魏 斌 齊國(guó)權(quán) 吳 寅 戚東濤

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

?

·失效分析及預(yù)防·

油田集輸用玻璃鋼管接頭處開(kāi)裂分析

魏 斌 齊國(guó)權(quán) 吳 寅 戚東濤

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

集油管線用玻璃鋼管在使用過(guò)程中發(fā)生了管體脆性開(kāi)裂失效事故。為了探討玻璃鋼管的失效原因，采用差式掃描量熱儀、水壓試驗(yàn)機(jī)、材料試驗(yàn)機(jī)等分析手段，研究了玻璃鋼管的失效斷口形貌、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、樹(shù)脂含量、承壓能力和管體與接頭位置力學(xué)性能等。結(jié)果表明：玻璃鋼管樹(shù)脂含量偏低導(dǎo)致樹(shù)脂對(duì)纖維膠合作用降低，是玻璃鋼管力學(xué)性能較低、容易失效的重要原因。玻璃鋼管端部剛度不及管體部位1/2，在受到外部地層沉降或其它外力載荷條件下，管端部位出現(xiàn)脆性開(kāi)裂而導(dǎo)致漏油。

玻璃鋼管；失效分析；樹(shù)脂含量；端部剛度

0 引 言

玻璃鋼管以耐腐蝕、材質(zhì)輕、內(nèi)表面光滑、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)中的油氣集輸及注水管線。與金屬管道相比，玻璃鋼管具有強(qiáng)度低、脆性大、耐溫性能低的特點(diǎn)，在井口附近，玻璃鋼管需要與金屬管道進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接。管道系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題最多的地方往往在連接處。玻璃鋼管的連接需要考慮兩方面因素：一是保證在使用壓力下具有良好的氣密性；二是要保證接頭具有足夠的強(qiáng)度和剛度，即要能承受內(nèi)壓引起的環(huán)向載荷，軸向拉伸載荷以及外部剪切載荷?；诖?，本研究系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)某油田集油用玻璃鋼管在與金屬管道轉(zhuǎn)換連接處發(fā)生的管體破裂失效原因，為今后玻璃鋼管連接方式的選擇、設(shè)計(jì)、施工提供了借鑒。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況與取樣

某油田單井集油管線采用了規(guī)格為DN150，PN5.2(公稱壓力5.2 MPa)玻璃鋼管，管線設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，最高工作壓力0.8 MPa，最低工作壓力0.6 MPa。失效漏點(diǎn)位于靠近鋼轉(zhuǎn)接頭玻璃鋼管斜下側(cè)(時(shí)鐘5點(diǎn)～6點(diǎn)之間)，具體位置和裂紋情況如圖1和圖2所示。開(kāi)裂失效時(shí)的管線運(yùn)行壓力為0.7 MPa，管線工作溫度25℃。單井集輸管線于2013年10月初投產(chǎn)，2014年2月發(fā)現(xiàn)泄露，開(kāi)挖確認(rèn)為管線破損位置。該玻璃鋼管線經(jīng)駐廠監(jiān)造和現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)理排除了產(chǎn)品質(zhì)量和安裝過(guò)程不合格情況。為確定在用玻璃鋼管的失效原因，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，同時(shí)，從與現(xiàn)場(chǎng)失效樣同類型同規(guī)格同批次管材試樣上截取了未使用管樣，以作為對(duì)比試驗(yàn)用試樣。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)管線連接狀態(tài)及泄漏點(diǎn)位置

圖2 現(xiàn)場(chǎng)取樣失效玻璃鋼管

2 失效原因分析

2.1 斷口形貌分析

失效玻璃鋼管管體呈現(xiàn)深藍(lán)色，表層樹(shù)脂不平整但無(wú)滴流，外層有聚氨酯保溫層殘留物。由圖2可以看出，管體外表面可見(jiàn)一道明顯裂紋，裂紋自金屬轉(zhuǎn)換接頭處沿纖維纏繞方向擴(kuò)展，外表面宏觀裂紋長(zhǎng)度約150 mm，裂紋處錯(cuò)口高出外管壁表面1.5mm～2 mm，裂紋對(duì)應(yīng)位置的管內(nèi)壁可見(jiàn)明顯纖維分層、脫膠現(xiàn)象。

