PE-HD在高壓H2S輸氣環(huán)境下的適用性

譚川江 ，燕自峰 ，呂戈 ，丁晗 ，許新武 ，王鵬 ，孔魯詩 ，張兆 ，李厚補(bǔ)

(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(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)安全國家重點實驗室，西安 710077)

目前，我國油氣的輸送主要依靠金屬管道來實現(xiàn)，不足之處在于金屬管道容易遭受硫化氫(H2S)和二氧化碳(CO2)等腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，造成管線穿孔失效及油氣泄漏。在引起酸性油氣田設(shè)施腐蝕的眾多因素中，H2S會導(dǎo)致金屬管道發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSC)，且H2S的毒性也威脅著人身安全[1-5]。增強(qiáng)熱塑性塑料管(RTP)具有耐腐蝕性能優(yōu)異、連接接頭少、便于運(yùn)輸、安裝和維修、彎曲性能好、低水力摩阻、耐磨、延緩結(jié)蠟結(jié)垢等優(yōu)異特點，在西部油田輸水輸油領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用[6-11]?；诙喾矫婵紤]，西部某油田部分區(qū)塊，例如：油氣田高壓、高含H2S區(qū)域開始考慮采用RTP管，代替同等規(guī)格的抗硫碳鋼管線[12]。2000年，德國一家油氣儲運(yùn)公司將芳綸纖維增強(qiáng)的RTP管作為燃?xì)廨斔凸艿佬迯?fù)工程中，應(yīng)用在壓力10 MPa、介質(zhì)為含硫化氫的濕天然氣的輸送[13]。2003年，RTP管在長慶靖邊氣田進(jìn)行首次應(yīng)用試驗，被應(yīng)用于單井注醇管道。2006年，蘇里格氣田大面積開發(fā)，小口徑、低壓力RTP管作為單井管道得到大膽嘗試，取代了同口徑無縫鋼管，并取得成功。截止2008年，蘇里格氣田共計鋪設(shè)RTP管63.8 km，運(yùn)行正常[14]。隨著煤層氣田發(fā)展進(jìn)入新的階段，世界各國均著力開發(fā)更適宜煤層氣田的非金屬材料管材，例如：澳大利亞Surat，Bowen盆地煤層氣田采氣管線應(yīng)用高密度聚乙烯(PE-HD)管材，國內(nèi)山西沁水盆地煤層氣田也對PE-HD管進(jìn)行了推廣使用并取得了良好效果[15]。

ISO/TS 18226-2006規(guī)定了RTP管用于輸送氣體燃料(輕烴)時，最大工作壓力不超過4 MPa，工作溫度范圍為-50～120℃。加拿大CSA Z662-2007中規(guī)定RTP管用于輸氣輸送壓力不應(yīng)高于9.93 MPa，且H2S分壓應(yīng)控制在50 kPa以內(nèi)。GB/T 34903.1-2017 (等 同ISO 23936-1-2009)規(guī)定，在0～60℃范圍油氣集輸環(huán)境中H2S對聚乙烯(PE)應(yīng)無影響。國外RTP管主要應(yīng)用于輸送多相流體、氣態(tài)烴、液態(tài)烴、油田化學(xué)品和非飲用水(API SPEC 15S-2016)，最高輸氣壓力為9.93 MPa、適用的H2S分壓最高為50 kPa (CSA Z662)。西部油田RTP管作為集輸氣管線運(yùn)行溫度不高，但高壓、高含H2S管線占比高，其中輸氣管線運(yùn)行壓力高于9.93 MPa的占比達(dá)73.7%，H2S分壓＞50 kPa的管線數(shù)量占比達(dá)50%，存在較大安全風(fēng)險，亟需針對標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之外的含硫工況開展RTP管關(guān)鍵構(gòu)件——PE-HD內(nèi)襯層的適用性評價研究，為指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用提供支撐。

1 實驗部分

1.1 主要原料

RTP管材：RFY-I，RTP管為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯層為PE-HD，增強(qiáng)層為滌綸纖維工業(yè)長絲，外保護(hù)層為低密度聚乙烯，河北恒安泰油管有限公司；

H2S，CO2和N2：工業(yè)品，陜西亞泰氣體有限責(zé)任公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

高溫高壓釜腐蝕測試系統(tǒng)：CORTEST型，美國Cortest公司；

超景深顯微鏡：Smart Zoom 5型，德國蔡司公司；

數(shù)碼相機(jī)：SX620HS型，日本佳能公司；

電子密度計：ET-120SL型，北京儀特諾電子科技有限公司；

萬能試驗機(jī)：AGS-X10KN型，日本島津公司；

邵氏硬度計(D型)：TIME5410型，北京時代之峰科技有限公司；

維卡軟化溫度測試儀：RV-300FW型，承德精密試驗機(jī)有限公司；

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：NICOLET iS50型，美國Thermo Fisher公司。

