巴氏硬度

測試編號測試結(jié)果測試編號測試結(jié)果測試編號測試結(jié)果平均值15865611572577581256356856135756.6454955145855810571556

表5 五打線線路用玻璃鋼管巴氏硬度保留率

運(yùn)行周期/月現(xiàn)場取樣管硬度硬度保留率/()070-327010016456.681

3.4 接頭短時(shí)失效壓力測試

對2016年11月現(xiàn)場取得的玻璃鋼管道螺紋連接頭進(jìn)行水壓爆破測試,試驗(yàn)結(jié)果見圖3～4。從玻璃鋼管接頭的爆破試驗(yàn)結(jié)果來看,刺漏發(fā)生在靠近接頭螺紋的部位而不是發(fā)生在螺紋處,表明螺紋接頭的安全性還是可靠的。

圖3 水壓試驗(yàn)

圖4 接頭短時(shí)失效破壞

玻璃鋼管的短時(shí)失效壓力正比于結(jié)構(gòu)層的等效厚度和結(jié)構(gòu)層材料的極限拉伸強(qiáng)度。五打線玻璃鋼管投運(yùn)后進(jìn)行了三次取樣短時(shí)失效壓力測試,三次取樣均在不同位置的在役線路玻璃鋼管上取得,結(jié)果見圖5。從圖5測試結(jié)果來看,該線路玻璃鋼管在使用期間短時(shí)失效壓力沒有明顯下降,與使用前的測試值相近,表明使用超過164月后,該玻璃鋼管接頭承壓能力沒有下降。2016年11月,從管體上也取了兩段管段進(jìn)行了短時(shí)失效壓力測試,最低短時(shí)失效壓力19.2 MPa。

圖5 五打線玻璃鋼管接頭短時(shí)失效壓力隨運(yùn)行時(shí)間的變化

3.5 玻璃鋼管的軸向拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

表6 五打線玻璃鋼管拉伸強(qiáng)度保留率

運(yùn)行周期 /月拉伸強(qiáng)度 /MPa拉伸強(qiáng)度保留率 /()081.3-3272.288.816471.688.1

3.6 現(xiàn)役玻璃鋼管服役安全性分析

五打線玻璃鋼管設(shè)計(jì)用于含H2S的氣液混輸,設(shè)計(jì)壓力4 MPa,但埋地玻璃鋼管道廠方設(shè)計(jì)壓力5.5 MPa,接頭短時(shí)失效壓力24 MPa,設(shè)計(jì)壽命20年?；谶\(yùn)行期內(nèi)的兩次測試數(shù)據(jù)及管道原始數(shù)據(jù),對該管道的壓力等級進(jìn)行了研究。

玻璃鋼管螺紋接頭短時(shí)失效壓力與投運(yùn)前的測試值接近(甚至略高),表明管材耐壓能力沒有下降,與投運(yùn)前處于相同水平。目前五打線玻璃鋼管改輸凈化天然氣后,運(yùn)行壓力在1.5 MPa以下?，F(xiàn)役玻璃鋼管接頭短時(shí)失效壓力24.2 MPa,管體的最低短時(shí)失效壓力19.2 MPa。

對于輸水用非金屬管,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,短時(shí)失效壓力應(yīng)大于3倍公稱壓力,而輸送氣體介質(zhì),目前的標(biāo)準(zhǔn)沒有明確的短時(shí)失效壓力與公稱壓力的比值規(guī)定。由于天然氣具有高失效后果,其短時(shí)失效壓力應(yīng)比輸水時(shí)的短時(shí)失效壓力要求更高,至少應(yīng)為4.5倍公稱壓力。

接頭的壓力等級:

管體的壓力等級:

由此可見,現(xiàn)役玻璃鋼管仍可在不高于4.26 MPa的壓力環(huán)境下使用。而目前五打線玻璃鋼管輸送的凈化天然氣壓力在1.5 MPa以下,遠(yuǎn)低于4.26 MPa,該管道在目前的服役條件下滿足使用要求,仍可安全使用。

4 結(jié)論

對于五打線玻璃鋼管,在低含H2S的集輸環(huán)境服役近14年后,從玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和硬度測試結(jié)果可看出，其基體樹脂的性能隨運(yùn)行時(shí)間逐漸下降,受流體侵蝕及自然老化的共同作用,交聯(lián)的分子鏈逐步斷裂,性能逐步下降,但下降速度較慢;而短時(shí)失效壓力和力學(xué)性能測試結(jié)果表明，其耐壓能力和拉伸強(qiáng)度保留率較高,性能下降不明顯,表明流體對管道強(qiáng)度的影響較小,玻璃鋼管在現(xiàn)役條件下使用是安全的。從提高玻璃鋼管道使用安全性的角度,應(yīng)適當(dāng)提高玻璃鋼管基體樹脂耐腐蝕介質(zhì)侵蝕能力和老化性能。通過壓力計(jì)算,五打線玻璃管仍可在目前的服役條件下安全使用。