塔河油田非金屬管失效分析與評價體系的建立

許艷艷 葛鵬莉 肖雯雯 王孟欣 林平林 卿雙永 高多龍 劉青山 陳苗 張曉燦

1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)(北京)

非金屬材料普遍具有耐腐蝕、水力摩阻低、使用壽命長等優(yōu)勢[1]，有效地緩解了石油行業(yè)腐蝕等問題。非金屬材料在油田中逐漸替代部分金屬材料，使得油田管道腐蝕穿孔數(shù)大幅下降[2]。雖然非金屬材料具有更高的耐腐蝕性等優(yōu)良性能，但仍有相關(guān)的事故發(fā)生，其不足之處也不能忽視[3]。非金屬管道的多樣性、材料的復(fù)雜性以及現(xiàn)場工況條件的巨大差別，導(dǎo)致非金屬管道在設(shè)計選用和施工維護中問題頗多，甚至比金屬管道還要復(fù)雜，所以需在大量實踐的基礎(chǔ)上進行總結(jié)和提高。針對塔河油田非金屬管道3個典型失效案例進行分析，并在分析技術(shù)思路合理可行的基礎(chǔ)上，提出了一套比較詳細的非金屬失效分析評價體系。

1 非金屬管失效類型

截至2019年，塔河油田的非金屬管線失效共計434次。經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，非金屬管失效類型主要為管體失效、接頭失效和機械損傷。按非金屬管材材料統(tǒng)計，玻璃鋼管失效次數(shù)220次，占總失效次數(shù)的50%，其次為塑料合金復(fù)合管，共失效117次，占26%；按失效類型分析，管體泄漏失效213次，占總失效次數(shù)的49%，接頭泄漏失效136次，占31%。

塔河油田于21世紀(jì)初開始使用非金屬管，截至2019年底，已應(yīng)用非金屬管道3 930.7 km，占油田集輸管道用量的24.66%。非金屬管材的應(yīng)用雖有效降低了金屬管材的腐蝕問題，但在應(yīng)用中，仍有部分非金屬管發(fā)生失效。通過對塔河油田失效非金屬管道進行背景調(diào)查、現(xiàn)場取樣，并對樣品進行質(zhì)量檢測和失效分析，得出塔河油田非金屬管道常見的失效類型為外層金屬爆管失效、法蘭失效、脫氯降解失效等。

2 塔河油田非金屬管失效案例分析

2.1 外層金屬管爆管失效案例分析

高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，以下簡稱HDPE)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性和較好的承壓能力及抗沖擊性。內(nèi)穿插HDPE修復(fù)技術(shù)常用于對頻繁發(fā)生腐蝕穿孔的金屬管線進行腐蝕治理，以延長管道使用壽命[4]。

塔河油田某計轉(zhuǎn)站原油外輸管線于2013年12月完成全線HDPE內(nèi)穿插修復(fù)。該段管線總長4.6 km，材質(zhì)20#，規(guī)格型號Φ219 mm×6 mm，運行溫度約45 ℃，運行壓力1.0 MPa，最高運行壓力1.4 MPa。輸送介質(zhì)H2S質(zhì)量濃度15 mg/m3(分壓11 Pa)，CO2體積分數(shù)2.12%(分壓2.3×104Pa)，綜合含水率70%。2014年2月，在實際現(xiàn)場中，管線距2-1站100 m處管線本體底部(6點鐘方向)發(fā)生開裂，鋼管裂紋整體沿直焊縫呈直線型，總長度1.28 m，裂紋最寬處達7 cm，如圖1所示。

在對現(xiàn)場截取的失效樣品進行分離的過程中，可看到金屬管上大量點蝕坑沿開裂部位分布，同時在管線的底部以及下側(cè)也發(fā)現(xiàn)較多點蝕坑，直線開裂處存在類似直縫的焊接結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場進行超聲掃描壁厚檢測，裂紋處壁厚為4.3 mm，管線底部最小壁厚為2.8 mm。由其前期使用情況可知，該金屬管線在2009年10月發(fā)生第1次腐蝕，且在內(nèi)穿插HDPE修復(fù)前共發(fā)生腐蝕16處，主要集中在距2-1站2.5 km內(nèi)。因此，可以推斷該金屬管線在內(nèi)穿插HDPE修復(fù)前已經(jīng)發(fā)生了較為嚴重的腐蝕。

