基于事故樹法的玻璃鋼管線失效評價(jià)

梁苗

摘 要：玻璃鋼管線因其優(yōu)異的耐腐蝕性被廣泛用于石油開采業(yè)，但使用中常發(fā)生失效現(xiàn)象。首先全面分析了玻璃鋼管線的結(jié)構(gòu)、性能、成型工藝。然后，著重闡釋了玻璃鋼管線失效的主要影響因素、影響方式，據(jù)此繪制了玻璃鋼管線失效的事故樹。最后，根據(jù)所繪事故樹進(jìn)行定性分析求出最小割集、徑集和結(jié)構(gòu)重要度，發(fā)現(xiàn)界面粘結(jié)力和高溫高濕環(huán)境對管線失效的影響最大，然后是耐腐蝕性力學(xué)性能等其他因素影響，從而提出具體改善措施。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼管線;事故樹;風(fēng)險(xiǎn)評價(jià);失效

0 引言

玻璃鋼即玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP），一般是指用玻璃纖維或其成品作為增強(qiáng)材料來加強(qiáng)合成樹脂基體的復(fù)合材料。玻璃纖維增強(qiáng)塑料的主要成分是玻璃纖維增強(qiáng)材料、樹脂基體和固化劑，樹脂常用的類別有聚酯樹脂、酚酞樹脂及環(huán)氧樹脂等，而玻璃纖維又可以分為無堿、中堿和高堿玻璃纖維等。玻璃鋼的結(jié)構(gòu)單元為纖維、基體、界面三個部分。玻璃鋼的原材料易得，且能良好地抵抗酸、堿、鹽等各類腐蝕介質(zhì)的腐蝕，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、性能穩(wěn)定及可設(shè)計(jì)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

如今，玻璃鋼已成功發(fā)展出玻璃鋼罐、玻璃鋼管和玻璃鋼塔器等多種產(chǎn)品類型。其中玻璃鋼管（Glass Fiber Reinforced Plastic Pipe，GFRPP），其成型工藝主要有手糊法、離心鑄造法和纖維纏繞法。一般玻璃鋼管的管壁是由功能層（內(nèi)襯層和外保護(hù)層）和結(jié)構(gòu)層（承載層）組成，從里向外的管壁結(jié)構(gòu)依次為內(nèi)襯層、纏繞層、樹脂砂漿層、纏繞層和外防腐層。外防腐層起防外介質(zhì)腐蝕和摩擦碰撞的作用，內(nèi)襯層起防內(nèi)介質(zhì)腐蝕和滲漏的作用，內(nèi)襯層為純樹脂，內(nèi)表面厚度不小于0.5mm，內(nèi)表面和次內(nèi)層厚度不小于1.2mm;樹脂漿砂層兩側(cè)的以纖維纏繞的結(jié)構(gòu)層含有多達(dá)超過70%的玻璃纖維，保障了玻璃鋼管的強(qiáng)度;最中間的樹脂夾砂層是低應(yīng)力區(qū)，此層加入石英砂，可以提高剛度且并降低制造成本 。玻璃鋼管道因它獨(dú)特的優(yōu)異性在石油、供水及化工等各行各業(yè)的發(fā)展十分迅速。特別是在石油方面，國內(nèi)外已進(jìn)入二次和三次采油階段，不得不運(yùn)用高壓注水的方式來補(bǔ)充地層的能量，但注入水含大量H2S、CO2及Cl-會加劇對鋼管道的腐蝕，造成水質(zhì)二次污染且使鐵離子降解易使管道結(jié)垢，嚴(yán)重影響石油的開采，因此傳統(tǒng)金屬管線的腐蝕結(jié)垢問題日益突出。而玻璃鋼管與常見的碳鋼管、不銹鋼管相比有耐腐蝕強(qiáng)、不發(fā)生電化學(xué)腐蝕、不會造成二次污染、不結(jié)垢、流體阻力小且使用年限長等優(yōu)點(diǎn)，開始在石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用，成為解決國內(nèi)外油田腐蝕的新型產(chǎn)品。玻璃鋼管線雖然較傳統(tǒng)管線相比有良好的耐腐蝕性、水力學(xué)性和化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以有效解決國內(nèi)外油田開發(fā)中的腐蝕性問題，但隨著玻璃鋼管線的大量應(yīng)用和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，玻璃鋼管線也逐漸暴露出一些弊端，出現(xiàn)失效現(xiàn)象，導(dǎo)致重大財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響社會安全穩(wěn)定。

