強海亮

（中聯(lián)煤層氣有限責任公司，山西晉城 048000）

管道運輸作為第五大運輸方式，具有經(jīng)濟效益高、安全性能好、節(jié)約土地資源和運輸效率高等優(yōu)勢，在石油天然氣等液體運輸、城市供暖及農(nóng)田灌溉等方面得到了廣泛應用［1-2］。在外部壓力及內(nèi)壓較大的情況下，通常選用金屬管道作為輸送管道，但是金屬管道存在耐腐蝕性能差、施工難度大及經(jīng)濟成本高等明顯的缺陷［3-4］。因此，聚烯烴管道等非金屬管道開始得到研究和應用，非金屬管道具有獨特的優(yōu)勢，如質量較輕、耐腐蝕性能好、運輸及施工成本低等，但是耐高溫性能及力學性能仍需進一步提高［5-6］。

隨著運輸需求及運輸環(huán)境復雜化程度的提高，對于運輸管道的要求也在不斷提高，從而促進了性能更加優(yōu)異的復合管道的研發(fā)和利用。增強熱塑性塑料管是近幾年發(fā)展起來的一種柔性復合管，其結構由內(nèi)向外分為內(nèi)襯層、增強層和外保護層，增強熱塑性塑料管的出現(xiàn)不僅解決了金屬管道腐蝕和非金屬管道力學性能差兩大難題，還能保證傳統(tǒng)運輸管道的優(yōu)異性能［7-9］，加之可盤卷運輸，施工方便，因此在油田、城市供水供氣等眾多領域得到了較為廣泛的應用。

為了保證管道的綜合性能，早期的增強熱塑性塑料管管壁較厚，因此生產(chǎn)成本較高，且以往對增強熱塑性塑料管的長期使用性能研究大多集中在數(shù)值模擬基礎之上，缺乏現(xiàn)場應用下的性能變化跟蹤研究。為了降低增強熱塑性塑料管的經(jīng)濟成本并擴展其應用范圍，本文研發(fā)了一種聚酯纖維增強熱塑性復合管（FRTP），在對FRTP承壓機理進行分析的基礎之上，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究FRTP在服役后的性能變化，分析FRTP的失效機理及性能劣化主要影響因素，現(xiàn)場試驗采用某段燃氣輸送段為背景，對在滿足管道安全服役條件下降低壁厚及生產(chǎn)成本具有重要的意義。

1 試樣制備與試驗

1.1 FRTP管道試樣制備

試驗所用的FRTP增強地面煤層氣熱塑性管道為委托河北省某油管有限公司制備，其主要結構如圖1所示。管道設計外徑為75.00mm，聚乙烯內(nèi)層厚度為5.00 mm，外層厚度為5.00mm；管道長度均為1.00m，設計公稱壓力均為4.0MPa。此外，在外層和內(nèi)層中間，夾有網(wǎng)狀分布的纖維強化層，纖維強化層所用材料為聚酯纖維，纖維平均直徑5μm。為研究FRTP增強管道的長期服役性能，選取同樣產(chǎn)自該公司并在某油田服役時間長達2年的FRTP管道展開試驗，統(tǒng)一截取長度均為1.00m。

圖1 FRTP增強管道結構示意圖Fig.1 Structural diagram of FRTP reinforced pipeline

1.2 試驗

本為深入研究FRTP增強地面煤層氣熱塑性復合管道綜合性能，參照相關規(guī)范，本次研究對新制備的和服役兩年的FRTP管道開展了室內(nèi)整管承壓性能試驗、內(nèi)層拉伸試驗以及邵氏硬度和維卡軟化溫度試驗。其中，利用拉伸試驗設備對FRTP整管和內(nèi)層開展拉伸試驗，利用邵氏硬度計對內(nèi)層開展邵氏硬度試驗，利用熱變形維卡軟化溫度儀對內(nèi)層展開維卡溫度測試。此外，取新制備FRTP管道內(nèi)層試樣和服役兩年FRTP管道內(nèi)層試樣開展上述內(nèi)層試驗，試樣如圖2所示。可以明顯看出，服役兩年后的內(nèi)層發(fā)生了明顯變化，其腐蝕現(xiàn)象明顯，管道內(nèi)層顏色由白色變化為淡黃色。

