地面煤層氣FRTP 柔性管道工程性能試驗研究

強海亮

（中聯(lián)煤層氣有限責任公司，山西晉城 048000）

管道運輸作為第五大運輸方式，具有經(jīng)濟效益高、安全性能好、節(jié)約土地資源和運輸效率高等優(yōu)勢，在石油天然氣等液體運輸、城市供暖及農(nóng)田灌溉等方面得到了廣泛應用［1-2］。在外部壓力及內(nèi)壓較大的情況下，通常選用金屬管道作為輸送管道，但是金屬管道存在耐腐蝕性能差、施工難度大及經(jīng)濟成本高等明顯的缺陷［3-4］。因此，聚烯烴管道等非金屬管道開始得到研究和應用，非金屬管道具有獨特的優(yōu)勢，如質(zhì)量較輕、耐腐蝕性能好、運輸及施工成本低等，但是耐高溫性能及力學性能仍需進一步提高［5-6］。

隨著運輸需求及運輸環(huán)境復雜化程度的提高，對于運輸管道的要求也在不斷提高，從而促進了性能更加優(yōu)異的復合管道的研發(fā)和利用。增強熱塑性塑料管是近幾年發(fā)展起來的一種柔性復合管，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外分為內(nèi)襯層、增強層和外保護層，增強熱塑性塑料管的出現(xiàn)不僅解決了金屬管道腐蝕和非金屬管道力學性能差兩大難題，還能保證傳統(tǒng)運輸管道的優(yōu)異性能［7-9］，加之可盤卷運輸，施工方便，因此在油田、城市供水供氣等眾多領域得到了較為廣泛的應用。

為了保證管道的綜合性能，早期的增強熱塑性塑料管管壁較厚，因此生產(chǎn)成本較高，且以往對增強熱塑性塑料管的長期使用性能研究大多集中在數(shù)值模擬基礎之上，缺乏現(xiàn)場應用下的性能變化跟蹤研究。為了降低增強熱塑性塑料管的經(jīng)濟成本并擴展其應用范圍，本文研發(fā)了一種聚酯纖維增強熱塑性復合管（FRTP），在對FRTP 承壓機理進行分析的基礎之上，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗研究FRTP 在服役后的性能變化，分析FRTP 的失效機理及性能劣化主要影響因素，現(xiàn)場試驗采用某段燃氣輸送段為背景，對在滿足管道安全服役條件下降低壁厚及生產(chǎn)成本具有重要的意義。

1 試樣制備與試驗

1.1 FRTP 管道試樣制備

試驗所用的FRTP 增強地面煤層氣熱塑性管道為委托河北省某油管有限公司制備，其主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。管道設計外徑為75.00mm，聚乙烯內(nèi)層厚度為5.00 mm，外層厚度為5.00mm；管道長度均為1.00m，設計公稱壓力均為4.0MPa。此外，在外層和內(nèi)層中間，夾有網(wǎng)狀分布的纖維強化層，纖維強化層所用材料為聚酯纖維，纖維平均直徑5μm。為研究FRTP 增強管道的長期服役性能，選取同樣產(chǎn)自該公司并在某油田服役時間長達2 年的FRTP 管道展開試驗，統(tǒng)一截取長度均為1.00m。

圖1 FRTP 增強管道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of FRTP reinforced pipeline

1.2 試驗

本為深入研究FRTP 增強地面煤層氣熱塑性復合管道綜合性能，參照相關規(guī)范，本次研究對新制備的和服役兩年的FRTP 管道開展了室內(nèi)整管承壓性能試驗、內(nèi)層拉伸試驗以及邵氏硬度和維卡軟化溫度試驗。其中，利用拉伸試驗設備對FRTP 整管和內(nèi)層開展拉伸試驗，利用邵氏硬度計對內(nèi)層開展邵氏硬度試驗，利用熱變形維卡軟化溫度儀對內(nèi)層展開維卡溫度測試。此外，取新制備FRTP 管道內(nèi)層試樣和服役兩年FRTP 管道內(nèi)層試樣開展上述內(nèi)層試驗，試樣如圖2 所示。可以明顯看出，服役兩年后的內(nèi)層發(fā)生了明顯變化，其腐蝕現(xiàn)象明顯，管道內(nèi)層顏色由白色變化為淡黃色。

