非金屬?gòu)?fù)合管壓力等級(jí)簡(jiǎn)化評(píng)定方法

韓方勇*，吳浩，張松

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

1 非金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)用情況和失效統(tǒng)計(jì)

非金屬管材耐腐蝕性好、輸送摩阻小、施工快，在油氣田地面工程管道建設(shè)中已被廣泛采用［1-4］。截至2020年底，中國(guó)油氣田企業(yè)在用非金屬管道長(zhǎng)度約50 000 km。盡管非金屬管替代金屬管解決了鋼質(zhì)管道的腐蝕問(wèn)題，但在工程應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了較多的失效事故。在對(duì)9 000多起非金屬?gòu)?fù)合管失效事故統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，造成失效的原因既有管材老化問(wèn)題，也有第三方破壞、管材制造缺陷，以及生產(chǎn)條件變化超過(guò)設(shè)計(jì)范圍等原因，失效原因統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。其中管材老化是最主要的因素，占比高達(dá)73.8%。從管材老化現(xiàn)場(chǎng)失效情況來(lái)看，既有已運(yùn)行10多年甚至超期服役期管道的失效問(wèn)題，也有僅運(yùn)行不足5年的管材失效問(wèn)題，但大部分設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的管材老化問(wèn)題與管材質(zhì)量或服役條件有一定的關(guān)系。隨著油氣田地面工程中非金屬管道應(yīng)用的增加，控制非金屬管道的失效率已成為油氣田地面工程管道完整性管理的重要內(nèi)容之一。金屬管道主要通過(guò)控制腐蝕速率、定期檢查管材有效厚度等措施，來(lái)評(píng)價(jià)管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保障設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的使用安全；在役非金屬管難以進(jìn)行老化情況檢測(cè)和評(píng)價(jià)，做好管道制造過(guò)程中的性能評(píng)價(jià)、保障管道質(zhì)量，是目前較為認(rèn)可的減少非金屬管材失效的有效措施［5-6］。

表1 油氣田非金屬管失效原因統(tǒng)計(jì)

2 非金屬?gòu)?fù)合管壓力等級(jí)確定方法

非金屬?gòu)?fù)合管的基體主要是高分子聚合物，老化是管材應(yīng)用過(guò)程中的自然規(guī)律。在老化過(guò)程中，彈性模量和蠕變斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，造成管材強(qiáng)度降低。非金屬?gòu)?fù)合管主要通過(guò)評(píng)價(jià)其長(zhǎng)期蠕變性能來(lái)預(yù)測(cè)使用壽命，目前沒(méi)有精準(zhǔn)的壽命預(yù)測(cè)模型；但在管材制造工藝、原材料等一定的情況下，其老化速度主要與使用的溫度、壓力條件有關(guān)。用失效時(shí)間來(lái)表示壽命，可以采用四參數(shù)模型來(lái)預(yù)測(cè)失效時(shí)間與壓力、溫度之間的關(guān)系［7］：

式中：t——失效時(shí)間，h；T——溫度，K；σ——壓力，MPa；C1、C2、C3、C4——系數(shù)。

當(dāng)溫度恒定時(shí)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，失效時(shí)間的對(duì)數(shù)與壓力的對(duì)數(shù)可回歸成一條直線，可表述為：

式中：y＝lgt；x＝lgσ；A、B——回歸系數(shù)。

通過(guò)不同壓力下失效時(shí)間的試驗(yàn)，形成1組壓力、失效時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)，可回歸出公式（2）；并計(jì)算出要求置信度（如 97.5%、95%）下的置信下限，通過(guò)外推法可計(jì)算出設(shè)計(jì)壽命（如20年）下的置信下限值，再考慮設(shè)計(jì)系數(shù)、安全系數(shù)等因素，確定出管材設(shè)計(jì)壽命下的公稱壓力等級(jí)和最大工作壓力，作為工程設(shè)計(jì)選材依據(jù)。該方法是確定管材使用壓力、溫度等條件和使用壽命的依據(jù)，是管材的壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，也是管材質(zhì)量控制的關(guān)鍵［8-9］。圖1給出了通過(guò)置信下限確定管材壓力等級(jí)的方法，具體可參考 ASTM D2992-18Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for“Fiberglass”(Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin)Pipe and Fittings（《玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂管及接頭靜液壓和壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)操作規(guī)程》）附錄A1。

圖中：Logp——以 10為底的壓力的對(duì)數(shù)；Logt——以10為底的時(shí)間的對(duì)數(shù)（以小時(shí)為單位）；Mean——試驗(yàn)點(diǎn)按直線回歸的平均線；LCL（ 97.5）——置信度為97.5%時(shí)的置信下限，MPa；LPL（ 97.5）——置信度為 97.5%時(shí)的預(yù)測(cè)下限，MPa； L CLRCRT——設(shè)計(jì)壽命下的置信下限，MPa，20年壽命下的置信下限可表示為 L CLRCRT,20；RCRT——設(shè)計(jì)壽命，a；MPR——最高壓力等級(jí)，MPa；NPR——公稱壓力等級(jí)，MPa；MOP——最大工作壓力，MPa；Fd——流體設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)輸送流體特點(diǎn)確定的設(shè)計(jì)系數(shù)；FSn——安全系數(shù)，為保障輸送安全，確定的各種設(shè)計(jì)系數(shù)。