圖2 FRTP內(nèi)層材料試驗試樣Fig.2 Samples of FRTP inner layer material

2 FRTP性能研究

2.1 FRTP整管承壓性能研究

基于室內(nèi)拉伸試驗，對未服役及服役2年后的FRTP運輸管道進行整管承壓性能研究，以此表征管道的密封性及承受內(nèi)壓的性能。FRTP運輸管道進行整管承壓性能試驗結果如圖3所示。從圖中可以看出，未服役的FRTP管道保壓能力明顯好于服役兩年的FRTP管道，這表明在煤氣等因素的影響下，管道的工程性能確實出現(xiàn)了一定程度的劣化。此外，F(xiàn)RTP管未服役及服役2年后的靜水壓力值波動較小，均在4%以內(nèi)，能夠滿足工程管道長期服役的要求。在排除加壓設備誤差及環(huán)境溫度變化對測量結果的影響，也證明了FRTP管道的保壓效果良好，長期服役能力強。

圖3 FRTP管靜水壓試驗結果Fig.3 Hydrostatic test results of FRTP pipes

為了測試未服役及服役2年后的FRTP運輸管道承受內(nèi)壓的上限，對其進行爆破試驗，試驗結果見表1。從表1可知，未服役的FRTP管爆破壓力平均值為21.8MPa，而服役2年后的FRTP管爆破壓力平均值為19.1MPa，下降了12.39%，下降幅度相對較大。產(chǎn)生上述情況的原因可能是FRTP在服役的過程中會受到波動壓力的影響，使得纖維強化層與內(nèi)外層產(chǎn)生摩擦，導致纖維的分布甚至其完整性受到影響，因此爆破壓力下降幅度較大。

表1 FRTP管爆破試驗結果Table 1 Burst test results of FRTP pipe

依據(jù)SY/T6662.2-2020對未服役及服役2年后的FRTP運輸管道的抗拉性能進行測試，結果表明，未服役及服役2年后的FRTP管斷裂時的最大拉力分別為20.15kN和20.02kN，下降幅度極小，這是由于管道在運行過程中主要承受壓力作用；FRTP管在被拉斷時表現(xiàn)出的特征主要是內(nèi)部纖維的斷裂，當纖維斷裂時，整個管道發(fā)生失效。

2.2 FRTP管內(nèi)層性能研究

由FRTP管的失效機理可知，F(xiàn)RTP管的內(nèi)層在輸送介質的侵蝕和沖刷下易導致管道失效，為了充分研究內(nèi)層高密度聚乙烯在服役2年后的性能變化，將管道內(nèi)層單獨取出進行加工，通過室內(nèi)試驗研究其性能變化。

首先將未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層加工成啞鈴狀進行抗拉試驗，每種工況設置5組試樣，依據(jù)GB/T 1040-2006進行試驗，試驗結果見表2。

表2 FRTP內(nèi)層拉伸試驗結果Table 2 Tensile test results of FRTP inner layer

從表2可以看出，未服役FRTP管內(nèi)層材料的抗拉屈服強度和斷裂點應力均高于服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料，說明服役后的材料塑性變差，未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料抗拉屈服強度平均值分別為19.6MPa和15.4MPa，相比而言，服役2年后導致內(nèi)層材料的屈服強度下降了21.43%。

然后對未服役及服役2年后FRTP管內(nèi)層材料的邵氏硬度（GB/T 2411-2008）和維卡軟化溫度（GB/T 1633-2000）進行測試，結果見表3。材料的邵氏硬度是表征材料抵抗變形的重要指標，從表中數(shù)據(jù)可以看出，未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料邵氏硬度平均值分別為61.47度和44.37度，相比而言，服役2年后導致內(nèi)層材料的邵氏硬度下降了27.82%，這是因為FRTP管在服役過程中，內(nèi)層材料受到運輸介質的沖刷和侵蝕，導致其發(fā)生溶脹和鼓泡等現(xiàn)象，從而降低了內(nèi)層材料的硬度。

表3 FRTP內(nèi)層邵氏硬度和維卡軟化溫度測試結果Table 3 Test results of Shore hardness and Vicat softening temperature of FRTP inner layer

