宋成立, 郭繼銀, 朱文文, 成少兵, 張炳余

(1.中國石油集團(tuán) 工程材料研究院有限公司 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710077；2.中國石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究有限公司, 塘沽 300451；3.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; 4.中國石油遼河油田公司， 盤錦 124010)

目前，我國大部分油田已進(jìn)入中后期開采階段，綜合含水量升高，管線服役年限增加。二次采油與三次采油的結(jié)合技術(shù)引入了新的腐蝕介質(zhì)，如CO2，O2和硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing bacteria,SRB)等，這加劇了碳鋼油氣集輸管道的失效，造成石油和天然氣損失和生態(tài)環(huán)境污染[1-3]。柔性復(fù)合管質(zhì)量輕、撓性好、易于運(yùn)輸及安裝，且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能等特點(diǎn)，采用該類非金屬管替換原有管道已成為解決油氣集輸管道腐蝕問題的重要方案之一[4-5]。但隨著柔性復(fù)合管應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，出現(xiàn)了部分失效事故，尤其在高溫、高壓、地形起伏較大的環(huán)境中，柔性復(fù)合管更容易發(fā)生失效。目前，國內(nèi)外關(guān)于柔性復(fù)合管失效分析案例鮮有報道[6]。

西部某油田單井集輸柔性復(fù)合管(埋地)服役21個月后發(fā)生泄漏，其宏觀形貌見圖1。依據(jù)SY/T 6662.2-2012《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》標(biāo)準(zhǔn)，泄漏柔性復(fù)合管道規(guī)格為DN80，設(shè)計壓力為4 MPa，運(yùn)行壓力為2.9 MPa，設(shè)計溫度為94 ℃，管道泄漏位置在6點(diǎn)鐘方向。

圖1 泄漏柔性復(fù)合管的宏觀形貌

為查明管道泄漏的原因，筆者對其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，并提出了改進(jìn)建議，以期避免此類事故的再次發(fā)生，并為柔性復(fù)合管的研發(fā)、安全服役、標(biāo)準(zhǔn)修訂等提供參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該泄漏柔性復(fù)合管為典型的三層結(jié)構(gòu)，即外護(hù)套、增強(qiáng)層和內(nèi)襯層，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)均發(fā)生了撕裂。由圖2可見：外護(hù)套撕裂口沿縱向擴(kuò)展，長度約為350 mm，其環(huán)向發(fā)生較大的塑性變形，整體呈互相“嚙合”的形貌；增強(qiáng)層由兩層纖維層纏繞而成，顏色發(fā)黑，且觸感較硬；內(nèi)襯層撕裂口沿縱向擴(kuò)展，長度約為250 mm，其環(huán)向也發(fā)生了較大的塑性變形，側(cè)面呈黑褐色，管道頂部區(qū)域顏色偏黃。

圖2 不同卷取溫度條件下冷軋DC01鋼板的錐杯試驗(yàn)結(jié)果

圖2 泄漏柔性復(fù)合管外護(hù)套、增強(qiáng)層和內(nèi)襯層的宏觀形貌

1.2 幾何尺寸測量

采用游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)對該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層的壁厚和內(nèi)徑進(jìn)行測量。圖3是內(nèi)襯層撕裂口處壁厚的測量位置，測量結(jié)果見表1?？芍獌?nèi)襯層撕裂口中部f位置處壁厚最小(1.22 mm)，壁厚沿該位置向兩端逐漸增大。

表1 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層撕裂口處壁厚的測量結(jié)果

圖3 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層撕裂口處壁厚的測量位置示意

撕裂口位置為6點(diǎn)鐘方向，對圖3所示內(nèi)襯層兩端的壁厚及內(nèi)徑進(jìn)行測量，結(jié)果見表2?？芍軜拥撞康谋诤裥∮陧敳康?，底部最小壁厚達(dá)到5.90 mm，頂部最大壁厚達(dá)到7.36 mm；內(nèi)襯層兩端3～9點(diǎn)和6～12點(diǎn)方向的內(nèi)徑范圍在82.84～83.40 mm。