油氣田常用的非金屬?gòu)?fù)合管可以分成增強(qiáng)熱固性塑料復(fù)合管（主要是玻璃纖維管線管）和增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管（主要是柔性復(fù)合管）兩大類，以上方法既適用于增強(qiáng)熱固性塑料復(fù)合管的壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證，也適用于增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管。

中國(guó)玻璃纖維管線管制造商采用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要是 SY/T 6267—2018《高壓玻璃纖維管線管》或API 15HR：2016High-pressure Fiberglass Line Pipe（《高壓玻璃纖維管線管》），兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容基本一致，都要求采用ASTM D2992-18Standard Practicefor Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for“Fiberglass”(Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin)Pipe and Fittings方法B對(duì)管材進(jìn)行壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證，從而確定出管材的壓力等級(jí)。

柔性復(fù)合管產(chǎn)品執(zhí)行SY/T 6662.2—2020《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》或 API 15S：2016Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe（《可盤繞式增強(qiáng)塑料管線管》）。國(guó)內(nèi)采標(biāo)API 15S：2016Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe制定了SY/T 6794—2018《可盤繞式增強(qiáng)塑料管線管》，可作為柔性復(fù)合管產(chǎn)品評(píng)定的依據(jù)。SY/T 6662.2—2020《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》只是對(duì)管材的短時(shí)爆破強(qiáng)度等指標(biāo)提出了要求，難以確定管材的使用壽命；API 15S：2016Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe和SY/T 6794—2018《可盤繞式增強(qiáng)塑料管線管》均提出了采用 ASTM D2992-18Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for“Fiberglass”(Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin)Pipe and Fittings中的方法B對(duì)管材進(jìn)行壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證的要求。

增強(qiáng)熱固性塑料復(fù)合管和增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管均要求按 ASTM D2992-18Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for“Fiberglass”(Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin)Pipe and Fittings中的方法B通過(guò)靜液壓試驗(yàn)進(jìn)行壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證。該標(biāo)準(zhǔn)給出了靜液壓試驗(yàn)的具體要求及置信下限回歸的做法；兩種類型管材有效靜液壓試驗(yàn)失效點(diǎn)都應(yīng)不少于18個(gè)，但失效點(diǎn)的分布要求略有不同。不同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靜液壓試驗(yàn)失效點(diǎn)的分布要求具體見(jiàn)表2。

3 不同壓力等級(jí)評(píng)定方法對(duì)比分析

盡管可以采用四參數(shù)法通過(guò)一定溫度下的壓力、失效時(shí)間試驗(yàn)，并采用公式（2）回歸，確定出管材的壓力等級(jí)，但非金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)工藝、管樣加工等因素會(huì)造成測(cè)試結(jié)果有一定的離散性，因此，試驗(yàn)一般需要較多的樣品數(shù)量。

由于兩種類型非金屬?gòu)?fù)合管管材壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證試驗(yàn)的驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)設(shè)備要求高、費(fèi)用昂貴，中國(guó)柔性復(fù)合管制造商很少進(jìn)行設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證，這也是SY/T 6662.2—2020《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》一直沒(méi)有涵蓋該內(nèi)容的原因。即便是SY/T 6267—2018《高壓玻璃纖維管線管》包含壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證的內(nèi)容，也少有制造商完成了驗(yàn)證試驗(yàn)，導(dǎo)致油氣田用戶難以準(zhǔn)確進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的選型，給現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用埋下了安全隱患。

目前，中國(guó)非金屬?gòu)?fù)合管制造商的產(chǎn)品認(rèn)證一般是 API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)）認(rèn)證。在當(dāng)前國(guó)外經(jīng)濟(jì)和技術(shù)封鎖形勢(shì)日益嚴(yán)峻的情況下，為避免國(guó)外管材的認(rèn)證認(rèn)可壟斷和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)限制使用帶來(lái)的不便，有必要開(kāi)展設(shè)計(jì)壓力基礎(chǔ)評(píng)價(jià)方法，特別是經(jīng)濟(jì)、快速、有效的方法研究。

表2中對(duì)兩類管材都要求靜水壓試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)多于18個(gè)，且要滿足分布要求，但試驗(yàn)點(diǎn)的多少及分布對(duì)回歸結(jié)果的影響程度缺乏驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。為了研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性對(duì)回歸結(jié)果的影響，在試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)4組不同類型管材的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