沿著圖2所示位置用切割機(jī)將管材橫向切開(kāi)，兩端分別稱為管體端和螺紋端，觀察管材橫截面和內(nèi)壁失效情況。圖3(a)給出了管體端橫截面宏觀形貌，可以看出，裂紋由外表面深入到管壁中間，在管壁中間出現(xiàn)分層，裂紋斷口處外層壁厚約6 mm，內(nèi)層壁厚約3 mm。裂紋沿著纖維纏繞方向擴(kuò)展，相反方向纖維斷裂。圖3(b)給出了管體端內(nèi)表面宏觀形貌，在內(nèi)表面可見(jiàn)兩條明顯纖維脫膠帶。圖4(a)給出螺紋端橫截面宏觀形貌，可以看出，裂紋由外表面深入到管壁中間，在管壁中間出現(xiàn)分層，裂紋斷口處外層壁厚約為6 mm，內(nèi)層壁厚約3 mm。裂紋方向沿著纖維方向擴(kuò)展，相反方向纖維斷裂。圖4(b)給出了螺紋端內(nèi)表面宏觀形貌，在內(nèi)表面可見(jiàn)一條明顯裂紋，裂紋一直延伸到管端，玻璃纖維明顯脫膠。

由以上分析可見(jiàn)，玻璃鋼管裂紋起裂位置為管體外表面，裂紋方向沿著纖維纏繞擴(kuò)展，相反方向纖維斷裂，端口處管壁中間出現(xiàn)分層，纖維脫膠，壁厚不足導(dǎo)致管體承壓能力與密封性能下降，導(dǎo)致漏油發(fā)生。玻璃鋼管應(yīng)該是在經(jīng)過(guò)高的扭轉(zhuǎn)或剪切作用時(shí)，超過(guò)其本身強(qiáng)度而產(chǎn)生的典型的脆性裂紋。下文將通過(guò)各種分析手段進(jìn)一步判斷失效原因。

圖3 玻璃鋼管管體端解剖后宏觀形貌

圖4 玻璃鋼管螺紋端解剖后宏觀形貌

2.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分析

在失效管樣、未服役管樣上分別各取平行樣品3件，依據(jù)SY/T 6267-2006[1]和SY/T 6770.1-2010[2]，利用AQ200型差式掃描量熱儀測(cè)量了管材樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，失效管樣與未服役新管樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg平均值基本相當(dāng)。試樣為酸酐固化玻璃鋼，所有試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 玻璃鋼管樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)測(cè)量值

樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg與固化度即交聯(lián)度具有密切關(guān)系。脂的固化程度對(duì)玻璃鋼性能影響很大。固化程度越高，玻璃鋼制品的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能得到充分發(fā)揮。相反，固化程度越低，玻璃鋼制品的力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能受到限制。失效管樣與未服役管樣樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明兩者樹(shù)脂具有較好固化度。

2.3 樹(shù)脂含量

在失效管樣、未服役管樣上各取平行樣品3件，依據(jù)SY/T 6266-2004[3]和SY/T 6770.1-2010，采用馬弗爐煅燒法，對(duì)玻璃鋼管材試樣樹(shù)脂含量進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，所有試樣的樹(shù)脂含量滿足SY/T 6770.1-2010要求。但處于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。樹(shù)脂含量偏低將導(dǎo)致樹(shù)脂對(duì)纖維膠合作用降低，纖維容易出現(xiàn)分層、脫膠現(xiàn)象，纖維材料增強(qiáng)作用偏低。由此推測(cè)，樹(shù)脂含量偏低是導(dǎo)致玻璃鋼管力學(xué)性能較低、容易失效的重要原因。

表2 玻璃鋼管樹(shù)脂含量測(cè)量值

2.4 靜水壓試驗(yàn)

取未服役管樣2件(帶鋼制堵頭)，依據(jù)SY/T 6267-2006進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。靜水壓試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)壓力為1.5倍的公稱壓力(5.2 MPa)，壓力為7.8 MPa，室溫，保壓時(shí)間15 min。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可見(jiàn)兩根管子均滿足SY/T 6267-2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管材靜水壓試驗(yàn)要求。

表3 玻璃鋼管靜水壓試驗(yàn)結(jié)果

2.5 水壓爆破試驗(yàn)

對(duì)靜水壓試驗(yàn)后2件管樣(帶鋼制堵頭)依據(jù)SY/T 6267-2006、SY/T 6770.1-2010進(jìn)行短時(shí)水壓爆破試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。由此可見(jiàn)兩根管子均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管材要求。兩根爆破試樣失效位置均位于螺紋處，鋼制堵頭在高壓作用下滑脫而失效。

表4 玻璃鋼管短時(shí)失效壓力試驗(yàn)結(jié)果

2.6 平行板外載試驗(yàn)