圖2 FRTP 內(nèi)層材料試驗試樣Fig. 2 Samples of FRTP inner layer material

2 FRTP 性能研究

2.1 FRTP 整管承壓性能研究

基于室內(nèi)拉伸試驗，對未服役及服役2 年后的FRTP運輸管道進行整管承壓性能研究，以此表征管道的密封性及承受內(nèi)壓的性能。FRTP 運輸管道進行整管承壓性能試驗結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，未服役的FRTP管道保壓能力明顯好于服役兩年的FRTP 管道，這表明在煤氣等因素的影響下，管道的工程性能確實出現(xiàn)了一定程度的劣化。此外，F(xiàn)RTP 管未服役及服役2 年后的靜水壓力值波動較小，均在4% 以內(nèi)，能夠滿足工程管道長期服役的要求。在排除加壓設備誤差及環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響，也證明了FRTP 管道的保壓效果良好，長期服役能力強。

圖3 FRTP 管靜水壓試驗結(jié)果Fig. 3 Hydrostatic test results of FRTP pipes

為了測試未服役及服役2 年后的FRTP 運輸管道承受內(nèi)壓的上限，對其進行爆破試驗，試驗結(jié)果見表1。從表1 可知，未服役的FRTP 管爆破壓力平均值為21.8MPa，而服役2 年后的FRTP 管爆破壓力平均值為19.1MPa，下降了12.39%，下降幅度相對較大。產(chǎn)生上述情況的原因可能是FRTP 在服役的過程中會受到波動壓力的影響，使得纖維強化層與內(nèi)外層產(chǎn)生摩擦，導致纖維的分布甚至其完整性受到影響，因此爆破壓力下降幅度較大。

表1 FRTP 管爆破試驗結(jié)果Table 1 Burst test results of FRTP pipe

依據(jù)SY/T6662.2-2020 對未服役及服役2 年后的FRTP 運輸管道的抗拉性能進行測試，結(jié)果表明，未服役及服役2 年后的FRTP 管斷裂時的最大拉力分別為20.15kN 和20.02kN，下降幅度極小，這是由于管道在運行過程中主要承受壓力作用；FRTP 管在被拉斷時表現(xiàn)出的特征主要是內(nèi)部纖維的斷裂，當纖維斷裂時，整個管道發(fā)生失效。

2.2 FRTP 管內(nèi)層性能研究

由FRTP 管的失效機理可知，F(xiàn)RTP 管的內(nèi)層在輸送介質(zhì)的侵蝕和沖刷下易導致管道失效，為了充分研究內(nèi)層高密度聚乙烯在服役2 年后的性能變化，將管道內(nèi)層單獨取出進行加工，通過室內(nèi)試驗研究其性能變化。

首先將未服役及服役2 年后的FRTP 管內(nèi)層加工成啞鈴狀進行抗拉試驗，每種工況設置5 組試樣，依據(jù)GB/T 1040-2006 進行試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 FRTP 內(nèi)層拉伸試驗結(jié)果Table 2 Tensile test results of FRTP inner layer

從表2 可以看出，未服役FRTP 管內(nèi)層材料的抗拉屈服強度和斷裂點應力均高于服役2 年后的FRTP 管內(nèi)層材料，說明服役后的材料塑性變差，未服役及服役2 年后的FRTP 管內(nèi)層材料抗拉屈服強度平均值分別為19.6MPa 和15.4MPa，相比而言，服役2 年后導致內(nèi)層材料的屈服強度下降了21.43%。

然后對未服役及服役2 年后FRTP 管內(nèi)層材料的邵氏硬度（GB/T 2411-2008）和維卡軟化溫度（GB/T 1633-2000）進行測試，結(jié)果見表3。材料的邵氏硬度是表征材料抵抗變形的重要指標，從表中數(shù)據(jù)可以看出，未服役及服役2 年后的FRTP 管內(nèi)層材料邵氏硬度平均值分別為61.47 度和44.37 度，相比而言，服役2 年后導致內(nèi)層材料的邵氏硬度下降了27.82%，這是因為FRTP管在服役過程中，內(nèi)層材料受到運輸介質(zhì)的沖刷和侵蝕，導致其發(fā)生溶脹和鼓泡等現(xiàn)象，從而降低了內(nèi)層材料的硬度。

表3 FRTP 內(nèi)層邵氏硬度和維卡軟化溫度測試結(jié)果Table 3 Test results of Shore hardness and Vicat softening temperature of FRTP inner layer

