聚乙烯內(nèi)襯復合油管失效分析

白 強, 霍富永，孫彥虎,魏 斌

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.西安長慶科技工程有限責任公司 陜西 西安 710021； 3.長慶油田分公司第四采油廠 陜西 榆林 718500)

0 引 言

由于抽油桿在油管內(nèi)不間斷地往復運動，會使油管發(fā)生磨損，為了延長油管服役壽命，非金屬內(nèi)襯復合管在部分油田開始使用[1-3]。在非金屬內(nèi)襯復合管中，金屬管道是載荷的主要承載體，可保證管道強度。非金屬內(nèi)襯與傳輸介質(zhì)直接接觸，主要起防腐和抗磨損作用。聚乙烯內(nèi)襯油管作為熱塑性塑料內(nèi)襯復合管的一類，其管壁光滑，不結(jié)垢，耐磨性能是鋼管的4 倍以上，可降低介質(zhì)在管道內(nèi)的沿程阻力損失[4-6]，因此聚乙烯內(nèi)襯復合管在采油作業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

近幾年，國內(nèi)工廠也開始大規(guī)模制造聚乙烯內(nèi)襯復合油管，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，在應(yīng)用過程中存在較多的問題，如內(nèi)襯管擠壓凸起，影響抽油桿往復運動；內(nèi)壁塌陷、破裂等問題導致大段油管裸露，達不到對油管的保護作用，縮短油管服役壽命等。這些問題在一定程度上影響了內(nèi)襯管的進一步推廣應(yīng)用。

鑒于此，本文針對某油田公司發(fā)生的聚乙烯內(nèi)襯復合管失效問題，通過現(xiàn)場調(diào)研、取樣試驗并結(jié)合相關(guān)資料進行了失效分析，查明了聚乙烯內(nèi)襯復合油管失效原因，并提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制建議，為規(guī)范聚乙烯內(nèi)襯復合油管的使用提供借鑒。

1 失效概況

2019年4月，國內(nèi)某油田公司某井發(fā)生卡泵，從現(xiàn)場反饋的照片可見泵體上纏繞著大量的絲狀聚乙烯，聚乙烯纏繞是導致本次卡泵的主要原因，如圖1所示。隨后將發(fā)生卡泵的井內(nèi)油管全部取出。通過現(xiàn)場調(diào)研可知，取出的油管中有相當比例的油管內(nèi)襯管管壁發(fā)生塌陷，如圖2所示。塌陷的聚乙烯內(nèi)襯管內(nèi)壁與抽油桿接箍發(fā)生干涉，往復運動的抽油桿接箍對油管塌陷處產(chǎn)生切削作用，絲條狀的切削物纏繞在泵體上最終導致卡泵?，F(xiàn)場隨機切開發(fā)生塌陷的內(nèi)襯油管發(fā)現(xiàn)，聚乙烯內(nèi)襯管破損嚴重，沿管體縱向管壁被完全切開，如圖3所示。

據(jù)現(xiàn)場技術(shù)人員介紹，該井發(fā)生塌陷的內(nèi)襯油管于2018年8月下入，在內(nèi)襯油管下入之后直到發(fā)生卡泵前，該井并未進行過排產(chǎn)作業(yè)，發(fā)生卡泵時該井正在進行試運行，運行不久即發(fā)生卡泵。現(xiàn)場提出油管發(fā)現(xiàn)，塌陷的內(nèi)襯管主要集中在井的上部，中下部的內(nèi)襯管鮮有塌陷發(fā)生，該井井深1 400余米。

圖2 內(nèi)襯管管壁塌陷

圖3 內(nèi)襯管破損

2 理化性能檢測

2.1 維卡軟化溫度

從現(xiàn)場失效的聚乙烯內(nèi)襯管取樣進行維卡軟化溫度的測定。依據(jù)GB/T 1633—2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度(VST)的測定》，采用SRD-300D熱變形、維卡軟化溫度測定儀測定了A50和B50兩種條件下內(nèi)襯管的維卡軟化溫度。經(jīng)測失效內(nèi)襯管的維卡軟化溫度A50為124.52 ℃，B50為70.03 ℃。根據(jù)SY/T 6947—2013《石油天然氣工業(yè)聚乙烯內(nèi)襯復合油管》標準規(guī)定：聚乙烯內(nèi)襯管最高使用溫度應(yīng)低于維卡軟化溫度15 ℃，因此該內(nèi)襯管的使用溫度上限為55 ℃。