因此，首先，全面分析了玻璃鋼管線的結(jié)構(gòu)、性能、成型工藝。然后，著重闡釋了玻璃鋼管線失效的主要影響因素、影響方式，據(jù)此繪制了玻璃鋼管線失效的事故樹。最后，根據(jù)所繪事故樹進(jìn)行定性分析求出最小割集、徑集和結(jié)構(gòu)重要度，發(fā)現(xiàn)界面粘結(jié)力和高溫高濕環(huán)境對管線失效的影響最大，然后是耐腐蝕性力學(xué)性能等其他因素影響，從而提出改善措施。

1 玻璃鋼管線失效行為研究

根據(jù)GFRP管線失效的相關(guān)資料分析研究發(fā)現(xiàn)，造成其失效的主要影響因素為：管線使用環(huán)境的溫度和濕度、運(yùn)行壓力、土壤腐蝕、輸送介質(zhì)腐蝕、玻璃鋼的界面粘結(jié)力、原材料選擇、管線的成型工藝、接頭連接方式、第三方破壞和誤操作等。

1.1 環(huán)境溫度和濕度的影響

高溫和高濕的給合會對降低玻璃鋼的性能。在高溫高濕環(huán)境下，樹脂基體比玻璃纖維受到影響更大，高溫高濕會導(dǎo)致樹脂聚合物基體內(nèi)存留水分，不僅使其重量增加，而且使聚合物體基材料膨脹，產(chǎn)生濕熱應(yīng)變，即濕熱效應(yīng)。分析發(fā)現(xiàn)同一種樹脂基體在溫度一定時(shí)，含水量高的樹脂基體強(qiáng)度剛度都會下降，而且使轉(zhuǎn)化溫度也明顯減低。如圖1樹脂基體的強(qiáng)度、剛度隨溫度和濕度變化曲線所示。

1.2 運(yùn)行壓力和管道連接方式的影響

玻璃鋼管線所受的壓力超過其自身的服役條件時(shí)，就會發(fā)生失效問題。油管經(jīng)常會受交變壓力的的作用，外壓、內(nèi)壓分別和軸拉、軸壓復(fù)合載荷聯(lián)合過大是造成井下管失效的主要因素，對于玻璃鋼管線的內(nèi)壓和軸載的影響，英國曼徹斯特大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壓和軸載作用下玻璃鋼管的失效表現(xiàn)為滲透的初次失效和斷裂的最終失效且滲透應(yīng)力比斷裂極限應(yīng)力低，此外不同原材料的選用對內(nèi)壓引起滲透和斷裂失效的影響也不同。

管道系統(tǒng)中往往是接頭處最易發(fā)生失效，玻璃鋼管線也不例外。管道的使用溫度、載荷、輸送介質(zhì)等因素的特性將決定管道的連接方式。接頭方式有無約束接頭、有約束接頭和螺紋接頭三種，其中前兩中接頭方式適用于玻璃鋼管道的自流管和壓力管線，而螺紋接頭適用于玻璃鋼油管、套管和高壓管線管連接。我國油田的平均井深達(dá)2000m，可使用玻璃鋼螺紋直接連接，但超過這個范圍應(yīng)考慮其他連接方式。

1.3 輸送介質(zhì)和土壤的影響

近幾年玻璃鋼管線也出現(xiàn)了腐蝕問題，分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕。內(nèi)腐蝕介質(zhì)主要為玻璃鋼管線輸送的原油，我國油氣田輸送的介質(zhì)絕大多數(shù)為酸性，主要是CO2、H2S、Cl-等且不同油田的主要腐蝕介質(zhì)也不同，腐蝕過程首先是輸送介質(zhì)滲透擴(kuò)散到玻璃鋼復(fù)合材料的內(nèi)部，然后引起樹脂基體的溶脹，產(chǎn)生界面應(yīng)力，并溶解掉部分的小分子，同時(shí)與玻璃鋼材料中的部分分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞玻璃鋼復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)，引起玻璃鋼管線的外觀、物理性能和機(jī)械性能的變化最終導(dǎo)致玻璃鋼的失效。

