高含鹽CO2工況下環(huán)氧玻璃鋼管的環(huán)境兼容性

莊貴濤，樊學(xué)華，楊 陽，許立寧，谷 豐，路民旭

（1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，北京100085；2.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083）

高含鹽CO2工況下環(huán)氧玻璃鋼管的環(huán)境兼容性

莊貴濤1，樊學(xué)華1，楊 陽2，許立寧2，谷 豐1，路民旭2

（1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，北京100085；2.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083）

采用DN100芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼管材為試驗研究對象，在實驗室條件下進(jìn)行模擬高鹽度、不同溫度下CO2介質(zhì)環(huán)境中的老化試驗，并通過測定分析玻璃鋼管材老化前后的環(huán)向拉伸斷裂強(qiáng)度、巴氏硬度等性能的變化，研究了不同的鹽度及溫度對玻璃鋼管材物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，溫度、鹽度等因素對于玻璃鋼的拉伸強(qiáng)度和巴氏硬度影響不大。

玻璃鋼管道；環(huán)境兼容性；環(huán)向拉伸斷裂強(qiáng)度；巴氏硬度

環(huán)氧玻璃鋼管（Glass Reinforced Epoxy，縮寫為GRE）是玻璃纖維增強(qiáng)塑料的一種，是指用玻璃纖維增強(qiáng)特定的樹脂而形成的復(fù)合材料［1］，玻璃鋼管道質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐蝕性好、絕緣耐溫性能優(yōu)良，具有良好的工藝性和可設(shè)計性等特點，在供水、儲油、輸油等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［2-6］，在部分油田的采出系統(tǒng)管道也得到推廣和應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

但玻璃鋼在油田系統(tǒng)中應(yīng)用，也出現(xiàn)了各種問題，造成失效［7-12］。GRE是高分子復(fù)合材料，具有易老化的缺點，因長期在高溫、高潮濕狀態(tài)下工作，其強(qiáng)度下降很快。因此關(guān)于GRE管材在高鹽度、不同溫度的CO2介質(zhì)環(huán)境中的抗老化能力的研究具有十分重要的意義。

本工作采用DN100芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼管材為試驗研究對象，在實驗室條件下進(jìn)行模擬高鹽度、不同溫度下CO2介質(zhì)環(huán)境中老化試驗，并對老化前后的環(huán)氧玻璃鋼管材進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、巴氏硬度分析測試，研究玻璃鋼管的抗老化能力。

1 試驗

1.1 試驗材料和設(shè)備

選用DN 100 mm芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼管作為試驗材料，材料主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中R代表：

圖1 DN 100 mm芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼管材主要結(jié)構(gòu)Fig.1 The main structure of GRE pipe（DN100）cured by aromatic amine

根據(jù)NACE TM0298標(biāo)準(zhǔn)［13］，將玻璃鋼管段切割成7根600 mm長的管段（如圖2），作為環(huán)境兼容（老化）試驗試樣；并將每段管段相毗鄰處切割200 mm長的管段7段，作為對比（未老化）試樣。環(huán)境兼容試驗完成后，根據(jù)ASTM D2290標(biāo)準(zhǔn)［14］將每段已老化以及未老化的管段切割成圓環(huán)試樣（如圖3），作為環(huán)向拉伸試驗試樣。

圖2 環(huán)境兼容試驗管段Fig.2 Test pipes of environmental compatibility experiment

圖3 環(huán)向拉伸強(qiáng)度試樣Fig.3 Test specimen of tensile strength

環(huán)境兼容試驗裝置采用自制密封裝置，裝置分為三部分，包括上下兩端堵頭和螺旋拉桿（如圖4、圖5）。試驗溫度參數(shù)由熱電偶和溫度控制箱控制，試驗過程中壓力參數(shù)控制由加壓泵和減壓閥實現(xiàn)。環(huán)境兼容試驗后，DN100芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼管老化前后力學(xué)性能損失測試設(shè)備為萬能拉伸試驗機(jī)以及巴氏硬度計。

1.2 試驗條件及方法

環(huán)境兼容試驗條件列于表1，試驗溶液成分列于表2，pH=5.2，通過NaCl調(diào)節(jié)鹽含量。

圖4 自制試驗裝置上下堵頭Fig.4 The upper and under plugs of experimental device

圖5 試驗裝置通氣Fig.5 Ventilating to experimental device

表1 環(huán)境兼容試驗條件Tab.1 Test parameters of environmental compatibility experiment

表2 試驗溶液的主要成分Tab.2 Composition of test solution

環(huán)境兼容試驗后，進(jìn)行環(huán)向拉伸強(qiáng)度測試和斷口分析。環(huán)向拉伸測試加載速率為2 mm/min。拉伸試驗夾具根據(jù)ASTM D2290標(biāo)準(zhǔn)［14］制作，如圖6。試驗結(jié)束后，觀察斷口形貌。測試腐蝕前后試樣的巴氏硬度變化，巴氏硬度計型號為HBA-1。

圖6 拉伸試驗夾具模型Fig.6 The model of tensile test fixture

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃鋼管材的性能分析

2.1.1 環(huán)向拉伸斷裂宏觀形貌

環(huán)向拉伸強(qiáng)度是玻璃鋼管道力學(xué)性能的重要參數(shù)。按照ASTM D2290標(biāo)準(zhǔn)［14］的方法采用萬能拉伸試驗機(jī)以2 mm/min的加載速率測定老化前后芳胺固化玻璃鋼管材的拉伸強(qiáng)度，拉伸試樣斷裂如圖7所示。由圖可知，未腐蝕試樣與各種工況下腐蝕試樣的斷裂形式基本相同，試件均在開始斷裂前發(fā)生了外圓表層的脫粘和剝落現(xiàn)象。

