某油田單井油氣集輸柔性復(fù)合管泄漏原因

宋成立, 郭繼銀, 朱文文, 成少兵, 張炳余

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 工程材料研究院有限公司 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710077；2.中國(guó)石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究有限公司, 塘沽 300451；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 塔里木油田分公司, 庫(kù)爾勒 841000; 4.中國(guó)石油遼河油田公司， 盤錦 124010)

目前，我國(guó)大部分油田已進(jìn)入中后期開(kāi)采階段，綜合含水量升高，管線服役年限增加。二次采油與三次采油的結(jié)合技術(shù)引入了新的腐蝕介質(zhì)，如CO2，O2和硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing bacteria,SRB)等，這加劇了碳鋼油氣集輸管道的失效，造成石油和天然氣損失和生態(tài)環(huán)境污染[1-3]。柔性復(fù)合管質(zhì)量輕、撓性好、易于運(yùn)輸及安裝，且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能等特點(diǎn)，采用該類非金屬管替換原有管道已成為解決油氣集輸管道腐蝕問(wèn)題的重要方案之一[4-5]。但隨著柔性復(fù)合管應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，出現(xiàn)了部分失效事故，尤其在高溫、高壓、地形起伏較大的環(huán)境中，柔性復(fù)合管更容易發(fā)生失效。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于柔性復(fù)合管失效分析案例鮮有報(bào)道[6]。

西部某油田單井集輸柔性復(fù)合管(埋地)服役21個(gè)月后發(fā)生泄漏，其宏觀形貌見(jiàn)圖1。依據(jù)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)，泄漏柔性復(fù)合管道規(guī)格為DN80，設(shè)計(jì)壓力為4 MPa，運(yùn)行壓力為2.9 MPa，設(shè)計(jì)溫度為94 ℃，管道泄漏位置在6點(diǎn)鐘方向。

圖1 泄漏柔性復(fù)合管的宏觀形貌

為查明管道泄漏的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，并提出了改進(jìn)建議，以期避免此類事故的再次發(fā)生，并為柔性復(fù)合管的研發(fā)、安全服役、標(biāo)準(zhǔn)修訂等提供參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該泄漏柔性復(fù)合管為典型的三層結(jié)構(gòu)，即外護(hù)套、增強(qiáng)層和內(nèi)襯層，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)均發(fā)生了撕裂。由圖2可見(jiàn)：外護(hù)套撕裂口沿縱向擴(kuò)展，長(zhǎng)度約為350 mm，其環(huán)向發(fā)生較大的塑性變形，整體呈互相“嚙合”的形貌；增強(qiáng)層由兩層纖維層纏繞而成，顏色發(fā)黑，且觸感較硬；內(nèi)襯層撕裂口沿縱向擴(kuò)展，長(zhǎng)度約為250 mm，其環(huán)向也發(fā)生了較大的塑性變形，側(cè)面呈黑褐色，管道頂部區(qū)域顏色偏黃。

圖2 不同卷取溫度條件下冷軋DC01鋼板的錐杯試驗(yàn)結(jié)果

圖2 泄漏柔性復(fù)合管外護(hù)套、增強(qiáng)層和內(nèi)襯層的宏觀形貌

1.2 幾何尺寸測(cè)量

采用游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)對(duì)該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層的壁厚和內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量。圖3是內(nèi)襯層撕裂口處壁厚的測(cè)量位置，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。可知內(nèi)襯層撕裂口中部f位置處壁厚最小(1.22 mm)，壁厚沿該位置向兩端逐漸增大。

表1 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層撕裂口處壁厚的測(cè)量結(jié)果

圖3 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層撕裂口處壁厚的測(cè)量位置示意

撕裂口位置為6點(diǎn)鐘方向，對(duì)圖3所示內(nèi)襯層兩端的壁厚及內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。可知管樣底部的壁厚小于頂部的，底部最小壁厚達(dá)到5.90 mm，頂部最大壁厚達(dá)到7.36 mm；內(nèi)襯層兩端3～9點(diǎn)和6～12點(diǎn)方向的內(nèi)徑范圍在82.84～83.40 mm。

