李廣山,陳慶國,夏曉暉,燕自峰,寧長春

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司,西安 710077;2.中國石油天然氣股份有限公司 塔里木油田分公司,庫爾勒 841000)

隨著油氣田開發(fā)中后期出水量的增加,腐蝕環(huán)境越來越惡劣,迫切需要用耐腐蝕、耐熱、耐壓的非金屬管材解決地面集輸系統(tǒng)的腐蝕問題,其中柔性復(fù)合管是一種在油田應(yīng)用廣泛的非金屬管材[1]。截至2022年12月,塔里木油田中應(yīng)用的柔性復(fù)合管已達1 611 km,且呈逐年遞增趨勢。為探究柔性復(fù)合管在油氣集輸環(huán)境中的應(yīng)用效果,對該油氣田在役的2條柔性復(fù)合管取樣并進行分析,以確定不同服役環(huán)境對柔性復(fù)合管性能的影響程度,分析結(jié)果可為后續(xù)柔性復(fù)合管的正確使用起到一定的指導(dǎo)作用[2]。依據(jù)SY/T 6662.2—2020《石油天然氣工業(yè)用非金屬復(fù)合管 第2部分:柔性復(fù)合高壓輸送管》要求,對2條柔性復(fù)合管進行結(jié)構(gòu)解剖,采用宏觀觀察、微觀分析、水壓爆破試驗、氣密封性能測試、結(jié)構(gòu)組成分析、熱分析、紅外光譜分析、力學(xué)性能測試等方法對2條柔性復(fù)合管進行分析,以確定2條柔性復(fù)合管在不同工況下的適用性[3]。

1 試樣選取

取油、氣、水混合集輸管線樣和單井氣舉管試樣,分別編號為1號和2號,1號、2號試樣的工況條件如表1所示,宏觀形貌分別如圖1,2所示。

圖1 1號試樣的宏觀形貌

圖2 2號試樣的宏觀形貌

表1 1號、2號試樣的工況條件

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀觀察

對1號試樣管體進行解剖并觀察其宏觀形貌,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:外保護層噴碼顯示設(shè)計溫度為60 ℃,在內(nèi)襯管外部纏繞有2層深黃色的纖維繩作為增強結(jié)構(gòu)層;整體來看,該柔性復(fù)合管服役后外保護層、增強層及內(nèi)襯層結(jié)構(gòu)保持完整,未見開裂、鼓包等缺陷,但內(nèi)襯管因溶脹作用變?yōu)樯铧S色。

圖3 1號試樣解剖后宏觀形貌

對2號試樣管體進行解剖并觀察其宏觀形貌,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:2號試樣外保護層完整,增強層為非黏接型交叉纏繞的4層纖維干紗,各層纖維纏繞方向一致、排列整齊,未出現(xiàn)斷裂、錯排等現(xiàn)象;內(nèi)襯管整體光滑平整,未見明顯的開裂、鼓包、起泡等缺陷,但內(nèi)襯管顏色變?yōu)闇\黃色。

圖4 2號試樣解剖后宏觀形貌

2.2 微觀分析

分別將1號、2號試樣內(nèi)襯層剖開后再進行微觀分析,其內(nèi)襯層橫截面的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知:兩試樣的外表面整體光滑平整,內(nèi)表面底部有油污附著,且內(nèi)表面顏色較外表面更深,原因是油氣介質(zhì)存在滲透和溶脹作用[4]。

圖5 1號、2號試樣內(nèi)襯層橫截面微觀形貌

1號、2號試樣增強層纖維的微觀形貌如圖6所示,可見兩試樣纖維束結(jié)構(gòu)均保持完整,未見纖維斷裂、纏結(jié)等現(xiàn)象。

圖6 1號、2號試樣增強層纖維的微觀形貌

2.3 水壓爆破試驗

對1號、2號試樣進行水壓爆破試驗,結(jié)果如表2所示,試驗后兩試樣的宏觀形貌如圖7所示。由表2及圖7可知:兩試樣水壓爆破的失效形式均為管體爆破,扣壓接頭完好。但1號試樣爆破壓力不滿足SY/T 6662.2—2020的要求(≥11.4 MPa)。