高密度聚乙烯在高溫下易軟化的性質(zhì)導致其應用受到一定的限制，當FRTP 管內(nèi)層材料受熱軟化時受到應力時可能會導致其性能下降，因此有必要對FRTP 管內(nèi)層材料的維卡軟化溫度進行相關測試，從表3 中的結(jié)果可以看出，未服役及服役2 年后的FRTP 管內(nèi)層材料維卡軟化溫度平均值分別為69.43℃和65.28℃，相比而言，服役2 年后導致內(nèi)層材料的維卡軟化溫度下降了5.98%，下降幅度較小，且軟化溫度遠在服役工況溫度之上，說明該材料能滿足工程需求，但是長時間的使用仍然存在一定的風險。

為了充分理解FRTP 管內(nèi)層材料受運輸介質(zhì)的影響，采用傅里葉紅外光譜對未服役及服役2 年后的高密度聚乙烯內(nèi)層材料進行測試，結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出，未服役與服役2 年后的高密度聚乙烯內(nèi)層材料均具有四個顯著的特征鋒(720、1460、2830、2900 cm-1)，波數(shù)由小到大分別為亞甲基搖擺震動峰、亞甲基彎曲震動峰、亞甲基對稱伸縮震動峰和亞甲基反對稱伸縮振動峰，這是聚乙烯材料固有的特征［10-11］。從圖中還可以看出，服役2 年后的內(nèi)層材料官能團幾乎沒有變化，即化學成分變化較少。因此可以判斷，內(nèi)層材料的力學性能變化主要是由于輸送介質(zhì)中水分的侵蝕作用導致材料發(fā)生溶脹和鼓泡等物理現(xiàn)象。

圖4 FRTP 內(nèi)層紅外光譜測試結(jié)果Fig. 4 Infrared spectrum test results of FRTP inner layer

3 FRTP 失效機理分析

FRTP 結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外分為內(nèi)層、纖維強化層和外層。內(nèi)層材料主要為聚合物，如高密度聚乙烯等，主要起到耐腐蝕的作用；纖維強化層材料主要為聚酯纖維，主要作用是增強管道的抗壓能力，聚酯纖維為偶數(shù)層反向纏繞于內(nèi)層之上，且纏繞方向要與管道軸向成55° 左右的夾角；外層材料主要為聚乙烯，能起到保護纖維強化層及防磨損的作用。從FRTP 不同結(jié)構(gòu)及其作用可知，纖維強化層起著承擔主要荷載的作用，相比于內(nèi)層高密度聚乙烯材料而言，聚酯纖維因其具備較高的剛性而斷裂伸長率較低，因此在外部壓力作用下，F(xiàn)RTP 管道的失效主要是由于其變形量超出了聚酯纖維的斷裂伸長率［12-13］，因此聚酯纖維的纏繞角度及排布狀態(tài)等對于保障FRTP管的抗壓和抗拉性能具有十分重要的作用，施工中一定要嚴格控制。外層材料的主要作用主要是防止管道外部腐蝕及抵抗紫外線，并不起到承受壓力的作用。除此之外，在FRTP 使用過程中，內(nèi)層易受到運輸液體及某些酸性氣體的物理沖刷和化學腐蝕等作用，工作環(huán)境的溫度也會導致內(nèi)層的性能受到影響，從而降低內(nèi)層的密閉性及強度等，最終使得管道的服役性能降低［14-15］。因此，在評價FRTP 管的使用性能和長期穩(wěn)定性的過程中，將重點關注FRTP 管的整管承壓性能變化及內(nèi)層材料性能變化兩個角度。

4 結(jié)論

（1）FRTP 管的主要承壓載體為聚酯纖維強化層，其失效模式主要分為強化層斷裂失效及內(nèi)層腐蝕失效兩種。

（2）FRTP 整管性能研究表明，未服役及服役2 年后的管道靜水壓力值波動均在4%以內(nèi)，保壓性能良好；抗拉性能變化幅度極??；服役2 年后的FRTP 管短時水壓爆破壓力值下降了12.39%，但在安全范圍內(nèi)。承內(nèi)壓是判斷管道長期穩(wěn)定性的主要指標。

（3）FRTP 內(nèi)層材料研究表明，服役2 年后的內(nèi)層材料屈服強度、邵氏硬度和維卡軟化溫度分別下降了21.43%、27.82% 和5.98%，結(jié)合傅里葉紅外光譜測試結(jié)果，表明內(nèi)層材料失效主要是由于在運輸介質(zhì)的物理沖刷作用下材料的抗變形能力下降。