地面集輸用柔性復(fù)合管開裂失效原因分析

齊國權(quán)，崔小虎,祁小兵,毛學(xué)強(qiáng),燕自峰,方 艷，賀煥婷，張玉香

(1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實驗室 陜西 西安 710077；2. 中國石油塔里木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000；3. 中國石油青海油田鉆采工藝研究院 甘肅 敦煌 736202)

0 引 言

隨著油田開發(fā)的深入，集輸系統(tǒng)用金屬管道的腐蝕問題日益突出。由于腐蝕造成一系列不利影響，例如油管停輸或降低輸量、油氣資源損耗浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重污染、維修與治污成本上升和H2S泄漏產(chǎn)生人員危害等。柔性復(fù)合管因其優(yōu)異耐腐蝕性已成為解決地面集輸管網(wǎng)腐蝕問題的重要方案之一，目前成為用量增長最快的非金屬管，在“今后若干年要大力提升勘探開發(fā)力度”及效益建產(chǎn)的要求下，柔性復(fù)合管應(yīng)用前景十分廣闊[1-4]。

1 現(xiàn)場情況

2019年初，某油田集輸管道用柔性復(fù)合管在距離井口約150 m處發(fā)生泄漏事故。泄漏點(diǎn)位于管體6點(diǎn)鐘位置，管體從地面隆起呈直角，如圖1所示。截至失效發(fā)生時，該條管線服役時間不足1個月。該柔性復(fù)合管規(guī)格為DN80，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行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》，其中增強(qiáng)層為芳綸纖維，內(nèi)襯層為RFY-II型交聯(lián)聚乙烯。該管線埋地敷設(shè)，輸送介質(zhì)為油氣水，設(shè)計溫度為100 ℃，運(yùn)行溫度最高達(dá)到90 ℃，設(shè)計壓力為4 MPa，運(yùn)行壓力最高達(dá)到2.9 MPa。

圖1 送檢的失效管樣照片

2 測試方法

對失效樣品開展了宏觀分析和尺寸測量并對各功能層進(jìn)行逐層解剖，觀察夾層間是否存在滲液、內(nèi)襯層是否存在溶脹、變形。采用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對失效管樣的內(nèi)襯層及增強(qiáng)層進(jìn)行測試。為進(jìn)一步分析服役后管線性能衰減狀態(tài)，分別進(jìn)行維卡軟化溫度檢測、硬度檢測、交聯(lián)度檢測、縱向回縮率檢測以及密度檢測等等理化性能測試[5-6]。

3 結(jié)果及分析

3.1 樣品宏觀分析

圖1為送檢的失效管樣穿孔處的宏觀形貌。由圖1可知，該失效管樣為典型的三層結(jié)構(gòu)柔性復(fù)合管，即外保護(hù)層、增強(qiáng)層和內(nèi)襯層，失效導(dǎo)致該柔性復(fù)合管三層結(jié)構(gòu)均發(fā)生了斷裂，斷口張開長度約270 mm，向外張開型斷口表明斷口處發(fā)生了明顯的塑形變形。

圖2為失效管樣外保護(hù)層的宏觀形貌照片，其沿纖維纏繞方向斷裂，斷口處發(fā)生了顯著的塑性變形且已完全分開，斷口邊緣壁厚減薄明顯。

圖3為增強(qiáng)層的宏觀形貌照片，其由兩層纖維交叉纏繞而成，斷口處的纖維呈黑褐色(圖3(a))，遠(yuǎn)離斷口處的纖維呈黃色(圖3(b))，而且圖3(c)和圖3(d)兩處所示均可以明顯發(fā)現(xiàn)最外層纖維局部與外護(hù)套相互粘連，同時內(nèi)外兩層纖維纏繞間隙均較大且不均勻(最大間隙約5 mm)。

圖2 外護(hù)套宏觀形貌

圖3 增強(qiáng)層宏觀形貌

圖4為內(nèi)襯層的宏觀形貌照片，其沿纖維纏繞方向斷裂(圖4(a))，并發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形而呈約90°，斷口邊緣的壁厚減薄明顯，內(nèi)壁較光滑且呈黃色，而外壁清晰可見較深的纖維纏繞勒痕且偏白色(圖4(b))。