圖7 1號、2號試樣水壓爆破試驗后的宏觀形貌

表2 1號、2號試樣水壓爆破試驗結(jié)果

2.4 氣密封性能測試

圖8,9分別是1號、2號試樣接頭氣密封性能測試結(jié)果,1號、2號試樣接頭在氣密封試驗過程中均無破裂、滲漏等問題,1號、2號試樣的壓降小于試驗壓力的5%,滿足SY/T 6662.2—2020中對柔性復(fù)合管氣密封性能的要求。

圖8 1號試樣氣密封性能測試結(jié)果

圖9 2號試樣氣密封性能測試結(jié)果

圖10,11分別是1號和2號試樣短時循環(huán)壓力試驗結(jié)果,1號試樣在試驗壓力為0～6.0 MPa的條件下,經(jīng)7 000次短時循環(huán)壓力試驗后,未發(fā)生破裂、泄漏現(xiàn)象;2號試樣在試驗壓力為2.4～24.0 MPa的條件下,經(jīng)7 000次短時循環(huán)壓力試驗后,未發(fā)生破裂、泄漏現(xiàn)象,兩試樣的試驗結(jié)果均滿足SY/T 6662.2—2020的要求。

圖10 1號試樣短時循環(huán)壓力試驗結(jié)果

圖11 2號試樣短時循環(huán)壓力試驗結(jié)果

2.5 結(jié)構(gòu)組成分析

1號、2號試樣內(nèi)襯層的密度和交聯(lián)度測試結(jié)果分別如表3,4所示。由表3,4可知:1號、2號試樣內(nèi)襯層密度均滿足GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分:管材》的要求(≥0.930 g/cm3);1號試樣內(nèi)襯層為交聯(lián)聚乙烯,2號試樣內(nèi)襯層為普通聚乙烯。

表3 1號、2號試樣內(nèi)襯層密度測試結(jié)果

表4 1號、2號試樣內(nèi)襯層交聯(lián)度測試結(jié)果 %

2.6 熱分析

表5是1號、2號試樣內(nèi)襯層維卡軟化溫度測試結(jié)果,表6是1號、2號試樣內(nèi)襯層差示掃描量熱(DSC)測試結(jié)果。由表5,6可知:1號、2號試樣內(nèi)襯層的平均維卡軟化溫度分別為76.26 ℃和68.86 ℃;1號試樣外表面的熔點、熔融焓、結(jié)晶度均低于內(nèi)表面,而氧化誘導(dǎo)溫度高于內(nèi)表面;2號試樣外表面的熔融焓和結(jié)晶度均低于內(nèi)表面,而熔點和氧化誘導(dǎo)溫度均高于內(nèi)表面。表明油氣介質(zhì)的滲透作用會降低內(nèi)襯材料的抗氧化分解能力。

表5 1號、2號試樣內(nèi)襯層維卡軟化溫度測試結(jié)果 ℃

表6 1號、2號試樣內(nèi)襯層DSC測試結(jié)果

圖12是1號、2號試樣內(nèi)襯層熱失重曲線,可見1號、2號試樣內(nèi)表面和外表面的熱失重變化曲線相差不大。

圖12 1號、2號試樣內(nèi)襯層熱失重曲線

1號、2號試樣增強層的熱分解溫度分別為580 ℃和440 ℃,表明芳綸纖維的耐溫性能高于滌綸纖維。

2.7 紅外光譜分析

1號、2號試樣內(nèi)襯層材料的紅外譜圖如圖13所示。由圖13可知:兩試樣紅外譜圖中聚乙烯的特征吸收峰(2 915,2 843,2 852 cm-1)明顯,除聚乙烯特征峰外,還在718～1 459 cm-1處出現(xiàn)了C—C骨架彎曲振動吸收峰,而醚類中C—O—C不對稱伸縮振動吸收峰(1 262 cm-1)和環(huán)氧乙烷基團中C—O—C伸縮振動吸收峰(807 cm-1)也在這一范圍內(nèi),但峰強較弱,說明醚類和環(huán)氧乙烷的含量較少,判斷其來源于滲透的油介質(zhì)[5]。