表2 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層兩端壁厚及內(nèi)徑的測(cè)量結(jié)果

1.3 紅外光譜分析

從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層和增強(qiáng)層取樣，利用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)其進(jìn)行傅里葉紅外光譜(FTIR)分析，結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層紅外光譜與聚乙烯(PE)紅外標(biāo)準(zhǔn)譜的相似度為97.01%，這表明該泄漏管樣的內(nèi)襯層為PE，未見(jiàn)其他異常；增強(qiáng)層的紅外光譜與滌綸紅外標(biāo)準(zhǔn)譜的相似度為94.86%，這表明該泄漏管樣的增強(qiáng)層為滌綸纖維，未見(jiàn)其他異常。

圖4 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層和增強(qiáng)層的傅里葉紅外光譜

1.4 維卡軟化溫度檢測(cè)

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 1633-2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度(VST)的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)中的B50法(50 N，50 ℃/h)，采用RV-300FW維卡軟化點(diǎn)溫度檢測(cè)儀進(jìn)行維卡軟化溫度檢測(cè)，分別設(shè)置3個(gè)平行試樣，取其平均值，起始溫度為室溫。結(jié)果顯示該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的維卡軟化溫度分別為58.64 ℃和61.89 ℃。

1.5 硬度測(cè)試

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 2411-2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》標(biāo)準(zhǔn)，采用TIME5410型邵氏D型硬度計(jì)對(duì)其內(nèi)、外壁進(jìn)行硬度測(cè)試，分別設(shè)置3個(gè)平行試樣，取其平均值。由表3可見(jiàn)，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層外壁的硬度大于內(nèi)壁，且內(nèi)襯層底部?jī)?nèi)壁的硬度最小。

表3 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的硬度測(cè)試結(jié)果

1.6 拉伸性能測(cè)試

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 8804.3-2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測(cè)定 第3部分：聚烯烴管材》標(biāo)準(zhǔn)，采用CMT-4104型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，分別設(shè)置3個(gè)平行試樣，取其平均值。由表4可知，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部的抗拉強(qiáng)度小于頂部。

表4 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

1.7 密度測(cè)試

分別從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部取樣，依據(jù)GB/T 1033.1-2008《塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》標(biāo)準(zhǔn)，采用液體比重瓶法測(cè)試內(nèi)襯層的密度，試驗(yàn)設(shè)備為ET-120SL型電子密度計(jì)。由表5可見(jiàn)，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的平均密度均滿足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》對(duì)PE的技術(shù)要求。

表5 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的密度

1.8 縱向回縮率測(cè)試

從泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層取樣，依據(jù)GB/T 6671-2001《熱塑性塑料管材縱向回縮率的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，采用BINDER-M240型恒溫箱，將試樣在(120±2) ℃下保溫60 min，設(shè)置3個(gè)平行試樣，取其平均值。由表6可見(jiàn)，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層的縱向回縮率滿足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)對(duì)PE的技術(shù)要求。

表6 泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層的縱向回縮率

2 分析與討論

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，該泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層為PE，增強(qiáng)層為滌綸纖維，內(nèi)襯層的密度、縱向回縮率檢測(cè)結(jié)果均符合SY/T 6662.2-2012對(duì)PE的技術(shù)要求。泄漏柔性復(fù)合管內(nèi)襯層底部和頂部的維卡軟化溫度分別為58.64 ℃和61.89 ℃，抗拉強(qiáng)度分別為14.82 MPa和15.27 MPa，底部?jī)?nèi)、外壁的硬度分別為37.5 HD和53.7 HD，頂部?jī)?nèi)、外壁的硬度分別為41.6 HD和55.1 HD，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)該材料的維卡軟化溫度、抗拉強(qiáng)度和硬度做出規(guī)定，從檢測(cè)結(jié)果可以得出內(nèi)襯層內(nèi)壁的強(qiáng)度較外壁出現(xiàn)了明顯下降，內(nèi)襯層底部的強(qiáng)度較頂部出現(xiàn)了顯著下降，隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)或壓力的波動(dòng)，內(nèi)襯層底部將首先發(fā)生承壓不足導(dǎo)致的開(kāi)裂。