圖4 內(nèi)襯層宏觀形貌

3.2 壁厚測量

對圖4所示的內(nèi)襯層斷口進(jìn)行壁厚測量，結(jié)果見表1。由表1可知，斷口上下邊緣的壁厚在g點(diǎn)(2.72 mm)和j點(diǎn)(2.56 mm)最小，且壁厚值沿此部位向兩端均呈逐漸增大趨勢。以斷口方位為6點(diǎn)鐘，對圖4所示管樣兩端的壁厚進(jìn)行等間距測量的結(jié)果見表2。由表2可知，管樣壁厚均勻，為7.48～7.76 mm。由于目前現(xiàn)行柔性復(fù)合管標(biāo)準(zhǔn)未對壁厚作出明確要求，因此無法判斷該壁厚是否滿足要求。分析內(nèi)襯層減薄變化規(guī)律，其原因是由于管子爆裂失效導(dǎo)致。

表1 斷口處壁厚測量結(jié)果 mm

表2 端部壁厚測量結(jié)果 mm

3.3 紅外分析

FT-RI分析結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)可見，被測內(nèi)襯層的紅外圖譜與聚乙烯(PE)標(biāo)準(zhǔn)圖譜相似度97.01%，這表明該失效管樣的內(nèi)襯層為PE；從圖5(b)可見，被測增強(qiáng)層的紅外圖譜與芳綸標(biāo)準(zhǔn)圖譜相似度64.65%(曲線起伏趨勢對比值)，但芳綸特征峰(1 640、1 540、1 260、720、650 cm-1)均與該試樣非常接近，表明該失效管樣的增強(qiáng)層為芳綸纖維。

3.4 維卡軟化溫度檢測

維卡測試結(jié)果見表3。從表3可知，該失效管樣內(nèi)襯層PE的維卡軟化溫度為66.42 ℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計溫度(100 ℃)和運(yùn)行最高溫度(90 ℃)。

圖5 紅外分析結(jié)果

表3 內(nèi)襯層維卡軟化溫度檢測結(jié)果

3.5 硬度檢測

硬度測試及其平均值見表3。從表3可知，該失效管樣內(nèi)襯層外壁的硬度大于內(nèi)壁。這主要是由于輸送介質(zhì)過程中，介質(zhì)滲透導(dǎo)致了內(nèi)襯層內(nèi)壁出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象更為明顯，從而導(dǎo)致其硬度要低于外壁。

3.6 交聯(lián)度檢測

從失效管樣內(nèi)襯層取樣，依據(jù)GB/T 18474—2001《交聯(lián)聚乙烯管材與管件交聯(lián)度的試驗方法》，采用二甲苯萃取試劑，取兩個平行試樣，結(jié)果見表3。從表3可知，該失效管樣內(nèi)襯層的交聯(lián)度滿足SY/T 6662.2—2012中引用的ISO 14531-1:2002規(guī)定的要求。

3.7 縱向回縮率檢測

從失效管樣內(nèi)襯層取樣，依據(jù)GB/T 6671—2001《熱塑性塑料管材縱向回縮率的測定》標(biāo)準(zhǔn)，采用BINDER-M240恒溫箱，取三個平行試樣，在120±2 ℃下進(jìn)行60 min，結(jié)果見表3。從表3可知，該失效管樣內(nèi)襯層的縱向回縮率滿足SY/T 6662.2—2012的要求。

3.8 密度檢測

從失效管樣內(nèi)襯層取樣，依據(jù)GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》標(biāo)準(zhǔn)，采用液體比重瓶法測定內(nèi)襯層的密度，試驗設(shè)備為ET-120SL電子密度計，取三個平行試樣，以平均值作為檢測結(jié)果，見表3。從表3可知，該失效管樣內(nèi)襯層PE的密度滿足SY/T 6662.2—2012對PE的要求。

