油氣田用柔性復(fù)合高壓輸送管材及性能研究

劉海璋，趙 坤，李紅智，黃曉輝，牛愛軍

(1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008)

石油管道的腐蝕問題一直是困擾石油工業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重問題，世界各國(guó)每年因管道腐蝕造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，我國(guó)每年也有大量的金屬管道因腐蝕失效，油氣田生產(chǎn)中多含有H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)，極易對(duì)金屬集輸管道產(chǎn)生腐蝕穿孔。非金屬管材具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，重量輕、比強(qiáng)度高、綜合成本低，已經(jīng)成為解決油氣輸送管道腐蝕問題的重要途徑[1-3]。

纖維增強(qiáng)熱塑性塑料管又稱柔性復(fù)合管，簡(jiǎn)稱RTP管，屬于非金屬?gòu)?fù)合管的一種，是將內(nèi)襯層材料良好的柔性、抗腐蝕性、耐磨性和可盤繞性等優(yōu)點(diǎn)和增強(qiáng)材料的高強(qiáng)度特點(diǎn)結(jié)合起來的一種新型復(fù)合管材。近年來，RTP管以其綜合成本低、耐腐蝕、承壓高、可盤卷、安裝方便等優(yōu)勢(shì)，在油氣開采運(yùn)輸方面應(yīng)用越來越廣泛[4]。RTP管主要用于油氣集輸、高壓注醇、油田注水和其他腐蝕性介質(zhì)輸送等領(lǐng)域，可有效解決油田站場(chǎng)集輸管線耐腐蝕性能差、現(xiàn)場(chǎng)連接施工難度大、鋪設(shè)效率低等難題。本文采用三步法制管工藝制備了工業(yè)滌綸絲增強(qiáng)柔性復(fù)合管，對(duì)復(fù)合管的機(jī)械性能、耐溫性能和接頭可靠性進(jìn)行了全方位的檢測(cè)評(píng)價(jià)，為柔性復(fù)合管的安全服役提供了依據(jù)。

1 柔性復(fù)合管產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

柔性復(fù)合管產(chǎn)品是一種高壓塑料復(fù)合管道，RTP管具有多層結(jié)構(gòu)，主要由聚合物內(nèi)襯層、增強(qiáng)層、外護(hù)套層構(gòu)成[5-6]。

聚合物內(nèi)襯層通常采用聚乙烯樹脂，也可以采用交聯(lián)聚乙烯樹脂、聚偏氟乙烯樹脂或改性后的其他高分子聚合物樹脂等，主要功能是根據(jù)輸送介質(zhì)的服役工況，滿足耐腐蝕、抗磨損、支撐增強(qiáng)纖維的作用；增強(qiáng)層為聚合物內(nèi)襯層上編織或纏繞有機(jī)纖維(滌綸工業(yè)長(zhǎng)絲、芳綸長(zhǎng)絲、超高分子量聚乙烯長(zhǎng)絲)、有機(jī)纖維(玻璃纖維、碳纖維)或金屬絲/帶等，主要為管材提供承壓、抗內(nèi)壓和抗軸向負(fù)載的作用；外護(hù)套采用聚乙烯樹脂，如高密度聚乙烯、聚丙烯等，主要作用是保護(hù)管體不受損傷和抗老化。

1.2 選材設(shè)計(jì)

1.2.1 內(nèi)襯層選材

RTP管中采用的熱塑性塑料有聚乙烯PE、交聯(lián)聚乙烯PEX、聚酰胺PA、聚偏氟乙烯PVDF等，根據(jù)管材實(shí)際服役溫度、輸送介質(zhì)選擇合適的內(nèi)管材料。按照內(nèi)襯層材料的熔點(diǎn)和維卡軟化溫度，從耐溫性能方面來考慮進(jìn)行選材，PE(聚乙烯)、UHMWPE(超高分子量聚乙烯)<70 ℃，PA11-12(尼龍11、尼龍12)<90 ℃，PEX(交聯(lián)聚乙烯)<90 ℃，PERT(高溫聚乙烯)<95 ℃，PVDF(聚偏二氟乙烯)<130 ℃[7-9]。

