地面集輸用柔性復合管爆管失效原因分析

陳慶國，齊國權(quán)，夏明明，李先明，喻友均，梁藍云，王明沖，呂宏光

(1.中國石油塔里木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000；2. 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)

0 引 言

隨著油田管道輸送介質(zhì)腐蝕性越來越高，地面集輸管線中用量最多的碳鋼管道存在巨大的腐蝕風險，尤其是近年來國家相關(guān)法規(guī)相繼出臺，對安全和環(huán)保提出了更高的要求[1-4]。目前可供選擇的金屬管道腐蝕治理方案主要包括兩類，即采用耐蝕合金管材和碳鋼加緩蝕劑[5-7]。然而，直接采用耐蝕合金管材成本非常高，采用碳鋼管線加注緩蝕劑的方法不僅成本高、難度大，在高流速輸氣管線上的應用效果也待進一步證實。近年來，具有安裝快捷、抗磨、耐腐蝕、輸送阻力小、壽命長、可重復應用等特點的柔性復合管(RTP管)成為地面集輸用新型非金屬管道，其用量增速為非金屬管道之最[8-11]。柔性復合管在服役過程中，由于輸送介質(zhì)的腐蝕、溫度和壓力等物理場的作用以及外界或人為破壞等因素，使得管道的抗壓強度降低，同樣會造成管道失效，導致資源損失，并對社會和環(huán)境產(chǎn)生嚴重的后果[12-14]。本文對某油田地面集輸用柔性復合管爆管失效進行了分析，查找失效原因并提出了合理化建議。

1 現(xiàn)場情況

某井用柔性復合管在投產(chǎn)運行6個月左右即發(fā)生爆管失效事故。該柔性復合管規(guī)格為DN80 PN12 MPa，生產(chǎn)標準執(zhí)行SY/T 6662.2—2012《石油天然氣工業(yè)用非金屬復合管 第2部分：柔性復合高壓輸送管》，其中增強層為滌綸纖維，內(nèi)襯層為耐熱聚乙烯(PE-RT)。該管線埋地敷設，輸送介質(zhì)為油、氣、水混合，運行溫度最高達到60 ℃，運行壓力最高達到8 MPa。

2 測試方法

2.1 宏觀形貌分析

為明確失效后試樣發(fā)生的外觀形貌及尺寸變化情況，對失效樣品開展了宏觀分析。首先觀察管體外壁破裂形貌，然后對各功能層進行逐層刨開，觀察夾層間是否存在滲液、內(nèi)襯層是否存在溶脹、變形。

2.2 內(nèi)襯層理化性能分析

在管道運行過程中，內(nèi)襯材料與介質(zhì)直接接觸，決定著管道的耐熱及耐介質(zhì)性能。因此，文中開展了內(nèi)襯層理化性能分析，主要包括耐溫性能及硬度測試。依據(jù)GB/T 1633—2000中的B50法(50 N，50 ℃/h)，采用維卡軟化點溫度檢測儀進行維卡軟化溫度檢測，測試位置為兩處，包括失效和未失效部位。其次，依據(jù)GB/T 2411—2008，采用邵氏硬度(HD)測試儀對未失效和失效部位的內(nèi)襯層內(nèi)外表面分別進行邵氏硬度測量。

2.3 內(nèi)襯層成分分析

為分析服役管材是否存在因介質(zhì)侵蝕而發(fā)生成分改變行為，采用布魯克VERTEX70傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對失效部位附近和未失效部位內(nèi)襯層內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)成分進行分析。通過測試結(jié)果與標準圖譜比對，判定材料成分變化情況。

2.4 整管承壓性能

為了查明常規(guī)施工條件下該批次管材是否滿足承壓性能要求，對該條管線的未失效位置進行取樣并開展承壓性能評價，包括靜水壓試驗和水壓爆破試驗。采用非金屬管材水壓試驗機，對2根樣管分別進行室溫和60 ℃下的短期靜水壓試驗，試驗壓力均為18 MPa，保壓4 h。采用非金屬管材爆破試驗機，對上述完成靜水壓試驗后的樣管進行水壓爆破試驗。

2.5 整管扭轉(zhuǎn)實驗

在柔性復合管制造或施工過程中，由于不當操作，可能造成柔性復合管嚴重扭曲，從而影響其承壓性能。為了模擬現(xiàn)場施工可能會對柔性復合管造成扭曲效應，進而影響到柔性復合管的增強層分布和內(nèi)襯層形變等，采用扭轉(zhuǎn)試驗機，分別以30°、60°和90°扭角進行扭轉(zhuǎn)試驗，觀測試樣的形變及增強纖維分布等情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀形貌分析