圖13 1號、2號試樣內(nèi)襯層材料的紅外譜圖

1號、2號試樣增強層纖維的紅外譜圖如圖14所示。由圖14可知:1號試樣譜圖中3 310 cm-1處為-NH伸縮振動吸收峰,1 635 cm-1和1 537 cm-1處為—CO—NH—彎曲振動吸收峰,證明增強層芳綸纖維服役后的化學(xué)成分未發(fā)生明顯變化;2號試樣譜圖中1 713 cm-1處為羰基伸縮振動峰,1 239 cm-1和1 093 cm-1處為羧基中的羰基伸縮振動峰,2 800～3 000 cm-1處為—CH2—振動峰,730 cm-1處為面外彎曲振動吸收峰,873 cm-1處為芳環(huán)上兩個相鄰的C—H變形振動峰,證明增強層滌綸纖維服役后的化學(xué)成分未發(fā)生明顯變化。

圖14 1號、2號試樣增強層纖維的紅外譜圖

2.8 力學(xué)性能測試

1號、2號試樣內(nèi)襯層的拉伸試驗結(jié)果如表7所示。由表7可知:1號、2號試樣斷后伸長率均滿足GB/T 15558.1—2015的要求(≥350%),但根據(jù)SY/T-7415—2018《油氣集輸管道內(nèi)襯用聚烯烴管》,高密度聚乙烯的屈服強度應(yīng)不小于20 MPa,因此1號、2號試樣服役后內(nèi)襯層的屈服強度均下降。

表7 1號、2號試樣內(nèi)襯層的拉伸試驗結(jié)果

1號、2號試樣內(nèi)襯層的硬度測試結(jié)果如表8所示。由表8可知:1號、2號試樣內(nèi)襯層的平均硬度分別為59.0,56.0 HD。

表8 1號、2號試樣內(nèi)襯層硬度測試結(jié)果 HD

1號、2號試樣增強層纖維的力學(xué)性能測試結(jié)果如表9所示。由表9可知:1號試樣的拉伸力小于2號試樣,因為滲入內(nèi)襯層和增強層之間的油氣介質(zhì)長期與增強纖維接觸,發(fā)生了滲透和溶脹作用,導(dǎo)致增強纖維的力學(xué)性能降低。

表9 1號、2號試樣增強層纖維的力學(xué)性能測試結(jié)果

3 綜合分析

兩條柔性復(fù)合管的各結(jié)構(gòu)層在服役后均保持完整,未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。油氣介質(zhì)的滲透和溶脹作用導(dǎo)致兩條管道內(nèi)襯層和增強層纖維在服役后顏色變深。兩試樣水壓爆破的失效形式均為管體爆破,但1號試樣的爆破壓力不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)氣密封試驗和短時循環(huán)壓力試驗后,兩條管道的管體及接頭無破裂、滲漏等問題,均滿足SY/T 6662.2—2020要求。兩試樣內(nèi)襯層的密度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,平均硬度分別為59.0,56.0 HD,結(jié)構(gòu)組成分別為交聯(lián)聚乙烯和普通聚乙烯,平均維卡軟化溫度分別為76.26,68.86 ℃。1號試樣外表面的熔點、熔融焓、結(jié)晶度等均低于內(nèi)表面,2號試樣外表面的熔融焓和結(jié)晶度均低于內(nèi)表面,1號、2號試樣內(nèi)表面和外表面熱失重的變化情況均相似。

綜合上述分析可知,在高溫環(huán)境下,1號柔性復(fù)合管性能明顯下降,特別是其水壓爆破壓力低于標(biāo)準(zhǔn)要求,因此應(yīng)對運行的1號柔性復(fù)合管進行監(jiān)控,嚴(yán)格控制運行溫度,必要時需對其進行降溫[6]。2號柔性復(fù)合管的管線按目前工況可穩(wěn)定運行。應(yīng)要求制造廠家注意質(zhì)量把控,成品管材到貨后需要對其進行抽檢,嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范要求對其進行現(xiàn)場安裝,保證其應(yīng)用工況與設(shè)計相符合。

4 結(jié)論及建議

1號柔性復(fù)合管內(nèi)襯層為交聯(lián)聚乙烯,增強纖維為芳綸纖維,建議使用溫度低于80 ℃;2號柔性復(fù)合管內(nèi)襯層為普通聚乙烯,增強纖維為滌綸纖維,建議使用溫度低于65 ℃。

建議高度關(guān)注1號柔性復(fù)合管,后續(xù)應(yīng)對其進行降溫運行;在油、氣、水輸送系統(tǒng)中,要注意對柔性復(fù)合管進行質(zhì)量把控、到貨抽檢、規(guī)范安裝和按設(shè)計運行等。