油氣集輸玻璃鋼管道力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

張秉乾，張正棠

油氣集輸玻璃鋼管道力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

張秉乾，張正棠

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730050）

油氣集輸用玻璃鋼管道在地下使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生螺紋連接接頭滲漏、脫扣、管體表面機(jī)械劃傷、管壁磨損、內(nèi)外部裂紋、老化分層、夾渣、孔隙、脆斷開(kāi)裂等失效事故。為了找出玻璃鋼管道運(yùn)行中可能存在的失效原因，采用差式掃描量熱儀、水壓試驗(yàn)機(jī)、材料試驗(yàn)機(jī)等試驗(yàn)設(shè)備，分別在現(xiàn)場(chǎng)截取了2009年投用的DN50、DN65、DN100、DN150、DN200以及新生產(chǎn)尚未投用的DN65玻璃鋼管試樣，利用上述試樣對(duì)玻璃鋼失效斷口形貌、拉伸強(qiáng)度、硬度、玻璃鋼轉(zhuǎn)變溫度、樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不可溶分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明：玻璃鋼管樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與玻璃鋼管道接頭連接性能有關(guān)，樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低導(dǎo)致樹(shù)脂對(duì)纖維膠合作用降低，使得玻璃鋼管力學(xué)性能降低，最終導(dǎo)致接口失效。

玻璃鋼；力學(xué)性能；實(shí)驗(yàn)

目前，石油化工行業(yè)中采用管道運(yùn)輸介質(zhì)大多采用金屬管道，金屬管道在使用中最大的問(wèn)題是金屬腐蝕，據(jù)統(tǒng)計(jì)由金屬腐蝕給企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞、人員傷亡、資源浪費(fèi)都是不可估量的[1]。玻璃鋼管材料主要是樹(shù)脂為基層材料，玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，這樣的設(shè)計(jì)具有可以耐內(nèi)外壁腐蝕、材料密度小、內(nèi)壁摩阻系數(shù)小流通效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此玻璃鋼被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)、市政排水、熱力等領(lǐng)域。它與金屬管道比較具有很多缺點(diǎn)，如玻璃鋼管與金屬鋼相比強(qiáng)度低、不耐高溫、易脆斷等。

在眾多玻璃鋼研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼管道出現(xiàn)問(wèn)題最多的地方是在螺紋連接接頭處。連接接頭主要承受著多種力，目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者大量研究主要都是基于有限元法利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬以及實(shí)驗(yàn)室采用力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)力學(xué)性能、彎曲試驗(yàn)研究，而對(duì)玻璃鋼檢驗(yàn)檢測(cè)方面除了一些單一的檢測(cè)手段外尚無(wú)研究[2-6]，在玻璃鋼管的連接方面今后需要考慮更可靠的連接方式，不僅能承管道內(nèi)壓引起的環(huán)向、軸向拉伸載荷，還要能受外部作用剪切載荷。

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，金屬管道在工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中使用時(shí)越來(lái)越多的缺陷暴露出來(lái)，這就迫使金屬鋼管道在這些領(lǐng)域需要不斷地更新?lián)Q代以找到合適的代替材料。目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都在探索找到一種非金屬管道材料來(lái)替代金屬管材。歐、美、德等國(guó)家早在20世紀(jì)40年代就開(kāi)始對(duì)非金屬管道進(jìn)行了大量研究，并制造了玻璃鋼管道進(jìn)行試驗(yàn)[7]。目前，國(guó)際上對(duì)非金屬管道的研究越來(lái)越深入，而且近年來(lái)發(fā)展很快，年產(chǎn)量逐漸增加。我國(guó)的玻璃鋼管道起步較晚，20世紀(jì)80年代末首次進(jìn)行玻璃鋼研究并引進(jìn)玻璃鋼管道制造裝置，從此我國(guó)正式進(jìn)行非金屬管道的研究，非金屬管道在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始了快速的發(fā)展。而玻璃鋼管道在眾多非金屬管道中尤其在油氣田大規(guī)模的應(yīng)用脫穎而出，這在油氣田管道使用中對(duì)減輕腐蝕、延長(zhǎng)管道壽命、提高輸送能力起到了不可估量的作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 現(xiàn)場(chǎng)取樣