3.9 綜合分析

由上述試驗分析結(jié)果可知，該失效柔性復(fù)合管內(nèi)襯層為PE、增強(qiáng)層為芳綸纖維。其中內(nèi)襯層的交聯(lián)度、縱向回縮率和密度檢測結(jié)果符合SY/T 6662.2—2012的要求，但其維卡軟化溫度為66.42 ℃，低于管線的實際使用溫度(90 ℃)和設(shè)計溫度(100 ℃)，內(nèi)外壁的邵氏硬度分別為52.4和58.8，出現(xiàn)了不均勻分布。此外，增強(qiáng)層纖維纏繞不夠緊密且纖維束間隔不均勻。因此，分析查找該管線斷裂失效的原因主要從以下方面入手：

首先，分析該失效管樣內(nèi)襯層材料的維卡軟化溫度。維卡軟化溫度是評價材料耐熱性能，反映制品在受熱條件下物理力學(xué)性能的指標(biāo)之一。維卡軟化溫度越高，表明材料受熱時的尺寸穩(wěn)定性越好，熱變形越小，即耐熱變形能力越好，剛性越大，模量越高。參考標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6662.7—2016《石油天然氣工業(yè)用非金屬復(fù)合管第7部分:熱塑性塑料內(nèi)襯玻璃鋼復(fù)合管》中5.9節(jié)的規(guī)定：復(fù)合管內(nèi)襯層的維卡軟化溫度應(yīng)高于管材最高使用溫度15 ℃以上，而該管線的最高運(yùn)行溫度已達(dá)到90 ℃，遠(yuǎn)大于內(nèi)襯層的維卡軟化溫度，將導(dǎo)致內(nèi)襯層發(fā)生軟化而使其力學(xué)性能產(chǎn)生明顯下降[7]。另外，通過分析內(nèi)襯層外表面多條勒痕產(chǎn)生原因也可驗證這一結(jié)果。當(dāng)管道正常運(yùn)行時，在承受輸送介質(zhì)壓力條件下，內(nèi)襯層受到外張力，當(dāng)輸送介質(zhì)溫度在要求范圍之內(nèi)，內(nèi)襯層不會發(fā)生軟化變形，即不會出現(xiàn)勒痕。但是當(dāng)內(nèi)襯層長時間處于超溫運(yùn)行時，內(nèi)襯材料發(fā)生軟化現(xiàn)象，將會出現(xiàn)由于增強(qiáng)纖維繩擠壓而導(dǎo)致的勒痕。

其次，分析該失效管樣增強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)。根據(jù)宏觀檢查結(jié)果可知，該管樣纖維纏繞存在明顯間隙且不均勻，纖維束最大間隙約5 mm，而增強(qiáng)層纖維是管線內(nèi)壓的主要承受者，一旦纏繞不緊密或不均勻，在纏繞間隙區(qū)域的內(nèi)襯層將承受更大的載荷，另外內(nèi)襯層的強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致該柔性管整體承壓性能產(chǎn)生明顯下降[8-9]。內(nèi)襯層斷口處的宏觀形貌顯示其發(fā)生了較大的塑性變形，在不斷變形過程中增強(qiáng)層纖維對其外壁的束縛作用而產(chǎn)生明顯的勒痕(圖4(b))，并進(jìn)一步引起增強(qiáng)層發(fā)生斷裂。

由以上分析可知，該柔性復(fù)合管內(nèi)襯層材料的維卡軟化溫度遠(yuǎn)低于實際使用溫度和設(shè)計溫度，另外增強(qiáng)層纖維纏繞間隙較大且不均勻，由此導(dǎo)致該柔性復(fù)合管承載能力不足而發(fā)生了斷裂失效。

4 結(jié)論及建議

開裂失效的柔性復(fù)合管內(nèi)襯層的維卡軟化溫度低于所輸送介質(zhì)的溫度，所以，其失效原因為內(nèi)襯層耐溫性能較差(維卡軟化溫度低)及增強(qiáng)層排布不均勻。

建議根據(jù)實際服役工況條件進(jìn)行選材設(shè)計，使所用產(chǎn)品的耐溫、承壓等性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足服役要求，并加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制，完善駐廠監(jiān)造、出廠檢驗、到貨驗收、施工驗收及服役評價等環(huán)節(jié)，形成產(chǎn)品質(zhì)量閉環(huán)控制。