高密度聚乙烯在高溫下易軟化的性質導致其應用受到一定的限制，當FRTP管內(nèi)層材料受熱軟化時受到應力時可能會導致其性能下降，因此有必要對FRTP管內(nèi)層材料的維卡軟化溫度進行相關測試，從表3中的結果可以看出，未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料維卡軟化溫度平均值分別為69.43℃和65.28℃，相比而言，服役2年后導致內(nèi)層材料的維卡軟化溫度下降了5.98%，下降幅度較小，且軟化溫度遠在服役工況溫度之上，說明該材料能滿足工程需求，但是長時間的使用仍然存在一定的風險。

為了充分理解FRTP管內(nèi)層材料受運輸介質的影響，采用傅里葉紅外光譜對未服役及服役2年后的高密度聚乙烯內(nèi)層材料進行測試，結果如圖4所示。從圖中可以看出，未服役與服役2年后的高密度聚乙烯內(nèi)層材料均具有四個顯著的特征鋒(720、1460、2830、2900 cm-1)，波數(shù)由小到大分別為亞甲基搖擺震動峰、亞甲基彎曲震動峰、亞甲基對稱伸縮震動峰和亞甲基反對稱伸縮振動峰，這是聚乙烯材料固有的特征［10-11］。從圖中還可以看出，服役2年后的內(nèi)層材料官能團幾乎沒有變化，即化學成分變化較少。因此可以判斷，內(nèi)層材料的力學性能變化主要是由于輸送介質中水分的侵蝕作用導致材料發(fā)生溶脹和鼓泡等物理現(xiàn)象。

圖4 FRTP內(nèi)層紅外光譜測試結果Fig.4 Infrared spectrum test results of FRTP inner layer

3 FRTP失效機理分析

FRTP結構由內(nèi)而外分為內(nèi)層、纖維強化層和外層。內(nèi)層材料主要為聚合物，如高密度聚乙烯等，主要起到耐腐蝕的作用；纖維強化層材料主要為聚酯纖維，主要作用是增強管道的抗壓能力，聚酯纖維為偶數(shù)層反向纏繞于內(nèi)層之上，且纏繞方向要與管道軸向成55°左右的夾角；外層材料主要為聚乙烯，能起到保護纖維強化層及防磨損的作用。從FRTP不同結構及其作用可知，纖維強化層起著承擔主要荷載的作用，相比于內(nèi)層高密度聚乙烯材料而言，聚酯纖維因其具備較高的剛性而斷裂伸長率較低，因此在外部壓力作用下，F(xiàn)RTP管道的失效主要是由于其變形量超出了聚酯纖維的斷裂伸長率［12-13］，因此聚酯纖維的纏繞角度及排布狀態(tài)等對于保障FRTP管的抗壓和抗拉性能具有十分重要的作用，施工中一定要嚴格控制。外層材料的主要作用主要是防止管道外部腐蝕及抵抗紫外線，并不起到承受壓力的作用。除此之外，在FRTP使用過程中，內(nèi)層易受到運輸液體及某些酸性氣體的物理沖刷和化學腐蝕等作用，工作環(huán)境的溫度也會導致內(nèi)層的性能受到影響，從而降低內(nèi)層的密閉性及強度等，最終使得管道的服役性能降低［14-15］。因此，在評價FRTP管的使用性能和長期穩(wěn)定性的過程中，將重點關注FRTP管的整管承壓性能變化及內(nèi)層材料性能變化兩個角度。

4 結論

（1）FRTP管的主要承壓載體為聚酯纖維強化層，其失效模式主要分為強化層斷裂失效及內(nèi)層腐蝕失效兩種。

（2）FRTP整管性能研究表明，未服役及服役2年后的管道靜水壓力值波動均在4%以內(nèi)，保壓性能良好；抗拉性能變化幅度極?。环?年后的FRTP管短時水壓爆破壓力值下降了12.39%，但在安全范圍內(nèi)。承內(nèi)壓是判斷管道長期穩(wěn)定性的主要指標。

（3）FRTP內(nèi)層材料研究表明，服役2年后的內(nèi)層材料屈服強度、邵氏硬度和維卡軟化溫度分別下降了21.43%、27.82%和5.98%，結合傅里葉紅外光譜測試結果，表明內(nèi)層材料失效主要是由于在運輸介質的物理沖刷作用下材料的抗變形能力下降。