某油田因季節(jié)交替原因正在進(jìn)行管道維修及更新過(guò)程，將出現(xiàn)問(wèn)題的管道全部挖出進(jìn)行替換，在失效管道中按照《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005）、《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法》（GB/T 2577—2005）、《纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂不可溶分含量試驗(yàn)方法》（GB/T 2576—2005）、《纖維增強(qiáng)塑料巴柯?tīng)栍捕仍囼?yàn)方法》（GB/T 3854—2005）、《塑料 差示掃描量熱法DSC》（GB/T 19466.2—2004）等標(biāo)準(zhǔn)分別截取2009年投用的DN50、DN65、DN100、DN150、DN200的失效管道試樣，這些管道到目前為止正好已投用10年，現(xiàn)場(chǎng)取樣如圖1所示。在現(xiàn)場(chǎng)失效件取樣中每種規(guī)格管道拉伸試驗(yàn)取5組試樣并進(jìn)行標(biāo)記，硬度檢測(cè)試驗(yàn)取2組試樣并做好標(biāo)記，玻璃鋼轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)取3組試樣并做好標(biāo)記，樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)試驗(yàn)取3組試樣并做好標(biāo)記，不可溶分質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)試驗(yàn)取3組試樣并做好標(biāo)記。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)失效件取樣

1.2 失效原因分析

所截取的5種不同規(guī)格的試樣都發(fā)現(xiàn)有原油已經(jīng)滲漏，如圖2所示。

在清理滲漏周?chē)秃筮M(jìn)行開(kāi)挖，直至挖出泄漏的失效管道，從現(xiàn)場(chǎng)失效管道可以看出有管道螺紋脫扣、機(jī)械損傷、基體腐蝕、分層、裂紋、管本體被磨通，由于失效管被挖出后除了個(gè)別能清理出來(lái)用于實(shí)驗(yàn)研究，大多失效管表面被污染及損壞已無(wú)法清晰辨認(rèn)傷口，只能依據(jù)被破壞的狀態(tài)簡(jiǎn)單分析，具體造成可能泄漏的原因有如下：

1）制造過(guò)程存在的缺陷。由于玻璃鋼管缺乏制造、安裝檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，致使玻璃鋼管在制造完畢后無(wú)法檢測(cè)除了肉眼能看到的表面缺陷之外的內(nèi)部缺陷，這些內(nèi)部缺陷應(yīng)力腐蝕，慢慢拓展為裂紋，進(jìn)而引發(fā)泄漏。

2）由于玻璃鋼的制造工藝是將玻璃纖維一層層纏繞到基體上，在輸送中原油中腐蝕物滲透到基體與玻璃纖維界面層導(dǎo)致層層之間的黏結(jié)力減弱甚至破壞黏結(jié)力，這樣就會(huì)形成孔隙或者裂紋，在應(yīng)力作用下玻璃纖維脫落、分層，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕液進(jìn)一步擴(kuò)展，直至破壞管本體。

3）因原油成分復(fù)雜多樣，長(zhǎng)期浸泡在原油中的基體會(huì)慢慢溶脹，原油的成分不是均勻單一的，被浸泡在原油中的基體所受污染程度也不一樣，就會(huì)導(dǎo)致受污染嚴(yán)重的基體加速降解，致使基體強(qiáng)度削弱甚至老化，基體被破壞后原油中腐蝕物沿著基體慢慢浸入玻璃纖維層，最終導(dǎo)致管體穿孔、開(kāi)裂泄漏。

4）原油中含有大量的砂石等尖銳硬塊，在輸送過(guò)程中這些尖銳硬塊逐漸與管內(nèi)壁磨損，磨損嚴(yán)重區(qū)域基體開(kāi)始老化甚至開(kāi)裂，使得原油中腐蝕物按照上述的機(jī)理慢慢向外腐蝕，最終導(dǎo)致管體開(kāi)裂，出現(xiàn)滲漏、裂紋。

5）螺紋連接接頭脫扣。玻璃鋼油管螺紋接頭處的脫扣失效是由季節(jié)性溫差引起地溫變化而導(dǎo)致的失效。因此必須掌握地溫隨季節(jié)性變化的規(guī)律。根據(jù)地下溫度變化，底殼溫度通常劃分為4個(gè)地溫帶：溫度日常變化帶，該帶溫度受每天氣溫的影響，深度范圍在1～2 m；溫度季節(jié)變化帶，該帶溫度受季節(jié)性氣溫的影響，深度范圍在15～30 m；恒溫帶，通常用當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄孛鏈囟却妫疃确秶?30 m以下；增溫帶，在恒溫帶之下，地層溫度隨埋深的增加而升高。