2.2 內(nèi)襯管拉伸性能

依據(jù)GB/T 8804.3—2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測定 第3部分：聚烯烴管材》，采用CMT-4104微機控制電子萬能試驗機進行聚乙烯內(nèi)襯管的拉伸性能測定，測試結(jié)果見表1。由失效內(nèi)襯管的拉伸試驗結(jié)果可知，內(nèi)襯管的拉伸強度滿足QB/T 2668—2004《超高分子量聚乙烯管材》標準要求，但斷裂伸長率數(shù)值偏差較大。

表1 內(nèi)襯管拉伸試驗結(jié)果

2.3 內(nèi)襯管簡支梁缺口沖擊強度

沿失效內(nèi)襯管縱向加工A型缺口簡支梁沖擊試樣，依據(jù)GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗》標準，使用XJJD-5型電子簡支梁沖擊試驗機進行試驗。由試驗結(jié)果可知，失效內(nèi)襯管的沖擊強度滿足QB/T 2668—2004《超高分子量聚乙烯管材》標準要求，見表2。

表2 內(nèi)襯管簡支梁沖擊試驗結(jié)果

2.4 內(nèi)襯管密度與硬度

依據(jù)GB/T 1033.1—2008《塑料 發(fā)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》標準，使用ET-120SL電子密度計對內(nèi)襯管的密度進行測定。密度測試結(jié)果分別為0.944、0.943和0.944 g/cm3，平均值為0.944 g/cm3。

依據(jù)GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》標準對內(nèi)襯管的硬度進行測試，硬度測試結(jié)果分別為62.3、61.1和57.6 HD，平均值為60.3 HD。

2.5 油管拉伸性能

在失效內(nèi)襯油管的金屬管體上沿管體縱向取樣進行拉伸性能檢測，試驗依據(jù)ASTM A370-17a標準進行。拉伸性能試驗結(jié)果表明，內(nèi)襯油管的金屬管體為J55鋼級油管，見表3所示。

表3 油管拉伸試驗結(jié)果

3 綜合分析

3.1 復合油管內(nèi)襯塌陷判據(jù)

復合油管聚乙烯內(nèi)襯管內(nèi)塌陷，與抽油桿接箍發(fā)生干涉，抽油桿接箍對內(nèi)襯管的塌陷部分產(chǎn)生切削作用，切削形成條帶狀切削物導致了卡泵事故。內(nèi)襯管的塌陷是導致本次卡泵事故的直接原因。內(nèi)襯管塌陷的根本原因是油管與內(nèi)襯管之間環(huán)形空間里的壓力P超過管內(nèi)流體壓力Pi與內(nèi)襯管承外壓極限強度Po之和，即P>Pi+Po，如圖4所示。研究表明，聚乙烯內(nèi)襯管本身的抗外壓能力十分有限，并且隨著管體應(yīng)力狀態(tài)的變化內(nèi)襯管的外壓強度將會發(fā)生變化[7]。

圖4 內(nèi)襯油管結(jié)構(gòu)壓力示意圖

3.2 復合油管制造及使用情況

由內(nèi)襯復合油管的制造工藝可知，聚乙烯內(nèi)襯管通過拉拔后變細被穿入鋼制油管內(nèi)，之后在烘箱內(nèi)加熱保溫，變細的內(nèi)襯管尺寸得到恢復，內(nèi)襯管外壁緊貼到鋼管內(nèi)壁使內(nèi)襯管與鋼管實現(xiàn)復合。在管端內(nèi)襯管經(jīng)翻邊處理，實現(xiàn)內(nèi)襯管與油管環(huán)形空間的密封，如圖5所示。理論上，如果內(nèi)襯管與油管緊密貼合，沒有間隙，則可認為內(nèi)襯管和油管之間為真空狀態(tài)，環(huán)空壓力為0，實際上內(nèi)襯管和鋼制油管不可能真正實現(xiàn)完全貼合，如圖6所示，因此環(huán)空內(nèi)的壓力不可能為0。