圖7 DN 100芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼試樣老化前后斷裂形貌Fig.7 The fracture macro-morphology of GRE specimens（DN100）cured by aromatic amine before and after ageing

2.1.2 環(huán)向拉伸斷裂強(qiáng)度

未老化試樣的環(huán)向拉伸斷裂強(qiáng)度結(jié)果如表3所示，老化試樣在不同溫度并四種不同鹽度的CO2飽和溶液中老化后測定的環(huán)向斷裂強(qiáng)度如表4所示。由表3可知，未老化試樣的拉伸斷裂平均值為383.79 MPa。表4中各種工況下測試的三個試樣的平均環(huán)向拉伸強(qiáng)度值相差很小。由老化及未老化試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度結(jié)果可知，兩者的數(shù)值差異很小。因此，在該CO2介質(zhì)中，溫度、鹽度的工況對玻璃鋼環(huán)向拉伸強(qiáng)度影響很小。

2.2 巴氏硬度分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3854［16］，使用HBa-1型巴氏硬度計測試?yán)匣昂蠓及饭袒h(huán)氧玻璃鋼管材的內(nèi)表面巴氏硬度。未老化試樣的巴氏硬度試驗結(jié)果見表5。試樣在不同溫度并不同鹽度的CO2飽和溶液中老化后測試的巴氏硬度如表6所示。由表6可知，溫度對芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼的巴氏硬度影響很小，同時，鹽度對芳胺固化環(huán)氧玻璃鋼管的巴氏硬度的影響也很小。這一結(jié)果與玻璃鋼試樣環(huán)向拉伸斷裂宏觀形貌、拉伸斷裂強(qiáng)度結(jié)果相吻合。

2.3 討論

在40℃、鹽度300 g/L，55℃、鹽度300 g/L，70℃、鹽度300 g/L，90℃、鹽度300 g/L以及85℃、鹽度100 g/L，85℃、鹽度200 g/L，85℃、鹽度350 g/L，7種試驗條件下，在200 kPa的CO2飽和溶液介質(zhì)中，經(jīng)過環(huán)向拉伸斷裂后，宏觀斷口形貌基本相同，環(huán)向斷裂強(qiáng)度變化很小，并且老化后及未老化的試樣斷口形貌也基本相同。老化后玻璃鋼管材的斷裂強(qiáng)度沒有明顯減小，斷口形貌沒有明顯差異，說明該玻璃鋼管材具備很高的抗老化能力。對試樣進(jìn)行巴氏硬度測試，結(jié)果表明，巴氏硬度變化很小，并且老化后及未老化的試樣巴氏硬度的變化也很小。老化后玻璃鋼管材的巴氏硬度沒有明顯減小說明該玻璃鋼管材具備很高的抗老化能力。

表3 未老化試樣環(huán)向拉伸斷裂強(qiáng)度Tab.3 Tensile fracture strength of specimens before ageing

表4 已老化試樣環(huán)向拉伸斷裂強(qiáng)度Tab.4 Tensile fracture strength of specimens after ageing

表5 未老化試樣巴氏硬度值Tab.5 Barcol hardness values of specimens before ageing

表6 已老化試樣巴氏硬度值Tab.6 Barcol hardness values of specimens after ageing

3 結(jié)論

利用環(huán)境兼容性試驗，研究了環(huán)境溫度、鹽度等因素對于試驗玻璃鋼管材老化程度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在CO2分壓200 kPa，溫度85℃，100～350 g/L鹽含量范圍內(nèi)進(jìn)行老化試驗，玻璃鋼管材的環(huán)向拉伸強(qiáng)度、巴氏硬度無明顯變化，該玻璃鋼管材在高鹽度CO2介質(zhì)環(huán)境中的抗老化能力很強(qiáng)。

（2）在CO2分壓200 kPa，鹽含量300 g/L，40℃～90℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行老化試驗，玻璃鋼管材的環(huán)向拉伸強(qiáng)度、巴氏硬度無明顯變化，該玻璃鋼管材在高溫CO2介質(zhì)環(huán)境中的抗老化能力很強(qiáng)。

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Environmental Compatibility of GRE Pipes in High-salty and CO2Conditions

ZHUANG Gui-tao1，F(xiàn)AN Xue-hua1，YANG Yang2，XU Li-ning2，GU Feng1，LU Min-xu2
（1.China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Beijing，Beijing 100085，China；2.Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Glass Reinforced Epoxy（GRE）pipes（DN100）cured by aromatic amine were tested in the ageing environment containing salt of high concentration at different temperatures.By measuring the change of properties before and after ageing，iccluding hoop tensile fracture strength，Barcol hardness etc.，the effects of salt concentration and temperature on the mechanical properties of GRE pipes were studied.The results showed that factors such as temperature and salinity had little effect on the hoop tensile fracture strength and Barcol hardness of GRE.

GRE；environmental compatibility；hoop tensile fracture strength；Barcol hardness

TB332

A

1005-748X（2015）09-0824-04

10.11973/fsyfh-201509006

2014-12-19

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項項目（2011E-2503）

樊學(xué)華（1985-），工程師，碩士，從事油田地面工程焊接、材料選擇及腐蝕防護(hù)方面的研究和設(shè)計工作，13811858344，fanxuehua＠cpebj.com