不同類型塑料管的耐溫性能差別較大，普通PE管的最高使用溫度只有70 ℃，高性能塑料聚四氟乙烯(PTFE)可達(dá)260 ℃以上。隨著溫度的升高，塑料管的承壓等級(jí)不斷下降。例如，當(dāng)溫度由20 ℃升高至80 ℃時(shí)，PE管強(qiáng)度下降50%以上，大口徑低壓RTP管強(qiáng)度下降20%左右。柔性復(fù)合高壓輸送管及接頭在輸送非20 ℃的介質(zhì)時(shí)，其公稱壓力按照柔性復(fù)合高壓輸送管SY/T 6662.2—2012標(biāo)準(zhǔn)5.5規(guī)定需要進(jìn)行修正。高密度聚乙烯PE100可滿足服役溫度65 ℃以下油田現(xiàn)場(chǎng)的集輸和注水管線需求。

1.2.2 增強(qiáng)層選材

目前RTP管通常采用鋼絲、滌綸絲、芳綸纖維、玻纖等作為增強(qiáng)層材料[10-12]，各種增強(qiáng)層材料各有優(yōu)缺點(diǎn)(見表1)，工業(yè)滌綸絲具有強(qiáng)度高、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可滿足常規(guī)集輸和注水管線性能要求，是目前RTP管最常用的增強(qiáng)纖維材料。

表1 增強(qiáng)層材料性能對(duì)比

1.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RTP管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于管材的承壓強(qiáng)度，依據(jù)SY/T 6662.2—2012標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RTP的內(nèi)徑、外徑和總壁厚，纏繞層的厚度可根據(jù)耐內(nèi)壓強(qiáng)度公式進(jìn)行理論推導(dǎo)，外管起保護(hù)作用，厚度一般為2.5～4 mm，內(nèi)管壁厚可以計(jì)算獲得，各層厚度最終通過管體性能檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)整。

經(jīng)驗(yàn)公式是參考多層交錯(cuò)纏繞增強(qiáng)管道設(shè)計(jì)方法，以平衡角纏繞時(shí)，管材常溫短期爆破壓力的計(jì)算如下：

式中，PB是增強(qiáng)RTP管爆破壓力，單位為MPa；η是壓力設(shè)計(jì)系數(shù)；N是纏繞增強(qiáng)纖維總根數(shù)；KB是單根纖維的斷裂拉力，單位為N/根；D計(jì)是計(jì)算直徑(增強(qiáng)層平均直徑)，單位為mm；C是不均勻性修正系數(shù)；ε是鋼絲斷裂延伸率。壓力設(shè)計(jì)系數(shù)η和不均勻性修正系數(shù)C都是經(jīng)驗(yàn)值，涉及管材和材料的具體參數(shù)較少，需要做爆破試驗(yàn)修正，最終確定增強(qiáng)層壁厚。

2 柔性復(fù)合管生產(chǎn)工藝

2.1 生產(chǎn)工藝

滌綸絲增強(qiáng)RTP管主要生產(chǎn)工藝流程為：原料入場(chǎng)檢驗(yàn)→內(nèi)管擠出工序→增強(qiáng)纏繞工序→外包覆生產(chǎn)工序→打包及接頭扣壓工序→出場(chǎng)檢驗(yàn)工序。從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了管材制造不同的結(jié)構(gòu)層需要在不同的生產(chǎn)機(jī)組來完成，RTP管生產(chǎn)工藝主要分為內(nèi)管擠出、增強(qiáng)層纏繞和外管包覆3個(gè)階段，3個(gè)階段在一條連續(xù)的生產(chǎn)線上完成稱作一步法，生產(chǎn)過程分階段增加收線和放線后分2次或3次完成稱作兩步法或三步法。一步法雖然節(jié)約了收線和放線工序，但是由于擠出和纏繞之間速度差異，影響RTP管質(zhì)量的穩(wěn)定性；兩步法或三步法雖然增加了收線和放線工序，但是質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.2 增強(qiáng)層纏繞工藝

2.2.1 纏繞角

纖維增強(qiáng)RTP管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)是纏繞角，即纖維纏繞方向與管材軸向的夾角。纏繞角對(duì)復(fù)合管性能影響很大；最優(yōu)纏繞角可以實(shí)現(xiàn)沿壁厚等強(qiáng)度[13]。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[14-15]表明，單一纏繞角的纖維纏繞薄壁管道在施加內(nèi)壓或經(jīng)受環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力之比為2∶1的荷載下，最優(yōu)纏繞角約為55°。當(dāng)纏繞角<25°或>75°時(shí)，纖維發(fā)生重疊，沒有意義。理論計(jì)算纏繞角變化時(shí)管材軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的變化規(guī)律如圖1所示，纏繞角對(duì)纖維應(yīng)變的影響如圖2所示，當(dāng)纏繞角為54.7°時(shí)，軸向應(yīng)力等于環(huán)向應(yīng)力，54.7°為最佳纏繞角。