表2 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層兩端壁厚及內(nèi)徑的測量結(jié)果

1.3 紅外光譜分析

從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層和增強(qiáng)層取樣，利用傅里葉變換紅外光譜儀對其進(jìn)行傅里葉紅外光譜(FTIR)分析，結(jié)果如圖4所示?？梢娦孤┤嵝詮?fù)合管內(nèi)襯層紅外光譜與聚乙烯(PE)紅外標(biāo)準(zhǔn)譜的相似度為97.01%，這表明該泄漏管樣的內(nèi)襯層為PE，未見其他異常；增強(qiáng)層的紅外光譜與滌綸紅外標(biāo)準(zhǔn)譜的相似度為94.86%，這表明該泄漏管樣的增強(qiáng)層為滌綸纖維，未見其他異常。

圖4 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層和增強(qiáng)層的傅里葉紅外光譜

1.4 維卡軟化溫度檢測

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 1633-2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度(VST)的測定》標(biāo)準(zhǔn)中的B50法(50 N，50 ℃/h)，采用RV-300FW維卡軟化點(diǎn)溫度檢測儀進(jìn)行維卡軟化溫度檢測，分別設(shè)置3個平行試樣，取其平均值，起始溫度為室溫。結(jié)果顯示該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的維卡軟化溫度分別為58.64 ℃和61.89 ℃。

1.5 硬度測試

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 2411-2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》標(biāo)準(zhǔn)，采用TIME5410型邵氏D型硬度計對其內(nèi)、外壁進(jìn)行硬度測試，分別設(shè)置3個平行試樣，取其平均值。由表3可見，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層外壁的硬度大于內(nèi)壁，且內(nèi)襯層底部內(nèi)壁的硬度最小。

表3 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的硬度測試結(jié)果

1.6 拉伸性能測試

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 8804.3-2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第3部分：聚烯烴管材》標(biāo)準(zhǔn)，采用CMT-4104型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸性能測試，分別設(shè)置3個平行試樣，取其平均值。由表4可知，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部的抗拉強(qiáng)度小于頂部。

表4 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的拉伸性能測試結(jié)果

1.7 密度測試

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 1033.1-2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》標(biāo)準(zhǔn)，采用液體比重瓶法測試內(nèi)襯層的密度，試驗(yàn)設(shè)備為ET-120SL型電子密度計。由表5可見，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的平均密度均滿足SY/T 6662.2-2012《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》對PE的技術(shù)要求。

表5 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的密度

1.8 縱向回縮率測試

從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層取樣，依據(jù)GB/T 6671-2001《熱塑性塑料管材縱向回縮率的測定》標(biāo)準(zhǔn)，采用BINDER-M240型恒溫箱，將試樣在(120±2) ℃下保溫60 min，設(shè)置3個平行試樣，取其平均值。由表6可見，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層的縱向回縮率滿足SY/T 6662.2-2012《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》標(biāo)準(zhǔn)對PE的技術(shù)要求。

表6 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層的縱向回縮率

2 分析與討論

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可知，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層為PE，增強(qiáng)層為滌綸纖維，內(nèi)襯層的密度、縱向回縮率檢測結(jié)果均符合SY/T 6662.2-2012對PE的技術(shù)要求。泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的維卡軟化溫度分別為58.64 ℃和61.89 ℃，抗拉強(qiáng)度分別為14.82 MPa和15.27 MPa，底部內(nèi)、外壁的硬度分別為37.5 HD和53.7 HD，頂部內(nèi)、外壁的硬度分別為41.6 HD和55.1 HD，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未對該材料的維卡軟化溫度、抗拉強(qiáng)度和硬度做出規(guī)定，從檢測結(jié)果可以得出內(nèi)襯層內(nèi)壁的強(qiáng)度較外壁出現(xiàn)了明顯下降，內(nèi)襯層底部的強(qiáng)度較頂部出現(xiàn)了顯著下降，隨著服役時間的延長或壓力的波動，內(nèi)襯層底部將首先發(fā)生承壓不足導(dǎo)致的開裂。

