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. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 3. 中國石油天然氣集團公司石油管工程重點實驗室酸性油氣田管材腐蝕與防護研究室, 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廢需要更換,一些復雜腐蝕油氣田集輸管道甚至幾個月就腐蝕穿孔,腐蝕造成的管道經(jīng)濟損失多達數(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、無需焊接,安裝、挖溝、回填費用低,總體投資成本低;同時,非金屬管本身所固有的耐腐蝕性,降低了操作維護費,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用也逐年增多[6-13]。

目前,玻璃鋼管是油氣田應用時間最長、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)點是耐溫性能高、價格較低,缺點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)場運行玻璃鋼管進行取樣檢測,研究了玻璃鋼管的硬度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彎曲強度、短時失效壓力等隨使用時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力狀態(tài)下腐蝕性天然氣環(huán)境對使用性能的影響,進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

在投運前,檢測了玻璃鋼管性能,投運前的規(guī)格和性能見表1。2004年7月,分別對五3井試驗段和五打線玻璃鋼管進行了科研試驗,測試了接頭短時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,運行周期164月。

表1 五打線玻璃鋼管投運前的規(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/℃軸向拉伸強度 /MPa 6″SFH-5.5 IJ哈爾濱斯達玻璃鋼有限公司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。評價內(nèi)容如下:

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

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

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

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

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

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小裂紋肉眼未見層壓材料表面和表面下的細小裂紋纖維斷裂表面未見增強材料暴露表面未見增強材料暴露干斑點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纖維層表面針孔深度目測未到增強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,增強材料未暴露表面有劃痕,增強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),運行164個月后,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,2016年11月取樣的玻璃鋼管硬度試驗數(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行水壓爆破測試,試驗結(jié)果見圖3～4。從玻璃鋼管接頭的爆破試驗結(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

圖4 接頭短時失效破壞

玻璃鋼管的短時失效壓力正比于結(jié)構層的等效厚度和結(jié)構層材料的極限拉伸強度。五打線玻璃鋼管投運后進行了三次取樣短時失效壓力測試,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行了短時失效壓力測試,最低短時失效壓力19.2 MPa。

圖5 五打線玻璃鋼管接頭短時失效壓力隨運行時間的變化

3.5 玻璃鋼管的軸向拉伸強度試驗

表6 五打線玻璃鋼管拉伸強度保留率

運行周期 /月拉伸強度 /MPa拉伸強度保留率 /()081.3-3272.288.816471.688.1

3.6 現(xiàn)役玻璃鋼管服役安全性分析

五打線玻璃鋼管設計用于含H2S的氣液混輸,設計壓力4 MPa,但埋地玻璃鋼管道廠方設計壓力5.5 MPa,接頭短時失效壓力24 MPa,設計壽命20年?；谶\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行了研究。

玻璃鋼管螺紋接頭短時失效壓力與投運前的測試值接近(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,運行壓力在1.5 MPa以下?，F(xiàn)役玻璃鋼管接頭短時失效壓力24.2 MPa,管體的最低短時失效壓力19.2 MPa。

對于輸水用非金屬管,根據(jù)相關標準規(guī)定,短時失效壓力應大于3倍公稱壓力,而輸送氣體介質(zhì),目前的標準沒有明確的短時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,其短時失效壓力應比輸水時的短時失效壓力要求更高,至少應為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行時間逐漸下降,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;而短時失效壓力和力學性能測試結(jié)果表明，其耐壓能力和拉伸強度保留率較高,性能下降不明顯,表明流體對管道強度的影響較小,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,應適當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。通過壓力計算,五打線玻璃管仍可在目前的服役條件下安全使用。