圖1 纏繞角對(duì)環(huán)向、軸向應(yīng)力的影響

圖2 纏繞角對(duì)纖維應(yīng)變的影響

2.2.2 纏繞節(jié)距

纏繞節(jié)距是指增強(qiáng)纖維沿管子表面以一定的纏繞角纏繞1周在管子軸向走過的距離。節(jié)距=πD/tan54.7°，式中D是管材的直徑。保證節(jié)距也就保證了纏繞角。在工藝試制中需要實(shí)際測(cè)量每個(gè)絞體上的管材的直徑來確定節(jié)距。

2.2.3 纏繞張力

纏繞張力是指增強(qiáng)纖維在管子表面纏繞時(shí)的預(yù)緊力。生產(chǎn)中滌綸絲錠由滿盤變?yōu)榭毡P，不能做到恒張力纏繞，張力會(huì)遞減，但從管體頭尾爆破強(qiáng)度實(shí)際測(cè)試值來看，影響較小。

生產(chǎn)過程中，增強(qiáng)纖維一般在4個(gè)絞體上需要纏繞4層，外層纖維將對(duì)內(nèi)層纖維產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力而發(fā)生內(nèi)層纖維松弛，為避免各纏繞層出現(xiàn)內(nèi)松外緊，保證內(nèi)外各層纖維能夠同時(shí)承載內(nèi)壓，一般Ⅰ和Ⅱ絞體張力比Ⅲ和Ⅳ絞體張力大0.5 Kgf。

3 柔性復(fù)合管產(chǎn)品性能

采用高密度聚乙烯原料PE100和工業(yè)滌綸絲MCY-HT，結(jié)合開發(fā)的復(fù)合管的制備工藝，成功試制出了DN17 mm、32 MPa；DN40 mm、25 MPa；DN50 mm、20/25/32 MPa；DN65 mm、20/25 MPa；DN85 mm、16/20 MPa；DN150 mm、2.5/6.4 MPa共11種規(guī)格RTP管。對(duì)制備的復(fù)合管按照SY/T 6662.2—2012《石油天然氣工業(yè)用非金屬?gòu)?fù)合管 第2部分：柔性復(fù)合高壓輸送管》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)價(jià)，各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 復(fù)合管理化性能評(píng)價(jià)

所有試生產(chǎn)的RTP管按照SY/T 6662.2—2012標(biāo)準(zhǔn)自檢，外觀質(zhì)量、規(guī)格尺寸及短期靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和爆破強(qiáng)度試驗(yàn)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，具體見表2、表3和圖3。開發(fā)的11種規(guī)格RTP管在1.5倍公稱壓力下保壓4 h，均未發(fā)生泄漏和破裂，爆破強(qiáng)度均大于3倍公稱壓力，符合SY/T 6662.2—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 復(fù)合管受壓開裂穩(wěn)定性和縱向回縮率試驗(yàn)結(jié)果

表3 復(fù)合管短期靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 復(fù)合管爆破強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 復(fù)合管全管體質(zhì)量檢測(cè)

由于SY/T 6662.2—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目只有內(nèi)襯管縱向回縮率、管體受壓開裂穩(wěn)定性、短期靜水壓強(qiáng)度和爆破強(qiáng)度試驗(yàn)等4項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容，不能全面反映管材的整管耐溫性、機(jī)械性能和接頭可靠性等，為了全面評(píng)價(jià)開發(fā)的RTP管產(chǎn)品，從65 ℃長(zhǎng)期靜液壓、爆破強(qiáng)度、1 000 h存活試驗(yàn)、全管體拉伸強(qiáng)度、氣密性、耐蝕性等方面做全方位的檢測(cè)，對(duì)DN40 mm 25 MPa和DN50 mm 25 MPa兩種規(guī)格的RTP管進(jìn)行了非標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測(cè)。結(jié)果表明，開發(fā)的RTP管高溫耐壓性優(yōu)良，機(jī)械性能良好，接頭安全可靠。