為了考察玻璃鋼管力學(xué)性能，依據(jù)GB/T5352-2005[4]，從未服役管樣上截取樣品，加工有效長(zhǎng)度300 mm樣品2件，有效長(zhǎng)度700 mm樣品2件，分別對(duì)管體和管端部位進(jìn)行了平行板外載性能試驗(yàn)。依據(jù)GB/T5352-2005規(guī)定，計(jì)算出了與管徑變化量相對(duì)應(yīng)的剛度、剛度因子和斷裂時(shí)變形率，結(jié)果如表5、圖5和圖6所示。由表5和圖5可以看出，管體試樣在平行板載荷作用下，管徑發(fā)生10% 變形率時(shí)，管材剛度和剛度因子不到5% 變形率時(shí)的一半，兩個(gè)試樣均在變形率為12%左右時(shí)，管材中玻璃纖維發(fā)生斷裂(應(yīng)力曲線中加載力下降，玻璃纖維斷裂)。

玻璃鋼管端部外載荷試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖6所示。由此可見(jiàn)，與管體平行板載荷試驗(yàn)相比，管材在端部外載荷作用下，管徑發(fā)生5% 變形率時(shí)，管材剛度和剛度因子均比前者明顯降低，僅為前者46%左右；在端部載荷作用下，兩個(gè)試樣均在變形率為7%左右時(shí)，管材中玻璃纖維發(fā)生斷裂，明顯低于管體平行板載荷試驗(yàn)中纖維斷裂時(shí)變形率。由圖7可以看出，管材在載荷作用下，管材內(nèi)表面出現(xiàn)纖維分層現(xiàn)象。可以推斷，玻璃鋼管與鋼制轉(zhuǎn)換接頭連接時(shí)，在地層沉降或其它外力載荷作用下，由于玻璃鋼管端部具有較低的剛度，受到剪切載荷作用而產(chǎn)生的典型的脆性裂紋。

表5 玻璃鋼管平行板外載試驗(yàn)結(jié)果

圖5 管體平行板外載荷-變形量試驗(yàn)曲線

圖6 端部平行板外載荷-變形量試驗(yàn)曲線

圖7 端部外載試驗(yàn)后管內(nèi)表面宏觀照片

3 結(jié) 論

(1)玻璃鋼管樹(shù)脂含量偏低導(dǎo)致樹(shù)脂對(duì)纖維膠合作用降低，是玻璃鋼管力學(xué)性能較低、容易失效的重要原因。

(2)玻璃鋼管與鋼制轉(zhuǎn)換接頭連接時(shí)，玻璃鋼管端部具有較低剛度，在受到外部地層沉降或其它外力載荷條件下，玻璃鋼管出現(xiàn)脆性開(kāi)裂而導(dǎo)致漏油。

[1] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).高壓玻璃纖維管線管和管件[S].SY/T 6267，2006.

[2] 國(guó)家能源局.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[S].SY/T 6770.1，2010.

[3] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).低壓玻璃纖維管線管和管件[S].SY/T 6266，2004.

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.纖維增強(qiáng)熱固性塑料管平行板外載性能試驗(yàn)方法[S].GB/T5352，2005.

Failure Analysis of Glass Fiber Reinforced Pipe for Oil Gathering Pipeline

WEI Bin QI Guoquan WU Yin QI Dongtao

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,CNPCKeyLaboratoryforPetroleumTubularGoodsEngineering,Xi’an，Shaanxi710077,China)

A GFRP for oil gathering pipeline failed during service． Investigations were performed to identify the possible failure causes of the pipe．The failure fracture morphology,Tg, resin content, hydraulic pressure rating, outer load resisting performance of the pipe and the joint position were systematically studied by using DSC，hydraulic pressure testing machine and MTS,etc． The results showed that lower resin content lead to the lower bonding effect of resin on the fiber, which is an important cause of lower mechanical property of GFRP and easy to failure. The stiffness of pipe near the joint is less than half of that the pipe body. The pipe near the joint end occurred brittle cracking and lead to oil spills under the ground settlement or other external loading conditions,

glass fiber reinforced pipe， failure analysis， resin content， stiffness of pipe near joint

魏 斌，男，1975年生，高級(jí)工程師，現(xiàn)在石油管工程技術(shù)研究院從事油氣田腐蝕與防護(hù)、非金屬石油管材研究與應(yīng)用相關(guān)工作。E-mail:weibin06@cnpc.com.cn

TQ325.4；TE83

A

2096-0077(2015)01-0043-04

2014-12-17 編輯：趙金蘭)