玻璃鋼管在濕含H2S天然氣集輸中的應(yīng)用評(píng)價(jià)

但 濤 李林輝 何炆憶 施岱艷 崔 磊 宋 亮 姜 放

1. 中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦, 四川 瀘州 646000; 2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 3. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性油氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室, 四川 成都 610041; 4. 中國(guó)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(guó)每年有大量的金屬管道因腐蝕報(bào)廢需要更換,一些復(fù)雜腐蝕油氣田集輸管道甚至幾個(gè)月就腐蝕穿孔,腐蝕造成的管道經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)數(shù)百億元人民幣[1-5]。而非金屬管無(wú)內(nèi)外涂層、無(wú)陰極保護(hù)、無(wú)需焊接,安裝、挖溝、回填費(fèi)用低,總體投資成本低;同時(shí),非金屬管本身所固有的耐腐蝕性,降低了操作維護(hù)費(fèi),可在全壽命周期內(nèi)大大降低成本。國(guó)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(yīng)用也逐年增多[6-13]。

目前,玻璃鋼管是油氣田應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、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(shè)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(diǎn)是耐溫性能高、價(jià)格較低,缺點(diǎn)是接頭性能和抗沖擊性能差[18-20]。

蜀南氣礦五打線(以下簡(jiǎn)稱五打線)玻璃鋼管輸送原料氣從2003年運(yùn)行至今,經(jīng)過(guò)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(yàn)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(duì)五打線現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行玻璃鋼管進(jìn)行取樣檢測(cè),研究了玻璃鋼管的硬度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彎曲強(qiáng)度、短時(shí)失效壓力等隨使用時(shí)間而衰減的程度以及變化規(guī)律,分析了玻璃鋼管在長(zhǎng)期應(yīng)力狀態(tài)下腐蝕性天然氣環(huán)境對(duì)使用性能的影響,進(jìn)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(yùn)前,檢測(cè)了玻璃鋼管性能,投運(yùn)前的規(guī)格和性能見(jiàn)表1。2004年7月,分別對(duì)五3井試驗(yàn)段和五打線玻璃鋼管進(jìn)行了科研試驗(yàn),測(cè)試了接頭短時(shí)失效壓力和耐蝕層材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。2005年11月,對(duì)五打線的埋地管道6″SFH-5.5 IJ(1″=25.4 mm)進(jìn)行了取樣檢測(cè),2016年11月,取樣玻璃鋼管為6″SFH-5.5 IJ的線路埋地管道,運(yùn)行周期164月。

表1 五打線玻璃鋼管投運(yùn)前的規(guī)格和性能

規(guī)格制造商平均壁厚/ mm壓力等級(jí)/MPa樹脂類型樹脂的固化劑固化度/℃軸向拉伸強(qiáng)度 /MPa 6″SFH-5.5 IJ哈爾濱斯達(dá)玻璃鋼有限公司4.15.5環(huán)氧樹脂酸酐類固化劑12073

2 評(píng)價(jià)內(nèi)容

結(jié)合SY/T 6267《高壓玻璃纖維管線管規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱SY/T 6267)和SY/T 6770.1《非金屬管材質(zhì)量驗(yàn)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(qiáng)纖維等方面的變化來(lái)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(píng)價(jià)內(nèi)容如下:

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

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

3)硬度試驗(yàn):按GB/T 3854-2005《增強(qiáng)塑料巴柯?tīng)栍捕仍囼?yàn)方法》規(guī)定，進(jìn)行巴氏硬度測(cè)定,測(cè)試設(shè)備為HBα-1型巴氏硬度計(jì)。

4)拉伸強(qiáng)度:按照GB/T 5349-2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 5349-2005)規(guī)定，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試。

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

6)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度:用差示掃描量熱法(DSC)測(cè)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(jiàn)圖1～2；玻璃鋼管(在役)的外觀檢查結(jié)果見(jiàn)表2。在役玻璃鋼管外表面無(wú)明顯缺陷或損傷,內(nèi)表面光滑,無(wú)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(wú)熱分解引起的表面變形或變色無(wú)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(jiàn)層壓材料表面和表面下的細(xì)小裂紋肉眼未見(jiàn)層壓材料表面和表面下的細(xì)小裂紋纖維斷裂表面未見(jiàn)增強(qiáng)材料暴露表面未見(jiàn)增強(qiáng)材料暴露干斑點(diǎn)無(wú)表面薄膜不完整的區(qū)域無(wú)表面薄膜不完整的區(qū)域斷裂無(wú)層間分離無(wú)層間分離針孔表面針孔深度目測(cè)未到增強(qiáng)纖維層表面針孔深度目測(cè)未到增強(qiáng)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(qiáng)材料未暴露表面有劃痕,增強(qiáng)材料未暴露流體阻力管內(nèi)壁表面光滑,未見(jiàn)膠、結(jié)塊等管內(nèi)壁表面光滑,未見(jiàn)膠、結(jié)塊等