由于玻璃鋼輸油管道埋在山里面，根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)形貌，導(dǎo)致螺紋連接接頭脫扣還有一個(gè)原因就是山體滑坡以及地殼運(yùn)動(dòng)，主要是山體滑坡給玻璃鋼螺紋接頭施加拉伸、剪切、彎曲應(yīng)力，致使接頭脫扣。

6）由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的玻璃鋼施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在現(xiàn)場(chǎng)施工中無(wú)標(biāo)準(zhǔn)約束，致使管道安裝時(shí)存在大量的問(wèn)題。在上述截取的5種規(guī)格試樣中，其中一個(gè)失效管上方有一個(gè)直徑約30 mm洞，直接導(dǎo)致原油噴出，在該失效件附近發(fā)現(xiàn)大量直徑 20 mm以上的石子，玻璃鋼管道在油田有一部分管道沿路鋪設(shè)，而在山里行駛的大都是拉油重車(chē)，每當(dāng)車(chē)經(jīng)過(guò)都會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生振動(dòng)，管道就會(huì)沿著約束弱的一側(cè)產(chǎn)生位移，時(shí)間久了該處就會(huì)發(fā)生磨損失效。

1.3 試樣制備

試樣制備按照《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005）、《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法》（GB/T 2577—2005）、《纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂不可溶分含量試驗(yàn)方法》（GB/T 2576—2005）、《纖維增強(qiáng)塑料巴柯?tīng)栍捕仍囼?yàn)方法》（GB/T 3854—2005）、《塑料 差示掃描量熱法DSC》（GB/T 19466.2—2004）標(biāo)準(zhǔn)中要求進(jìn)行截取，如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)試樣

1.4 試驗(yàn)研究

1.4.1 軸向拉伸強(qiáng)度

在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格失效件上取5組試樣，在未服役的DN65新管上取5組試樣，試樣規(guī)格：250mm×20mm×3mm；環(huán)境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005），利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量了玻璃鋼管的軸向拉伸強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。由表1可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件與未服役新管件的軸向拉伸強(qiáng)度基本相當(dāng)，試樣為胺固化樹(shù)脂玻璃鋼，所有試樣的玻璃鋼軸向拉伸強(qiáng)度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 玻璃鋼管軸向拉伸強(qiáng)度測(cè)量值

圖4至圖9為軸向拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)圖。

圖4 DN50失效樣軸向拉伸試驗(yàn)圖

圖5 DN65失效樣軸向拉伸試驗(yàn)圖

圖6 DN100失效樣軸向拉伸試驗(yàn)圖

圖7 DN150失效樣軸向拉伸試驗(yàn)圖

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件上取5組試樣，在未服役的DN65新管上取5組試樣，試樣規(guī)格250 mm×20 mm×3 mm，環(huán)境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005），利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量了玻璃鋼管的軸向拉伸模量，結(jié)果如表2所示。由表2可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件與未服役新管件的軸向拉伸模量基本相當(dāng)，試樣為胺固化樹(shù)脂玻璃鋼，所有試樣的玻璃鋼軸向拉伸模量均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 玻璃鋼管軸向拉伸模量測(cè)量值

1.4.2 樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件上取3組試樣，在未服役的DN65新管上取3組試樣，試樣規(guī)格：25 mm×25 mm×3 mm，環(huán)境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據(jù)《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法》（GB/T 2577—2005），對(duì)玻璃鋼管的樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3所示。由表3可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件與未服役新管件的樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均滿(mǎn)足要求，DN100失效試樣存在分層現(xiàn)象，由此判斷樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低將會(huì)使得基體及纖維層出現(xiàn)分層現(xiàn)象，玻璃纖維作為增強(qiáng)劑增強(qiáng)作用也會(huì)下降，因此樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將是影響玻璃鋼管力學(xué)性能的重要指標(biāo)，樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低會(huì)導(dǎo)致玻璃鋼管力學(xué)性能降低，樹(shù)脂層分層引發(fā)失效，試樣為胺固化樹(shù)脂玻璃鋼。

表3 玻璃鋼管樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量值

1.4.3 不可溶分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件上取3組試樣，在未服役的DN65新管上取3組試樣，試樣規(guī)格：（1±0.2）g；環(huán)境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據(jù)《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂不可溶分含量試驗(yàn)方法》（GB/T 2576—2005），對(duì)玻璃鋼管的樹(shù)脂不可溶分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表4所示。由表4可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件與未服役新管件的樹(shù)脂不可溶分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均滿(mǎn)足要求，試樣為胺固化樹(shù)脂玻璃鋼。