首先，將靜液壓試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)時(shí)間按1～10 h、10～100 h、100～1 000 h、1 000～6 000 h、6 000～10 000 h、10 000 h以上分成6個(gè)時(shí)間范圍，分別統(tǒng)計(jì)各時(shí)間范圍內(nèi)的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)，采用以下3種數(shù)據(jù)選擇方法并進(jìn)行回歸分析：

方法一（ASTM D2992評(píng)價(jià)法）：按照 ASTM D2992-18Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for“Fiberglass”(Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin)Pipeand Fittings標(biāo)準(zhǔn)，至少18個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)；

方法二（11點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)法）：選擇11個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，至少有1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)不小于1 000 h，其他試驗(yàn)點(diǎn)盡可能在最長(zhǎng)時(shí)間（1 h以上）按對(duì)數(shù)均勻分布；

方法三（7點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)法）：選擇7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，至少有1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)不小于1 000 h，其他試驗(yàn)點(diǎn)盡可能在最長(zhǎng)時(shí)間（1 h以上）按對(duì)數(shù)均勻分布。

按以上3種方法選擇回歸數(shù)據(jù)，并分別按ASTM D2992-18Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for“Fiberglass”(Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin)Pipe and Fittings附錄A1的回歸方法，回歸出公式（2）中的系數(shù)A、系數(shù)B和 20年設(shè)計(jì)壽命下的置信下限。以方法一計(jì)算出的置信下限為基準(zhǔn)，分別測(cè)算方法二和方法三的相對(duì)誤差。由于管材的公稱壓力等級(jí)和最大工作壓力都是通過(guò)試驗(yàn)回歸的置信下限為計(jì)算依據(jù)，以不同方法置信下限的誤差來(lái)評(píng)價(jià)回歸結(jié)果是可行的。

4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)、不同評(píng)價(jià)方法分析結(jié)果分別見(jiàn)表3～表6。

表3 某一增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管試驗(yàn)點(diǎn)分布及回歸數(shù)據(jù)

表4 某二增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管試驗(yàn)點(diǎn)分布及回歸數(shù)據(jù)

表5 某一玻璃纖維管線管試驗(yàn)點(diǎn)分布及回歸數(shù)據(jù)

表6 某二玻璃纖維管線管試驗(yàn)點(diǎn)分布及回歸數(shù)據(jù)

從表3～表6這4組3種方法回歸結(jié)果可以看出，各組回歸的系數(shù)A、系數(shù)B變化不大，11點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)法計(jì)算出的 L CLRCRT,20同ASTM D2992-18Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for “Fiberglass”(Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin)Pipe and Fittings評(píng)價(jià)法相比，誤差分別為 0.3%、0.4%、8.1%和-3.4%；7點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)法計(jì)算誤差分別為-3.0%、-3.1%、11.8%和-6.7%，要明顯高于11點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)法的計(jì)算誤差；采用的數(shù)據(jù)點(diǎn)越少，誤差相對(duì)越大。采用11點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)法的4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)壽命下的置信下限最大誤差不足10%，可以用于油氣田地面工程設(shè)計(jì)中作為壓力等級(jí)評(píng)定的依據(jù)。

4 認(rèn)識(shí)及建議

管材老化是油氣田地面工程非金屬?gòu)?fù)合管失效的主要因素。產(chǎn)品制造商應(yīng)對(duì)非金屬?gòu)?fù)合管壓力等級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證，以及產(chǎn)品在使用壓力、溫度等條件下的壽命評(píng)定給予足夠的重視。

簡(jiǎn)化的壓力等級(jí)評(píng)定方法試驗(yàn)點(diǎn)少、時(shí)間短，可快速、高效、經(jīng)濟(jì)地確定出非金屬?gòu)?fù)合管的壓力等級(jí)。推薦11點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)定方法靜液壓試驗(yàn)失效點(diǎn)的分布見(jiàn)表7。

表7 11點(diǎn)簡(jiǎn)化評(píng)定方法對(duì)靜液壓試驗(yàn)失效點(diǎn)的分布要求

但是，由于缺乏足夠數(shù)量的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，提出的簡(jiǎn)化評(píng)定方法在試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量、時(shí)間范圍的選擇上還需進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。建議有關(guān)非金屬?gòu)?fù)合管制造商在開(kāi)展壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)驗(yàn)證中，進(jìn)一步研究簡(jiǎn)化評(píng)定方法的適用性，優(yōu)化試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量和時(shí)間范圍選擇，在成熟后形成產(chǎn)品評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，作為非金屬?gòu)?fù)合管產(chǎn)品評(píng)定的依據(jù)。

油氣田地面工程選用非金屬?gòu)?fù)合管時(shí)，應(yīng)對(duì)制造商是否通過(guò)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)試驗(yàn)確定管材壓力等級(jí)、是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行驗(yàn)證，作為設(shè)計(jì)選型和產(chǎn)品招投標(biāo)的依據(jù)，為工程應(yīng)用非金屬?gòu)?fù)合管提供質(zhì)量保障。