高溫高壓條件下柔性復(fù)合管評價(jià)方法研究*

齊國權(quán) 戚東濤 魏 斌 李厚補(bǔ) 丁 楠 蔡雪華 張冬娜

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

0 引 言

典型柔性復(fù)合管為三層結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層為內(nèi)襯層，起到密封和耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕的作用，通常采用聚乙烯(PE)、尼龍(PA)和聚偏氟乙烯(PVDF)等熱塑性塑料;中間層為增強(qiáng)層，起到承擔(dān)管道內(nèi)壓強(qiáng)度的作用，通常采用滌綸、芳綸纖維或鋼絲作為增強(qiáng)材料;最外層為外保護(hù)層，起到防止磨損和抗紫外線老化的作用［1～3］。服役溫度和承內(nèi)壓是制約非金屬管使用的主要因素，國內(nèi)某油田在推廣使用柔性復(fù)合管的過程中，就曾多次發(fā)生溫度過高造成非金屬管道失效的事故。這是由于不同類型內(nèi)襯層及增強(qiáng)層材料的承載能力、溫度適用范圍、流體相容性以及材料的老化性能等都不盡相同所導(dǎo)致［4，5］。還有，國內(nèi)柔性復(fù)合管標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 6662.2)中規(guī)定的評價(jià)試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，不能表征管材在高溫下性能。

因此，在針對目前高溫高壓復(fù)雜工況，必須根據(jù)柔性復(fù)合管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合高溫高壓應(yīng)用環(huán)境，開展柔性復(fù)合管高溫高壓適用性評價(jià)方法研究，方能為后期運(yùn)行提供保障及降低事故率。本文參照目前國內(nèi)外柔性復(fù)合管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對柔性管耐高溫評價(jià)技術(shù)研究，并對關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行量化。

1 性能要求及評價(jià)內(nèi)容

柔性復(fù)合管應(yīng)滿足以下最低整體性能要求:管道應(yīng)具備流體密封性;管道應(yīng)在整個(gè)服役壽命過程中保持其功能;材料應(yīng)與應(yīng)用環(huán)境具有相容性;以及接頭與管體的性能一致［6］。

在對柔性復(fù)合管評價(jià)中，應(yīng)至少包括以下三方面內(nèi)容:內(nèi)襯層的高溫力學(xué)性能及耐介質(zhì)性能，增強(qiáng)層的高溫力學(xué)性能以及整管(包括連接結(jié)構(gòu))的高溫力學(xué)性能、高溫密封性和耐介質(zhì)性能。

2 材料選擇與評價(jià)

2.1 聚合物內(nèi)襯層

目前最常用的內(nèi)襯材料為聚乙烯(PE)，低密度聚乙烯(LDPE)，中密度聚乙烯(MDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，交聯(lián)聚乙烯(PEX)，耐熱性聚乙烯(PE -RT)以及偏氟聚乙烯(PVDF)。根據(jù)各個(gè)內(nèi)襯層材料的熔點(diǎn)及維卡軟化溫度［7、8］，它們的最高使用溫度能力如下:

PVDF(130℃)＞PE - RT(90℃)＞PEX(70℃)＞HDPE

(60℃)＞MDPE(50℃)＞LDPE(40℃)。在選定適合工況溫度要求的內(nèi)襯層后，還應(yīng)進(jìn)行如下材料性能檢測。檢測項(xiàng)目以及方法可參考API Spec 17J 以及ISO 23936-1 標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)程進(jìn)行，具體要求見表1 所述。

2.2 增強(qiáng)層

柔性復(fù)合管高溫下的力學(xué)性能取決于其組分的性能，更大程度上取決于增強(qiáng)纖維在高溫下的力學(xué)性能，增強(qiáng)層及其所有粘合劑應(yīng)在給定服役條件下的整個(gè)使用壽命周期內(nèi)保持完好。復(fù)合管設(shè)計(jì)與選材應(yīng)考慮構(gòu)層的短期/長期承載能力、溫度適用范圍、流體相容性以及所有材料的老化性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前較常用的增強(qiáng)層材料有以下四種:滌綸工業(yè)長絲、芳綸長絲、超高分子量聚乙烯長絲和增強(qiáng)鋼絲繩等。

表1 聚合物內(nèi)襯材料的檢測項(xiàng)目與試驗(yàn)方法

針對增強(qiáng)層在管材服役性能中所起作用，主要進(jìn)行增強(qiáng)纖維拉伸性能評價(jià)測試，尤其應(yīng)進(jìn)行高溫條件下評價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 14337 -2008。

2.3 外保護(hù)層

外保護(hù)層應(yīng)在給定服役條件下的整個(gè)使用壽命期內(nèi)保持其功能完整性。當(dāng)現(xiàn)場需要或者買方要求時(shí)，制造商應(yīng)以文件形式說明其承受安裝載荷和使用環(huán)境(如紫外線，磨損等)的能力。目前所用的外保護(hù)層基本上都是管道級的PE。

3 柔性復(fù)合管整管適應(yīng)性評價(jià)方法

3.1 靜水壓試驗(yàn)

試樣經(jīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)后，觀察在規(guī)定的恒定靜液壓下保持一個(gè)規(guī)定時(shí)間后管材是否出現(xiàn)滲漏、破裂等失效形式。試驗(yàn)壓力值為公稱壓力的1.5 倍，試驗(yàn)溫度為該管材服役溫度上限值。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，試樣應(yīng)保持在規(guī)定的恒溫環(huán)境中，這個(gè)恒溫環(huán)境可以是水(水-水試驗(yàn))，其他液體(水-液體試驗(yàn))或者是空氣(水-空氣試驗(yàn))。