土壤腐蝕主要是指土壤中水分、含鹽量、總酸度及微生物等單獨(dú)起作用或幾種結(jié)合共同侵蝕管線導(dǎo)致腐蝕破壞。油管的沿線大部分地段地面和地下土壤為弱酸性，部分有水河谷邊的土壤如沼澤土為中等酸腐蝕性，管線穿越河流地段的土壤為強(qiáng)酸腐蝕性，也有少數(shù)的堿性土壤如鹽堿土。土壤中的酸性鹽離子主要為HCO3-、Cl-、SO2-3等。一般來說土壤的酸性蝕性越強(qiáng)腐越強(qiáng)。

1.4 玻璃鋼管線的成型工藝和界面粘結(jié)力的影響

玻璃鋼管線的成型工藝的三種成型法中手糊成型法的生產(chǎn)周期長、機(jī)械化程度低、制得的管線質(zhì)量不穩(wěn)定，易發(fā)生失效，適用于要求較低的工程但其需要的設(shè)備簡易，投資少，因此仍在玻璃鋼管線的成型工藝中占一定的比例。我國油田用玻璃鋼管線的成型方法主要是纖維纏繞法和離心鑄造法。纖維纏繞成型法能夠很好的發(fā)揮玻璃纖維的強(qiáng)度，制得的管質(zhì)量穩(wěn)定且生產(chǎn)的效率高，但是生產(chǎn)成本高，機(jī)械化程度高，需要高技術(shù)水平。離心鑄造法原材料耗損小，綜合造價(jià)低，特別適用于需要承受較大外壓的大口徑排污管。

界面作為玻璃纖維增強(qiáng)材料和樹脂基體的連接橋梁，需要具備較好的粘結(jié)力，界面破壞是玻璃鋼失效的引發(fā)點(diǎn)，因?yàn)闃渲牧喜⒉缓谢钚怨倌軋F(tuán)，使界面粘結(jié)力較弱，同時(shí)，由于增強(qiáng)纖維和基體的熱膨脹系數(shù)及彈性模量不同，復(fù)合過程中會出現(xiàn)界面熱應(yīng)力和界面應(yīng)力效應(yīng)等界面特征導(dǎo)致界面粘結(jié)力減弱，使界面成為玻璃鋼復(fù)合材料的最易破壞部位。若界面結(jié)構(gòu)本身帶有如雜質(zhì)、細(xì)微裂紋、空洞等缺陷將嚴(yán)重影響界面的粘結(jié)力，使玻璃鋼的力學(xué)性能下降，容易發(fā)生剪切破壞。

1.5 玻璃鋼管線原材料的選擇和其他因素的影響

材料不適宜也會嚴(yán)重影響玻璃鋼在實(shí)際使用中的性能。玻璃鋼管線的耐腐蝕性、耐溫性主要為樹脂提供，環(huán)氧樹脂較聚酯樹脂和酚酞聚酯耐溫性、耐候性、耐化學(xué)性更好，需耐高溫時(shí)推薦采用環(huán)氧樹脂，而考慮經(jīng)濟(jì)性推薦使用聚酯樹脂。玻璃纖維的含量、直徑粗細(xì)、種類選擇也影響著玻璃鋼的性能。一般來說，無堿纖維的化學(xué)穩(wěn)定性、耐濕性較有堿纖維好。

除上述因素外，還有第三方破壞和人為誤操作等因素影響玻璃鋼管線失效。第三方破壞除自然災(zāi)害和土層運(yùn)動外，在我國，在輸油輸氣管線上打孔偷油偷氣的情況經(jīng)常發(fā)生，造成管線的失效，且造成重大損傷事故，如在2007年，中石化管道儲運(yùn)公司在臨邑濟(jì)南的輸油管線被周圍的多名農(nóng)民屢次打孔偷油。