分離過程中發(fā)現(xiàn)，HDPE內(nèi)襯管與外部金屬管線貼合緊密，無松動，內(nèi)穿插修復(fù)效果良好。內(nèi)穿插的HDPE管呈典型的爆破形貌，裂紋處具有較明顯的拉伸撕裂狀，且存在金屬管線裂紋擠壓的痕跡。HDPE管裂紋總長度為0.49 m，遠小于鋼管裂紋長度。

從結(jié)構(gòu)和功能上分析，內(nèi)穿插HDPE管由于其強度低，不能起到主要承壓作用，所以輸送壓力的承擔(dān)主要依靠外部的金屬管線。因此，可以推斷內(nèi)穿插修復(fù)后的金屬管線開裂的主要原因是外部金屬管線承壓能力不足，即外部金屬管首先由于承壓能力不足而發(fā)生開裂，內(nèi)部的HDPE管在失去外部的金屬管保護時，隨即發(fā)生爆破失效[5]。由外部金屬管直焊縫處大量點蝕坑及其壁厚測量結(jié)果不難推斷，直焊縫處腐蝕嚴重是導(dǎo)致鋼制管線承壓能力不足的根本原因。

通過以上分析，初步得出塔河油田2-1站原油外輸管線HDPE內(nèi)穿插修復(fù)管線失效原因為：直縫焊管焊縫腐蝕導(dǎo)致外部金屬管線承壓能力不足，從而引起內(nèi)穿插HDPE修復(fù)管線開裂，導(dǎo)致失效。

根據(jù)內(nèi)穿插修復(fù)管失效的情況及原因，提出以下建議：因鋼管直焊縫本身存在較大腐蝕風(fēng)險，內(nèi)穿插HDPE管不宜應(yīng)用在直焊縫鋼管修復(fù)；對于采用內(nèi)穿插修復(fù)的管線，建議在內(nèi)穿插修復(fù)前對原管線進行整體強度、氣密性試驗，尋找管線漏點，采用漏點補強措施恢復(fù)管線承壓能力，滿足設(shè)計要求后再進行內(nèi)穿插修復(fù)。

2.2 法蘭失效案例分析

塔河油田二號聯(lián)污水進出站管道采用玻璃鋼管，管材連接均采用手糊工藝連接，玻璃鋼管與閥門之間采用法蘭連接。二號聯(lián)污水外輸管線玻璃鋼法蘭于2011年9月投用，2014年8月玻璃鋼管彎頭、法蘭、墊片、本體等發(fā)生多處滲漏失效，嚴重影響正常生產(chǎn)，造成環(huán)境污染，法蘭失效如圖2所示[6]。

經(jīng)調(diào)查，該聯(lián)合站污水外輸玻璃鋼管線運行工況符合玻璃鋼管長期運行工況，截取后的玻璃鋼法蘭外表面及法蘭面連續(xù)完整，無明顯磕碰、斷層、分層等缺陷。因此，溫度、壓力和結(jié)構(gòu)完整性不是其失效的直接原因。

截取失效樣品的部分玻璃鋼本體發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層玻璃鋼管與外層手糊層無需用力即可自行分開。由其結(jié)合面形貌可以明顯看出，內(nèi)層玻璃鋼管的外表面和外層手糊層內(nèi)表面存在較多的條狀紋路，該紋路是由于手糊工藝不完善，導(dǎo)致手糊層的樹脂未完全浸潤內(nèi)層玻璃鋼管表面，出現(xiàn)空缺而形成。

以上分析表明，由于玻璃鋼法蘭手糊連接時的不規(guī)范，導(dǎo)致玻璃鋼管本體與手糊層之間的界面結(jié)合較弱，輸送介質(zhì)沿著薄弱的界面滲漏出去。法蘭運行過程中遇到的機械震動也會加劇界面分層，進而加速介質(zhì)的滲漏過程。滲漏的輸送介質(zhì)不斷增多，滲入土壤引起地勢下沉，導(dǎo)致硬質(zhì)玻璃鋼管與管件產(chǎn)生剪切應(yīng)力，應(yīng)力增大則促發(fā)扭曲、分層、錯斷現(xiàn)象，最終產(chǎn)生滲漏、刺漏或斷管等失效事故。