圖1為柔性復合管失效管段整體宏觀形貌。失效管段距離接頭1.2～4 m左右，失效管段因爆破導致嚴重的彎折變形。失效管段被兩處較為嚴重的彎折部位分為三部分，其中間管段外保護層缺失，纖維層外露、打結(jié)，附著沙土油污等。另外兩段靠近彎折部位也存在外保護層撕裂和纖維外露。

圖1 失效管樣照片

圖2和圖3分別為第一處和第二處彎折部位形貌，從圖中可以看出因爆管而導致管段外保護層和內(nèi)襯層出現(xiàn)嚴重的撕裂，纖維增強層纏繞、斷裂、打結(jié)嚴重，由于纖維滑移導致內(nèi)襯層失去保護。

圖4為失效管段外保護層損傷形貌，失效管段外保護層不同程度地存在劃傷痕跡和在外部載荷作用下導致的纖維層勒痕。

圖5為失效管段外保護層剖開后形貌。從中可以看出，失效部位有3處，每一失效部位均存在明顯的纖維層滑移。除失效部位周圍和中間管段外，其余部分纖維層較為完整，纖維上有少量油漬。

圖2 柔性復合管第一處彎折部位形貌

圖3 柔性復合管第二處彎折部位形貌

圖4 失效管段外保護層損傷形貌

圖5 失效管段剖開后形貌

圖6為失效管段內(nèi)襯層整體形貌，由圖6可以觀察到管段內(nèi)襯存在嚴重的扭曲打結(jié)，爆破缺口共8處。

為進一步明確失效原因，對失效管段內(nèi)襯局部典型部位進行了觀察，如圖7所示。由圖7(a)可以觀察出，爆破缺口1一側(cè)內(nèi)襯層存在較為明顯的劃痕；圖7(b)顯示爆破缺口3附近內(nèi)襯層存在少量劃痕和一定的扭曲；圖7(c)顯示爆破缺口附近內(nèi)襯層存在極為嚴重的扭曲變形；圖7(d)為未爆破部位剖開后形貌，其內(nèi)襯同樣存在一定的扭曲和劃傷痕跡，表明管段在爆破之前就存在扭曲變形。而內(nèi)襯劃傷痕跡應是在扭轉(zhuǎn)和拉伸應力作用下纖維滑移集中到某一部位而產(chǎn)生的勒痕。纖維的滑移也導致了內(nèi)襯層局部區(qū)域失去增強層的保護而導致爆管。

圖6 失效管段內(nèi)襯層整體形貌

圖7 失效管段內(nèi)襯層局部典型形貌

3.2 內(nèi)襯層理化性能分析

1)維卡軟化溫度

溫度-形變曲線如圖8所示，未失效樣維卡軟化溫度平均值為63.47 ℃，失效樣為62.16 ℃。管道運行過程中，內(nèi)襯層直接與介質(zhì)接觸，在一定溫條件下，由于溶脹作用導致材料其尺寸穩(wěn)定性變差。

圖8 未失效和失效內(nèi)襯維卡軟化溫度-形變曲線

通過分析兩處測試結(jié)果，失效部位附近內(nèi)襯試樣的維卡軟化溫度與未失效部位的相當，可見兩者耐溫性能無明顯差異。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性能的指標之一。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[15-17]。

2)成分分析

成分分析結(jié)果如圖9所示。分析結(jié)果表明內(nèi)襯層材質(zhì)均為聚乙烯，柔性復合管失效和未失效部位內(nèi)襯層內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)成分基本一致。表明內(nèi)襯材料在服役過程中，紅外圖譜顯示的特征區(qū)和指紋區(qū)的波峰位置和強度均沒有明顯變化，說明該材料在油田模擬環(huán)境下，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)仍然穩(wěn)定，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能[18-20]。

3)邵氏硬度

采用邵氏硬度(HD)測試儀，對ZG801-H3井柔性復合管失效部位附近和未失效部位內(nèi)襯層內(nèi)外表面分別進行邵氏硬度測量，結(jié)果見表1。由測試結(jié)果可知，失效部位附近樣品的邵氏硬度(HD)要低于未失效部位，而不論是失效部位附近樣品還是未失效樣品內(nèi)襯層內(nèi)表面硬度均低于外表面。結(jié)合內(nèi)襯材料的表觀顏色變化可以推測，在輸送介質(zhì)的過程中，油氣介質(zhì)由于滲透而進入管材內(nèi)部，從而導致了內(nèi)外表面硬度及顏色發(fā)生差異[21]。