2 事故樹法評價(jià)玻璃鋼管線失效

2.1 繪制事故樹

首先選擇“玻璃鋼管線失效”作為頂事件，開始逐層向下分析原因事件，引起原因則主要是環(huán)境破壞、材料自身缺陷、第三方破壞、人的誤操作等。再逐層向下分析直至最基本原因事件，最后分析出43個基本原因事件，如表1所示。最終得到的玻璃鋼管線失效的事故樹圖如圖2所示。

2.2 定性分析

根據(jù)圖2，玻璃鋼管線失效事故樹的布爾表達(dá)式為：

若不考慮各基本事件發(fā)生的難易程度且假設(shè)各基本事件發(fā)生的概率相等，可得各基本事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)如表3所示。

根據(jù)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度可知在本文所建立的玻璃鋼管線失效的事故樹中：材料自身缺陷中界面粘結(jié)力對玻璃鋼管線失效的影響最大;其次是高溫高濕環(huán)境的影響，高溫高濕環(huán)境導(dǎo)致玻璃鋼管線的性能下降不僅可以直接使管線失效還會加劇其他形式失效，然后是材料自身缺陷中其他因素的影響;最后為環(huán)境中腐蝕和運(yùn)行壓力破壞、第三方破壞以及人的誤操作的影響。

3 對策與建議

根據(jù)對玻璃鋼管線失效事故樹的最小割集和結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析，可以明確引起玻璃鋼管線失效的主要因素和提出科學(xué)的改進(jìn)措施：（1）需要提高界面粘結(jié)力，可以在玻璃鋼復(fù)合材料中添加改良的玻璃纖維浸潤劑更好地保護(hù)界面強(qiáng)度，建議根據(jù)實(shí)際使用情況選擇所需的玻璃鋼管線類型。此外，加強(qiáng)管材制造監(jiān)督和健全管線制造標(biāo)準(zhǔn)。（2）在需要高溫高濕工作的環(huán)境中采用耐濕耐高溫的玻璃鋼材料和界面粘結(jié)力良好的玻璃鋼，同時(shí)建立溫度濕度報(bào)警裝置，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度濕度變化（3）玻璃鋼管線盡量不要使用無內(nèi)襯層的管線，若輸送原油腐蝕性強(qiáng)可以考慮采用三層內(nèi)襯層的玻璃鋼管線，樹脂基體和玻璃纖維采用更耐腐蝕的環(huán)氧樹脂和無堿纖維，提高玻璃鋼管線的外防護(hù)層的厚度（4）在長期較大的交變壓力作用下，選用更穩(wěn)定的玻璃鋼管線的成型工藝，手糊成型法產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，盡量不要使用在高承壓管線段，管線的壁厚、直徑等尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)與其承壓能力相匹配，選用力學(xué)性能更好的樹脂基體和玻璃纖維。此外，設(shè)置壓力報(bào)警裝置，當(dāng)壓力超過允許條件時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)采取措施控制。（5）除自然災(zāi)害外，管線附近居民對相關(guān)法律法規(guī)、安全性的了解和政府的干預(yù)等都會對管線造成影響，因此應(yīng)加強(qiáng)人民的法律和保護(hù)公共財(cái)產(chǎn)意識，建立完善的報(bào)警系統(tǒng)，健全法制并保障法律法規(guī)的落實(shí)。同時(shí)，也要做好對自然災(zāi)害的預(yù)測，加強(qiáng)減災(zāi)措施。（6）應(yīng)建立嚴(yán)格的施工質(zhì)量檢測制度，加強(qiáng)人員的安全和專業(yè)培訓(xùn)，完善管理制度。

4 結(jié)論

本文深入研究分析了玻璃鋼管線的結(jié)構(gòu)、性能、使用條件和失效的影響因素，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用事故樹法對玻璃鋼管線進(jìn)行了安全評價(jià)，繪制出玻璃鋼管線的失效的事故樹，進(jìn)行定性分析并提出相應(yīng)的改善措施。此外，由于缺少完善的數(shù)據(jù)信息和詳盡的資料，無法對玻璃鋼管線失效進(jìn)行定量分析，這是本文的最大不足之處，還需繼續(xù)深入研究。

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