3.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

采用DSC方法測(cè)定在役玻璃鋼管的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,測(cè)定結(jié)果顯示在酸性環(huán)境服役164個(gè)月后,玻璃鋼管的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為116 ℃。結(jié)合歷次測(cè)試數(shù)據(jù),運(yùn)行164個(gè)月后,五打線現(xiàn)場(chǎng)玻璃鋼管的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)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(yùn)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(cè)試

玻璃鋼管硬度測(cè)試采用巴氏硬度計(jì),2016年11月取樣的玻璃鋼管硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。玻璃鋼管巴氏硬度均值為56.6,各部位測(cè)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(cè)試編號(hào)測(cè)試結(jié)果測(cè)試編號(hào)測(cè)試結(jié)果測(cè)試編號(hào)測(cè)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(yùn)行周期/月現(xiàn)場(chǎng)取樣管硬度硬度保留率/()070-327010016456.681

3.4 接頭短時(shí)失效壓力測(cè)試

對(duì)2016年11月現(xiàn)場(chǎng)取得的玻璃鋼管道螺紋連接頭進(jìn)行水壓爆破測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～4。從玻璃鋼管接頭的爆破試驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(yàn)

圖4 接頭短時(shí)失效破壞

玻璃鋼管的短時(shí)失效壓力正比于結(jié)構(gòu)層的等效厚度和結(jié)構(gòu)層材料的極限拉伸強(qiáng)度。五打線玻璃鋼管投運(yùn)后進(jìn)行了三次取樣短時(shí)失效壓力測(cè)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(jiàn)圖5。從圖5測(cè)試結(jié)果來(lái)看,該線路玻璃鋼管在使用期間短時(shí)失效壓力沒(méi)有明顯下降,與使用前的測(cè)試值相近,表明使用超過(guò)164月后,該玻璃鋼管接頭承壓能力沒(méi)有下降。2016年11月,從管體上也取了兩段管段進(jìn)行了短時(shí)失效壓力測(cè)試,最低短時(shí)失效壓力19.2 MPa。

圖5 五打線玻璃鋼管接頭短時(shí)失效壓力隨運(yùn)行時(shí)間的變化

3.5 玻璃鋼管的軸向拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

表6 五打線玻璃鋼管拉伸強(qiáng)度保留率

運(yùn)行周期 /月拉伸強(qiáng)度 /MPa拉伸強(qiáng)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(shè)計(jì)用于含H2S的氣液混輸,設(shè)計(jì)壓力4 MPa,但埋地玻璃鋼管道廠方設(shè)計(jì)壓力5.5 MPa,接頭短時(shí)失效壓力24 MPa,設(shè)計(jì)壽命20年?；谶\(yùn)行期內(nèi)的兩次測(cè)試數(shù)據(jù)及管道原始數(shù)據(jù),對(duì)該管道的壓力等級(jí)進(jìn)行了研究。

玻璃鋼管螺紋接頭短時(shí)失效壓力與投運(yùn)前的測(cè)試值接近(甚至略高),表明管材耐壓能力沒(méi)有下降,與投運(yùn)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(yùn)行壓力在1.5 MPa以下?，F(xiàn)役玻璃鋼管接頭短時(shí)失效壓力24.2 MPa,管體的最低短時(shí)失效壓力19.2 MPa。

對(duì)于輸水用非金屬管,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,短時(shí)失效壓力應(yīng)大于3倍公稱壓力,而輸送氣體介質(zhì),目前的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確的短時(shí)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(shí)失效壓力應(yīng)比輸水時(shí)的短時(shí)失效壓力要求更高,至少應(yīng)為4.5倍公稱壓力。

接頭的壓力等級(jí):

管體的壓力等級(jí):

由此可見(jiàn),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(yuǎn)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(duì)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(cè)試結(jié)果可看出，其基體樹脂的性能隨運(yùn)行時(shí)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(shí)失效壓力和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，其耐壓能力和拉伸強(qiáng)度保留率較高,性能下降不明顯,表明流體對(duì)管道強(qiáng)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(yīng)適當(dāng)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(guò)壓力計(jì)算,五打線玻璃管仍可在目前的服役條件下安全使用。