圖9 紅外圖譜分析

表1 ZG801-H3井用柔性復合管內(nèi)襯試樣邵氏硬度(HD)

3.3 承內(nèi)壓性能

靜水壓試驗過程中，未發(fā)生開裂、滲漏現(xiàn)象，結(jié)果符合標準SY/T 6662.2—2012要求。分別對室溫和60 ℃條件下完成靜水壓試驗的樣管進行水壓爆破試驗，爆破壓力分別為46.2 MPa和42.8 MPa，試樣爆破后外觀如圖10和圖11所示。由爆破試驗結(jié)果可知，當試驗溫度為60 ℃時，較室溫條件下的爆破強度降低約7%，可見較高溫度會對承壓性能不利。然而，試驗結(jié)果對比SY/T 6662.2—2012對于承壓性能要求可知，爆破強度均滿足其要求，即≥3.0倍公稱壓力，可見在該運行工況條件下(60 ℃)，溫度對承壓性能造成影響有限，非導致其失效的原因。

圖10 靜水壓試驗后爆破外觀(常溫)

圖11 靜水壓試驗后爆破外觀(60 ℃)

3.4 整管扭轉(zhuǎn)實驗

在扭轉(zhuǎn)角度分別為30°、60°和90°進行扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果如圖12所示。從圖中3組對比結(jié)果可以看出，隨著扭轉(zhuǎn)角度增加，整管扭曲程度加重，纖維松散及內(nèi)襯層扭曲更為明顯。尤其是扭轉(zhuǎn)角度≥60°時，纖維明顯與內(nèi)襯層出現(xiàn)分層及滑移現(xiàn)象，在此狀態(tài)下，如果受到內(nèi)壓作用，整管承壓性能大大降低，將會出現(xiàn)與現(xiàn)場失效樣同樣情形。

圖12 扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果

3.5 綜合分析

基于內(nèi)襯材料理化性能分析及未失效位置承壓性能分析，該批次的管材性能滿足標準及現(xiàn)場工況要求，可判斷由于質(zhì)量原因引起的失效可能性較低。通過失效管段各功能層形貌觀測，失效管段存在嚴重扭曲現(xiàn)象，由于管道在運行過程中處于埋地狀態(tài)，不會在運行過程中發(fā)生管線扭曲的情況。經(jīng)上述分析推測可知，扭曲應發(fā)生在管道安裝前或安裝過程中，由于不當操作，造成整條管線存在扭轉(zhuǎn)應力，且敷設過程中未釋放應力。當管道受到扭轉(zhuǎn)應力時，由于增強纖維正反方向纏繞緣故，部分纖維無法起到承內(nèi)壓作用。因此，當管道處于運行狀態(tài)時，由于扭轉(zhuǎn)應力的存在，造成管道承壓性能降低，當高于其極限值時，導致整管發(fā)生爆裂。伴隨著爆管的同時，管線釋放了扭轉(zhuǎn)應力，致使失效管段呈嚴重扭曲變形狀態(tài)。為了進一步驗證該推測，對同批次完好管段進行了扭曲試驗。試驗證明，在扭轉(zhuǎn)一定角度后，試驗段明顯出現(xiàn)了內(nèi)襯層變形及增強層松散等狀態(tài)，將會大大降低整管的承壓性能。

通過對管線運行前作業(yè)分析，導致管線扭曲可能由于管道制造過程中兩個方向纏繞纖維的張緊力不一致，或者是在施工過程中由于管線盤卷、布管和下溝等操作不當導致的。然而，由于該管線是在運行后發(fā)生爆管行為，僅對失效管段及同批次管線分析，難以確定導致失效發(fā)生的具體環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論及建議

導致該管線失效原因為失效管段嚴重扭曲變形、纖維滑移致使局部內(nèi)襯層失去增強層的有效保護，扭轉(zhuǎn)應力產(chǎn)生的工藝環(huán)節(jié)為制造或施工過程，但具體環(huán)節(jié)尚不明確。

通過對未失效管道服役性能評價可知，該管線未失效部位承壓性能滿足標準要求，說明管線在無扭曲情況下承壓性能滿足服役要求。

建議柔性復合管在制造和施工作業(yè)過程中應嚴格按照作業(yè)文件或施工技術(shù)要求執(zhí)行，規(guī)范化作業(yè)，避免在制造或安裝過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應力或其它應力對管材服役性能產(chǎn)生不利影響。