內(nèi)襯管與油管之間的環(huán)形空間也并非如圖5所示的規(guī)則形狀，實際上內(nèi)襯管與油管之間的環(huán)形空間是不規(guī)則，甚至是不連續(xù)的。此外，溫度變化將導致內(nèi)襯管應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,影響管端翻邊處的密封。當內(nèi)襯管完成翻邊之后，內(nèi)襯管收縮(溫度降低)時，其長度方向的變化受到約束，內(nèi)襯管的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，內(nèi)襯管軸向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，內(nèi)襯管將發(fā)生環(huán)向的收縮，此時管端翻邊處的密封可能發(fā)生失效。內(nèi)襯管和油管之間的環(huán)形空間與管內(nèi)流體聯(lián)通，管內(nèi)流體壓力Pi將進入環(huán)形空間，此時環(huán)形空間內(nèi)(或局部)的壓力P=Pi。反之亦然，當內(nèi)襯復合油管所處的環(huán)境溫度上升時，內(nèi)襯管沿軸向伸長、環(huán)向膨脹也可能會導致翻邊處密封的失效，導致流體壓力進入環(huán)形空間。

圖5 復合油管管端結(jié)構(gòu)

圖6 內(nèi)襯管與油管間的縫隙

失效聚乙烯內(nèi)襯復合油管于2018年8月份下入井后，該井并未正式使用，直到2019年4月才首次進行排采作業(yè)。由高分子材料的特性可知，聚乙烯類的高分子材料具有很強的溫度敏感性且耐熱性差[8]，通過試驗測得失效內(nèi)襯管的線性膨脹系數(shù)為200×10-6℃-1，鋼鐵材料的線性膨脹系數(shù)僅為10×10-6℃-1左右，兩種材料的線性膨脹系數(shù)嚴重不匹配。以一根10米長的內(nèi)襯管為例，環(huán)境溫度發(fā)生10 ℃的變化，則內(nèi)襯管軸向長度將發(fā)生20 mm的變化，而鋼管的變化不足2 mm。

從2018年8月到2019年4月，內(nèi)襯管所處的環(huán)境溫度經(jīng)歷了一個較大的變化(溫度降低)，溫度降低會導致內(nèi)襯管產(chǎn)生環(huán)向收縮應(yīng)力，如圖7所示。

圖7 溫度降低導致的環(huán)向收縮應(yīng)力

環(huán)向收縮應(yīng)力會使翻邊處的密封更加容易失效，將會導致內(nèi)襯管承受的外壓強度Po發(fā)生變化，使得內(nèi)襯管承外壓強度迅速降低甚至為“負值”。這樣一旦翻邊處密封失效，管內(nèi)流體壓力Pi進入環(huán)空區(qū)則內(nèi)襯油管容易發(fā)生塌陷，尤其是當環(huán)形空間形狀不規(guī)則、不連續(xù)則極易形成不均勻外壓，內(nèi)襯管更易發(fā)生塌陷，數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。最后，現(xiàn)場反饋的情況表明，內(nèi)襯管塌陷主要集中在距井口較近的上部，而井中下部則鮮有塌陷。這主要是因為相對井口位置，井底溫度更加穩(wěn)定，內(nèi)襯復合油管所處的環(huán)境溫度不會發(fā)生大幅度地變化。

此外，內(nèi)襯管復合到鋼管內(nèi)，需要經(jīng)過充分的時效才能使內(nèi)襯管的幾何尺寸達到穩(wěn)定的狀態(tài)，此時進行翻邊則內(nèi)襯管的約束應(yīng)力將處于一個較低的水平。如果時效不充分就進行翻邊則內(nèi)襯管就會有一個較高的約束應(yīng)力，影響翻邊質(zhì)量也易導致翻邊處的密封失效，從而導致內(nèi)襯管塌陷失效。

圖8 內(nèi)襯油管在外壓作用下的塌陷變形

4 結(jié)論和建議

1)失效的聚乙烯內(nèi)襯管的維卡軟化溫度、拉伸斷裂伸長率、拉伸強度、簡支梁沖擊強度、密度、邵氏硬度的測試結(jié)果均符合相關(guān)標準要求。

2)內(nèi)襯復合油管管端翻邊處密封失效是導致內(nèi)襯管塌陷的直接原因。密封失效的外因是內(nèi)襯管所處環(huán)境溫度波動，內(nèi)襯管與油管熱脹冷縮行為不協(xié)調(diào)；內(nèi)因是復合與翻邊工藝控制不當。

3)建議加強聚乙烯內(nèi)襯復合油管的質(zhì)量控制，確保內(nèi)襯管的技術(shù)參數(shù)達到合同要求。嚴格控制內(nèi)襯復合油管使用溫度，并且盡量縮小存儲溫度和使用溫度之間的溫差。