內(nèi)襯層實(shí)際服役環(huán)境的溫度大于設(shè)計(jì)溫度及其維卡軟化溫度，處于超溫運(yùn)行狀態(tài)。維卡軟化溫度是評(píng)價(jià)材料耐熱性能、反映制品在受熱條件下物理力學(xué)性能的指標(biāo)之一，維卡軟化溫度越低，表明材料受熱時(shí)的尺寸穩(wěn)定性越差，熱變形越大，長(zhǎng)期高溫環(huán)境會(huì)使PE材料剛度減小，彈性模量減小[7]。同時(shí)，內(nèi)襯層外壁至內(nèi)壁顏色越來(lái)越深，其底部?jī)?nèi)壁顏色接近黑色，這表明油氣介質(zhì)在長(zhǎng)期輸送中已大范圍擴(kuò)散至內(nèi)襯層內(nèi)部，發(fā)生了顯著的溶脹，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降[8-9]。內(nèi)襯層硬度檢測(cè)結(jié)果表明：內(nèi)襯層內(nèi)壁與油氣介質(zhì)直接接觸，其硬度比外壁的要?。簝?nèi)襯層底部?jī)?nèi)壁顏色更深，其硬度小于頂部?jī)?nèi)壁的硬度。通過(guò)拉伸性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯層底部的抗拉強(qiáng)度低于頂部的，表明內(nèi)襯層強(qiáng)度已產(chǎn)生局部下降。同時(shí)，該泄漏柔性復(fù)合管底部壁厚比頂部小約1.3 mm，進(jìn)一步表明管道底部屬于承壓的薄弱環(huán)節(jié)。

滌綸纖維(增強(qiáng)層)在高溫環(huán)境中會(huì)發(fā)生分子熱運(yùn)動(dòng)，使其趨于無(wú)序性并發(fā)生結(jié)晶，隨著分子無(wú)序性的增加，長(zhǎng)期高溫環(huán)境會(huì)使其抗拉強(qiáng)度明顯下降。齊國(guó)權(quán)等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，滌綸纖維可承受的最大載荷呈直線下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖5。該泄漏柔性復(fù)合管增強(qiáng)層顏色為黑褐色，觸感堅(jiān)硬，而滌綸纖維通常為白色，且觸感柔軟，這表明油氣介質(zhì)已滲入增強(qiáng)層，削弱了滌綸纖維大分子間的作用力，使分子間距加大，孔隙增大，導(dǎo)致滌綸纖維的抗拉強(qiáng)度下降[11]。對(duì)柔性復(fù)合管斷口處增強(qiáng)層用手輕輕彎折時(shí)，增強(qiáng)層即發(fā)生部分?jǐn)嗔?，表明增?qiáng)層承壓能力已產(chǎn)生下降。

圖5 溫度對(duì)滌綸纖維斷后伸長(zhǎng)率和最大承受載荷的影響曲線

綜上所述，該柔性復(fù)合管的運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于內(nèi)襯層的維卡軟化溫度，油氣介質(zhì)已滲入內(nèi)襯層和增強(qiáng)層，導(dǎo)致管道的承壓能力顯著下降，管道底部壁厚最薄處首先發(fā)生開(kāi)裂，在內(nèi)壓作用下，管道逐層發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致管道撕裂，從而發(fā)生泄漏。

3 結(jié)論及建議

(1) 該柔性復(fù)合管的運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)溫度和內(nèi)襯層的維卡軟化溫度，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，油氣介質(zhì)滲入內(nèi)襯層和增強(qiáng)層內(nèi)部，導(dǎo)致管道的承壓能力顯著下降，管道底部壁厚最薄處首先發(fā)生開(kāi)裂，在內(nèi)壓作用下，管道逐層發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致管道撕裂，從而發(fā)生泄漏。

(2) 建議降低該柔性復(fù)合管的運(yùn)行溫度，或更換耐溫性能更好的柔性復(fù)合管，如聚四氟乙烯內(nèi)襯層+芳綸纖維增強(qiáng)層的柔性復(fù)合管。