根據(jù)法蘭滲漏失效的情況及原因，為避免類似情況再次發(fā)生，提出以下建議：規(guī)范手糊施工過程，嚴格控制手糊過程的關(guān)鍵點，如打磨效果、固化時間、鋪層封填方式等；先完成玻璃鋼法蘭與閥門法蘭螺栓連接，再進行玻璃鋼法蘭手糊連接，最后安裝法蘭托架。

2.3 脫氯降解失效案例分析

為了解決金屬管材腐蝕問題，2005年在塔河7區(qū)、8區(qū)產(chǎn)能建設(shè)管材中應(yīng)用了塑料合金復(fù)合管，材料為聚氯乙烯樹脂(以下簡稱PVC)，管材標(biāo)準(zhǔn)為HG/T 4087-2009《塑料合金防腐蝕復(fù)合管》，設(shè)計溫度70 ℃，設(shè)計壓力1.6 MPa。投用后于2007年發(fā)生堵管，清管產(chǎn)物為鋸末狀，后經(jīng)數(shù)次清管仍不能完全暢通，2010年底停用。為了明確其原因，在T805(K)井單井管線現(xiàn)場截取了塑料合金復(fù)合管失效樣(見圖3)進行分析。

由圖3所示的管材橫截面形貌可以看出，管材內(nèi)襯下半部分(輸油區(qū)域)顏色由白色變?yōu)榧t褐色，但整體光滑平整，未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。管材內(nèi)襯上半部分(輸氣區(qū)域)則由白色變?yōu)榘岛谏?，表面極為粗糙，除了大量微米級凸點之外還存在明顯毫米級氣泡。截取樣品后發(fā)現(xiàn)，該氣泡在靠近內(nèi)襯表面處形成，且氣泡材質(zhì)類似于鋸末狀，與多次清管產(chǎn)物形態(tài)相吻合。因此，可以判定該管線發(fā)生堵管的原因為整條復(fù)合管塑料合金內(nèi)襯表面起泡、脫落后與輸送介質(zhì)堆積所致。

截取失效塑料合金復(fù)合管進行分析，由內(nèi)襯形貌(見圖4(a))可以看出，管材輸油部分的內(nèi)襯顏色沿內(nèi)表面至壁厚一半處顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色，其余一半仍保留了內(nèi)襯原來的顏色。內(nèi)表面雖存在裂紋和凸點，但整體平整光滑(見圖4(b))。管材輸氣部分的內(nèi)襯全部由白色變?yōu)榘岛谏?，且表面存在較多龜裂紋和氣泡(見圖4(c))。

經(jīng)模擬管材在油氣田環(huán)境中相容性實驗證明，PVC材料發(fā)生了降解反應(yīng)。采用傅里葉紅外光譜對失效的塑料合金復(fù)合管內(nèi)襯材料輸油部分和輸氣部分進行了檢測分析(見圖5)。從圖5可看出，輸油部分內(nèi)襯材料紅外譜圖中935 cm-1處的峰為C-Cl吸收峰，而輸氣部分內(nèi)襯材料對應(yīng)的峰強度急劇下降，表明C-Cl結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，進一步證明了PVC聚合物結(jié)構(gòu)中脫氯反應(yīng)的存在，從而說明PVC脫氯降解是管道失效的一個原因。

另一個原因為傳統(tǒng)塑料合金(CPVC、PVC、PE等混合物)的耐氣體滲透性較差。塔河油田具有“高CO2、高H2S、高Cl-、低pH值”的“三高一低”特點[7]。在高溫、高壓、酸性環(huán)境下，大量氣體(如CH4、H2S、CO2等)在材料表面吸附，部分氣體滲入內(nèi)襯層并與管道運行壓力趨于平衡，材料內(nèi)部積聚的壓力在管線檢修壓力突然下降時，材料內(nèi)氣體體積瞬間膨脹，從而形成較多毫米級氣泡，發(fā)生起泡失效，有時甚至發(fā)生內(nèi)襯坍塌現(xiàn)象。