內(nèi)襯層實(shí)際服役環(huán)境的溫度大于設(shè)計溫度及其維卡軟化溫度，處于超溫運(yùn)行狀態(tài)。維卡軟化溫度是評價材料耐熱性能、反映制品在受熱條件下物理力學(xué)性能的指標(biāo)之一，維卡軟化溫度越低，表明材料受熱時的尺寸穩(wěn)定性越差，熱變形越大，長期高溫環(huán)境會使PE材料剛度減小，彈性模量減小[7]。同時，內(nèi)襯層外壁至內(nèi)壁顏色越來越深，其底部內(nèi)壁顏色接近黑色，這表明油氣介質(zhì)在長期輸送中已大范圍擴(kuò)散至內(nèi)襯層內(nèi)部，發(fā)生了顯著的溶脹，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降[8-9]。內(nèi)襯層硬度檢測結(jié)果表明：內(nèi)襯層內(nèi)壁與油氣介質(zhì)直接接觸，其硬度比外壁的要?。簝?nèi)襯層底部內(nèi)壁顏色更深，其硬度小于頂部內(nèi)壁的硬度。通過拉伸性能測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯層底部的抗拉強(qiáng)度低于頂部的，表明內(nèi)襯層強(qiáng)度已產(chǎn)生局部下降。同時，該泄漏柔性復(fù)合管底部壁厚比頂部小約1.3 mm，進(jìn)一步表明管道底部屬于承壓的薄弱環(huán)節(jié)。

滌綸纖維(增強(qiáng)層)在高溫環(huán)境中會發(fā)生分子熱運(yùn)動，使其趨于無序性并發(fā)生結(jié)晶，隨著分子無序性的增加，長期高溫環(huán)境會使其抗拉強(qiáng)度明顯下降。齊國權(quán)等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，滌綸纖維可承受的最大載荷呈直線下降趨勢，見圖5。該泄漏柔性復(fù)合管增強(qiáng)層顏色為黑褐色，觸感堅(jiān)硬，而滌綸纖維通常為白色，且觸感柔軟，這表明油氣介質(zhì)已滲入增強(qiáng)層，削弱了滌綸纖維大分子間的作用力，使分子間距加大，孔隙增大，導(dǎo)致滌綸纖維的抗拉強(qiáng)度下降[11]。對柔性復(fù)合管斷口處增強(qiáng)層用手輕輕彎折時，增強(qiáng)層即發(fā)生部分?jǐn)嗔?，表明增?qiáng)層承壓能力已產(chǎn)生下降。

圖5 溫度對滌綸纖維斷后伸長率和最大承受載荷的影響曲線

綜上所述，該柔性復(fù)合管的運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于內(nèi)襯層的維卡軟化溫度，油氣介質(zhì)已滲入內(nèi)襯層和增強(qiáng)層，導(dǎo)致管道的承壓能力顯著下降，管道底部壁厚最薄處首先發(fā)生開裂，在內(nèi)壓作用下，管道逐層發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致管道撕裂，從而發(fā)生泄漏。

3 結(jié)論及建議

(1) 該柔性復(fù)合管的運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于設(shè)計溫度和內(nèi)襯層的維卡軟化溫度，在長期運(yùn)行過程中，油氣介質(zhì)滲入內(nèi)襯層和增強(qiáng)層內(nèi)部，導(dǎo)致管道的承壓能力顯著下降，管道底部壁厚最薄處首先發(fā)生開裂，在內(nèi)壓作用下，管道逐層發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致管道撕裂，從而發(fā)生泄漏。

(2) 建議降低該柔性復(fù)合管的運(yùn)行溫度，或更換耐溫性能更好的柔性復(fù)合管，如聚四氟乙烯內(nèi)襯層+芳綸纖維增強(qiáng)層的柔性復(fù)合管。