試樣尺寸要求為:當(dāng)管材公稱外徑Dn≤315 mm 時(shí)，每個(gè)試樣在兩個(gè)密封接頭之間的自由長度Lo 應(yīng)不小于試樣外徑的三倍，但最小不得小于250 mm;當(dāng)管材Dn ＞315 mm 時(shí)，其最小自由長度Lo ＞1 000 mm。

結(jié)果判定依據(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》規(guī)定:在試驗(yàn)溫度下，以公稱壓力的1.5 倍進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，保壓4 h，管體無破裂、無滲漏，壓降小于4%。

3.2 瞬時(shí)水壓爆破強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)按GB/T 15560 的規(guī)定進(jìn)行。需要注意的是管材試樣制作要求及瞬時(shí)爆破時(shí)間控制。

除非另有要求，管材試樣制作要求如下。試樣為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，針對流體輸送用塑料管材，當(dāng)公稱外徑D ＜160 mm 時(shí)，試樣在兩個(gè)密封接頭之間的有效長度L≥5D，但不小于300 mm;當(dāng)D≥160 mm 時(shí)，L≥3D，但不小于760 mm。對于玻璃纖維管線管，當(dāng)公稱外徑D≤150 mm 時(shí)，試樣在兩個(gè)密封接頭之間的有效長度L≥5D，但不小于300 mm;當(dāng)D ＞150 mm 時(shí)，L≥3D，但不小于750 mm。

對于瞬時(shí)爆破試驗(yàn)，要求施壓裝置有足夠的加壓能力，并且利用計(jì)時(shí)裝置計(jì)時(shí)，能夠在60 s ～70 s 內(nèi)完成試樣爆破。對試樣施加試驗(yàn)壓力。瞬時(shí)爆破試驗(yàn)時(shí)，連續(xù)均勻地、快速地對試樣施加壓力，并同時(shí)開始計(jì)時(shí)直至試樣破裂為止。如果試樣在60 s 內(nèi)破裂，則降低施壓速度，重復(fù)試驗(yàn)，直到試樣在60 s ～70 s 內(nèi)破裂為止。最后，記錄試樣破裂時(shí)的壓力和時(shí)間及試樣的破裂狀態(tài)，完成試驗(yàn)。

SY/T 6662.2《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》規(guī)定:爆破壓力不應(yīng)小于3.0倍公稱壓力。

3.3 1 000 h 存活試驗(yàn)

在1 000 h 存活試驗(yàn)中，首先應(yīng)確定的是存活試驗(yàn)壓力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6794 -2010，通過服役溫度下爆破強(qiáng)度與設(shè)計(jì)壽命下最大工作壓力(公稱壓力)確定的置信下限，見圖1。通過斜率確定1 000 h 下對應(yīng)的壓力值，此值即為1 000 h 存活試驗(yàn)壓力值。試驗(yàn)溫度為服役狀態(tài)下溫度。

圖1 確定LCL、MPR、MSP 的示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6794 -2010 要求，兩個(gè)樣本均應(yīng)通過1 000 h 試驗(yàn)，如果有一個(gè)失效，則應(yīng)進(jìn)行全部的產(chǎn)品族評定試驗(yàn)。

3.4 接頭的氣密性試驗(yàn)

每種形式的接頭應(yīng)具有良好的氣密性。對每一種形式的接頭，應(yīng)對兩個(gè)管接頭加壓，介質(zhì)是空氣或氮?dú)?，壓力為工作壓力?/10，保壓至少6 h，并在保壓開始和結(jié)束時(shí)檢查是否有泄漏。然后將壓力增大至工作壓力，保壓至少6 h，最后泄壓，上述過程應(yīng)重復(fù)3 次。在最大和最小工作溫度下進(jìn)行試驗(yàn)均應(yīng)無泄漏現(xiàn)象，試驗(yàn)中可以采用肥皂水溶液或采用其他合適方法觀察泄漏。

3.5 最小彎曲半徑

工作狀態(tài)下的最小彎曲半徑應(yīng)由制造商確定并對產(chǎn)品族代表在評定試驗(yàn)溫度下SY/T 6794 -2010 中5.1.3 所述的1 000 h 存活試驗(yàn)進(jìn)行評定。試樣數(shù)量為2 根，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膴A具固定以保持試樣處于最小彎曲半徑狀態(tài)。

3.6 外部壓力

制造商應(yīng)規(guī)定管道能承受的最大外壓。承受外載荷的性能可以按ASTM D2412 規(guī)定的平行板外載壓扁試驗(yàn)來確定。目前主要是用于說明管道在濕地中的應(yīng)用特性，而不是在海底應(yīng)用特性。

4 結(jié) 語

針對高溫高壓環(huán)境下用柔性復(fù)合管材料，應(yīng)考慮各層所承擔(dān)的功能進(jìn)行選材，并進(jìn)行相關(guān)理化性能、熱性能及介質(zhì)相容性等評價(jià)。其中柔性復(fù)合管耐高溫高壓性能從內(nèi)襯層、增強(qiáng)層及整管三方面進(jìn)行評價(jià)。通過高溫高壓條件下柔性復(fù)合管評價(jià)方法研究，不僅為各大油田柔性復(fù)合管選材與應(yīng)用提供指導(dǎo)作用，而且為今后特殊工況下柔性復(fù)合管應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)具有探索意義。

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