通過以上分析，得出該單井管線塑料合金復(fù)合管失效原因：由于氣體滲透導(dǎo)致內(nèi)襯材料起泡，同時內(nèi)襯PVC管在酸性環(huán)境下脫氯降解，從而導(dǎo)致整條復(fù)合管塑料合金內(nèi)襯表面起泡、脫落，脫落物與輸送介質(zhì)堆積，導(dǎo)致堵管。

根據(jù)塑料合金復(fù)合管失效的情況及原因，提出以下整改措施：嚴格做好非金屬管選材設(shè)計，針對含H2S介質(zhì)輸送，當(dāng)H2S分壓大于0.3 kPa時，應(yīng)進行適用性評價后再開展應(yīng)用；對于已建塑料合金復(fù)合管線，建議采取更換或修復(fù)的方式解決管線失效問題。

3 非金屬管失效分析評價體系

目前，國內(nèi)沒有完善的非金屬管材失效分析方法，面對經(jīng)常突發(fā)的非金屬管失效事故，油田現(xiàn)場采取的整改措施通常是通知廠家搶修或更換管材，而未深入系統(tǒng)研究管材失效原因，未能從源頭上實現(xiàn)對類似事故的有效控制，使得管材失效不能得到根本改善[8]。

通過對塔河油田某計轉(zhuǎn)站HDPE內(nèi)穿插修復(fù)管線開裂失效、某聯(lián)合站污水外輸管線玻璃鋼法蘭滲漏失效、某單井用塑料合金復(fù)合管內(nèi)襯起泡失效3個典型失效案例進行的系統(tǒng)分析，明確了以上管材失效的原因，提出的整改措施已經(jīng)成功地應(yīng)用于類似管線的失效預(yù)防。由此，提出以下思路，系統(tǒng)分析非金屬管及其管件或連接件的失效原因：

(1) 從滲漏點出發(fā)，系統(tǒng)開展非金屬管失效原因調(diào)查，包括管材質(zhì)量、施工、服役、失效等具體信息，由此判定管材失效類型。

(2) 進行現(xiàn)場取樣，全面搜集失效樣品，并取同批次未使用的樣品作為對比分析，同時提取管材輸送介質(zhì)，分析介質(zhì)對管材的影響。

(3) 針對取樣樣品，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進行質(zhì)量檢驗，包括原材料基本性能、管材理化性能以及特殊工況條件檢測，由以上檢測結(jié)果對管材失效進行初判，并找出主要影響因素。

(4) 進行模擬工況試驗，系統(tǒng)評價管材在此條件下的運行能力，并檢驗初判正確性，試驗與失效初判一致，則可確定結(jié)論，并將材料適用情況總結(jié)歸納以便作為后期選材參考。如不一致，則重復(fù)以上步驟直至可以合理解釋為止。

(5) 在明確管材失效原因和主要影響因素的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論，提出合理可行的整改措施，編制報告，宣貫經(jīng)驗，預(yù)防類似的失效再次發(fā)生。

4 結(jié)語

通過對塔河油田相關(guān)非金屬管失效典型案例的分析，給其他類似失效案例提供了經(jīng)驗教訓(xùn)。在未來老油田改造和新油田建設(shè)中，非金屬材料的應(yīng)用規(guī)模將會越來越大，所以建立一個完善的非金屬管前期評價和失效分析評價體系十分重要。建立完善的非金屬管失效評價體系的具體措施是：

(1) 收集并分析更多非金屬管道失效案例。從更多的案例中提煉普遍的管道失效規(guī)律，并從不同案例解決方法中總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。

(2) 細化非金屬管失效評價體系內(nèi)容。從前期預(yù)防到后期補救措施，均應(yīng)有詳細的評價方式，便于管道運行者參考。

(3) 發(fā)展非金屬管道失效數(shù)據(jù)庫。利用計算機等先進技術(shù)，開發(fā)各種應(yīng)用軟件，以方便查詢、分析相關(guān)管道數(shù)據(jù)。