3.2.1 管體高溫耐壓性能

柔性復(fù)合管的耐溫性能結(jié)果見表4，長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6111—2003進(jìn)行，將管體放置在65 ℃水浴環(huán)境中，在1.5倍公稱壓力下保壓165 h，評(píng)價(jià)管材的耐溫性能，2種規(guī)格管材無泄漏、未破裂。高溫爆破試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15560—1995進(jìn)行，DN40 25 MPa復(fù)合管65 ℃爆破強(qiáng)度為95 MPa，DN50 25 MPa復(fù)合管65 ℃爆破強(qiáng)度為71.5 MPa，對(duì)于高溫爆破標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定評(píng)判要求。1 000 h存活試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)API RP15S—2006進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度65 ℃，DN40 25 MPa復(fù)合管試驗(yàn)壓力為50.12 MPa，DN50 25 MPa復(fù)合管試驗(yàn)壓力為45.71 MPa，2種管材都未發(fā)生泄漏和破裂。

表4 復(fù)合管耐溫性能測(cè)試結(jié)果

3.2.2 管體機(jī)械性能

柔性復(fù)合管的機(jī)械性能見表5，復(fù)合管的軸向拉伸試驗(yàn)按照SY/T 6222.6—2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，DN40 mm、25 MPa規(guī)格復(fù)合管軸向拉斷力為22.83 kN，DN50 mm、25 MPa規(guī)格復(fù)合管軸向拉斷力為30.04 kN。2種管材在標(biāo)準(zhǔn)要求的最小彎曲半徑時(shí)，1.5倍公稱壓力下保壓4 h，管材均未泄漏、破裂。

表5 復(fù)合管機(jī)械性能

3.2.3 管體密封性能

復(fù)合管氣密性試驗(yàn)按照SY/T 6222.2—2012標(biāo)準(zhǔn)附錄E進(jìn)行，在1.25倍氣體公稱壓力下保壓3 h，2種管材均未發(fā)生氣體泄漏，具體見表6。

表6 復(fù)合管機(jī)械性能

3.2.4 內(nèi)襯材料的耐蝕性

本次試制的柔性復(fù)合管采用的內(nèi)襯管材料均是同一種PE100高密度聚乙烯材料，將復(fù)合管的內(nèi)襯管試樣置于高溫高壓釜進(jìn)行暴露試驗(yàn)，模擬油氣田介質(zhì)環(huán)境，測(cè)試試驗(yàn)前后試樣的重量和拉伸性能變化，評(píng)價(jià)復(fù)合管的耐H2S介質(zhì)相容性，試驗(yàn)依據(jù)ISO 23936-1:2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為168 h，試驗(yàn)溫度為65 ℃，試驗(yàn)壓力為10 MPa，試驗(yàn)介質(zhì)氣相(30%體積)：5%二氧化碳、10%硫化氫和85%氮?dú)?；試?yàn)介質(zhì)液相(70%體積)：氯離子濃度140 000 mg/L。具體重量測(cè)試和拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表7，聚合物內(nèi)襯層重量變化率為+0.81%，主要是一方面介質(zhì)向材料內(nèi)部滲透而引起增重，材料內(nèi)部樹脂被萃取而失重，高分子材料在浸泡過程中發(fā)生溶脹產(chǎn)生的影響大于被萃取造成的影響，因而最終表現(xiàn)為內(nèi)襯管增重。內(nèi)襯管試驗(yàn)后拉伸強(qiáng)度變低，強(qiáng)度變化率為-3.51%，但變化率<5%，主要由于聚烯烴樹脂與試驗(yàn)介質(zhì)之間基本沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅發(fā)生部分吸脹效應(yīng)，材料強(qiáng)度變化不明顯。

表7 復(fù)合管內(nèi)襯層耐H2S介質(zhì)相容性性能

上述試驗(yàn)表明，開發(fā)的RTP管承高壓、耐65 ℃高溫、力學(xué)性能、接頭可靠性等方面性能優(yōu)異，具有良好的耐CO2、H2S腐蝕性能，可滿足油氣田的集輸、注水要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過柔性復(fù)合管的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的開發(fā)，采用三步法制管工藝制備了系列柔性復(fù)合管，復(fù)合管理化性能滿足SY/T 6662.2—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)開發(fā)的RTP管高溫耐壓性優(yōu)良，機(jī)械性能良好，接頭安全可靠，可用于油氣田強(qiáng)腐蝕介質(zhì)工況的集輸管線和注水管線。