表4 玻璃鋼管樹(shù)脂不可溶分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量值

1.4.4 硬度

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件上取2組試樣，在未服役的DN65新管上取2組試樣，試樣規(guī)格：180 mm×20 mm×3 mm；環(huán)境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料巴柯?tīng)栍捕仍囼?yàn)方法》（GB/T 3854—2005），對(duì)玻璃鋼管的硬度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表5所示。由表5可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件與未服役新管件的硬度值基本相當(dāng)，試樣為胺固化樹(shù)脂玻璃鋼，所有試樣的玻璃鋼硬度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 玻璃鋼管硬度測(cè)量值

1.4.5 玻璃鋼轉(zhuǎn)變溫度

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件上取3組試樣，在未服役的DN65新管上取3組試樣，試樣規(guī)格：9.6 mg；環(huán)境條件：溫度23.5℃，濕度41% RH。依據(jù)《塑料 差示掃描量熱法DSC》（GB/T 19466.2—2004），對(duì)玻璃鋼管的玻璃鋼轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表6所示。由表6可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規(guī)格的失效件與未服役新管件的玻璃鋼轉(zhuǎn)變溫度均滿(mǎn)足要求，試樣為胺固化樹(shù)脂玻璃鋼。

表6 玻璃鋼管轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量值

圖10至圖15為玻璃鋼轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試圖。

圖10 DN50失效試樣玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）測(cè)試圖

圖11 DN65失效試樣玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）測(cè)試圖

圖12 DN100失效試樣玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）測(cè)試圖

圖13 DN150失效試樣玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）測(cè)試圖

圖14 DN200失效試樣玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）測(cè)試圖

圖15 DN65未服役試樣玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）測(cè)圖

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究分析，玻璃鋼管道在地下服役可靠性是比較高的，除第三方破壞之外，正常使用玻璃鋼管道在耐腐蝕、抗老化等方面性能還是比較優(yōu)越的，這也是玻璃鋼管道近期被大量推廣的原因。

2 結(jié) 論

1）玻璃鋼管樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低導(dǎo)致樹(shù)脂對(duì)纖維膠合作用降低，是玻璃鋼管力學(xué)性能較低、容易失效的重要原因。

2）對(duì)于未服役和服役10年之后的玻璃鋼管道，他們的玻璃鋼轉(zhuǎn)變溫度都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，該實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)一步研究。

［1］雷文.玻璃鋼管道的技術(shù)特點(diǎn)及在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].玻璃 鋼/復(fù)合材料，1999（1）：36-39．

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［7］龐巨豐．測(cè)井原理及儀器[M].北京: 科學(xué)出版社，2008．

Experimental Study on Mechanical Properties of FRP Pipes for Oil and Gas Gathering and Transportation

,

（Gansu Province Special Equipment Inspection and Testing Institute, Lanzhou Gansu 730050, China)

Failure accidents such as leakage of threaded joints, trip, mechanical scratches on the surface of the pipe body, wear of the pipe wall, internal and external cracks, aging stratification, slag inclusions, pores, brittle fracture and cracking, are common in the underground use of FRP pipes for oil and gas gathering and transportation. In order to find out the possible causes of failure in the operation of FRP pipes, using differential scanning calorimeter, hydraulic testing machine, material testing machine and other test equipment, intercepting samples of DN50, DN65, DN100, DN150, DN200 that were put into use in 2009 and DN65 glass steel pipe samples that have not been put into use in new production,the failure fracture morphology, tensile strength, hardness, glass fiber reinforced plastics transition temperature, resin mass fraction, and insoluble content mass fraction of FRP samples were measured. The results showed that the resin mass fraction of glass steel tube was related to the connection performance of FRP pipe joints, and the low mass fraction led to the decrease of resin bonding effect on fiber, which led to the low mechanical properties of glass steel tube, and finally led to the failure of interface.

Glass fiber reinforced plastic; Mechanical properties; experiment

2020-08-20

張秉乾（1987-），男，甘肅省蘭州市人，工程師，碩士研究生， 2011年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：壓力管道、壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)。

張正棠（1989-），男，工程師，碩士，研究方向：壓力管道、壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)、非金屬管道研究。

TQ050.4+2

A

1004-0935（2021）06-0766-06