1.3 模擬高壓輸氣環(huán)境試驗

采用機(jī)加工方法制備RTP管PE-HD內(nèi)襯層拉伸啞鈴型拉伸試樣及塊狀試樣，開展不同濃度H2S高壓輸氣環(huán)境模擬試驗，具體模擬試驗條件見表1。

表1 模擬高壓輸氣環(huán)境試驗條件

1.4 性能測試與表征

外觀形貌分析：采用數(shù)碼相機(jī)和超景深顯微鏡分別分析模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的宏觀和微觀形貌。

密度按照GB/T 1033.1-2008測試，樣品為塊狀，測試試驗前后樣品的質(zhì)量、密度和體積，計算得到質(zhì)量、密度和體積變化率。

拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1040.1-2006測試，拉伸樣品為啞鈴型，受力方向為管材軸向，樣品寬度為10 mm，拉伸速率為10 mm/min。

邵氏硬度(D型)按照GB/T 2411-2008測試。

維卡軟化溫度(VST)按照GB/T 1633-2000測試，測試方法為B50法(50 N，50℃/h)。

FTIR分析：采用衰減全反射法，以空氣為背景，掃描范圍400～4 000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可以看出，與原始樣品形貌相比，不同濃度的H2S高溫高壓釜試驗后，樣品外觀形貌整體保持完整，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。但含H2S試驗后樣品表面呈淡黃色，這可能是由于高壓狀態(tài)下H2S分子通過滲透作用進(jìn)入材料內(nèi)部所致。

圖1 模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的宏觀形貌

模擬高壓輸氣環(huán)境試驗前后，PE-HD內(nèi)襯層樣品的微觀形貌如圖2所示。

圖2 模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的微觀形貌

由圖2可看出，所有試驗樣品的微觀形貌均保持完整，無溶蝕、起泡、開裂、孔洞等失效特征出現(xiàn)。

2.2 質(zhì)量、密度和體積分析

模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的質(zhì)量、密度和體積變化率見表2。

表2 模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的質(zhì)量、密度和體積變化率 %

由表2可以看出，試驗前后樣品的密度基本無變化，體積和質(zhì)量變化率也較小(低于1%)。與油介質(zhì)不同[16]，高壓H2S輸氣條件對PE-HD內(nèi)襯層的溶脹作用較為有限。

2.3 力學(xué)性能分析

模擬試驗前后，PE-HD內(nèi)襯層樣品的拉伸性能測試結(jié)果見表3。

表3 模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的拉伸性能測試結(jié)果

由表3可以看出，添加H2S氣體后，樣品的拉伸屈服強(qiáng)度略有下降，斷裂伸長率和拉伸彈性模量均有一定程度的降低，表明PE-HD內(nèi)襯層樣品在高壓、高含硫環(huán)境下的強(qiáng)度保持良好，但剛度和韌性明顯下降。

2.4 邵氏硬度分析

模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的PE-HD內(nèi)襯層樣品的邵氏硬度(D型)測試結(jié)果見表4。

表4 模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的邵氏硬度(D型)測試結(jié)果

由表4可以看出，隨著H2S濃度的增加，樣品的邵氏硬度(D型)稍有增大。

2.5 VST分析

模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的VST測試結(jié)果見表5。

由表5可以看出，H2S的加入使得樣品的VST略有增大。

表5 不同模擬試驗條件PE-HD樣品的VST測試結(jié)果 ℃

2.6 FTIR 分析

模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的FTIR譜圖如圖3所示。圖3的FTIR譜圖顯示內(nèi)襯層為PE，其特征峰在 2 917，2 846，1 462 cm-1和 718 cm-1處明顯，說明化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化。但2#和3#樣品除PE特征峰外，還在797～1 260 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，推測與H2S分子滲透進(jìn)入PE-HD內(nèi)部有關(guān)。

圖3 模擬試驗前后PE-HD內(nèi)襯層樣品的FTIR譜圖

3 結(jié)論

(1)在模擬試驗后，RTP管PE-HD內(nèi)襯層樣品的外觀保持完好，質(zhì)量、密度和體積變化不大，邵氏硬度和結(jié)構(gòu)成分保持良好。

(2)在模擬試驗后，RTP管PE-HD內(nèi)襯層樣品的拉伸屈服強(qiáng)度保持良好，但樣品剛性和韌性明顯下降。

(3)加入H2S使得樣品的VST略有增大。

(4)在不考慮PE-HD氣體滲透因素前提下，PE-HD可作為RTP管內(nèi)襯層用于油氣田集輸氣環(huán)境。