高温高压条件下柔性复合管评价方法研究*

齐国权 戚东涛 魏 斌 李厚补 丁 楠 蔡雪华 张冬娜

(中国石油集团石油管工程技术研究院，中国石油集团石油管工程重点实验室 陕西 西安 710077)

0 引 言

典型柔性复合管为三层结构，最内层为内衬层，起到密封和耐化学介质侵蚀的作用，通常采用聚乙烯(PE)、尼龙(PA)和聚偏氟乙烯(PVDF)等热塑性塑料;中间层为增强层，起到承担管道内压强度的作用，通常采用涤纶、芳纶纤维或钢丝作为增强材料;最外层为外保护层，起到防止磨损和抗紫外线老化的作用［1～3］。服役温度和承内压是制约非金属管使用的主要因素，国内某油田在推广使用柔性复合管的过程中，就曾多次发生温度过高造成非金属管道失效的事故。这是由于不同类型内衬层及增强层材料的承载能力、温度适用范围、流体相容性以及材料的老化性能等都不尽相同所导致［4，5］。还有，国内柔性复合管标准(SY/T 6662.2)中规定的评价试验均在室温下进行，不能表征管材在高温下性能。

因此，在针对目前高温高压复杂工况，必须根据柔性复合管结构特点，结合高温高压应用环境，开展柔性复合管高温高压适用性评价方法研究，方能为后期运行提供保障及降低事故率。本文参照目前国内外柔性复合管相关标准，对柔性管耐高温评价技术研究，并对关键性能指标进行量化。

1 性能要求及评价内容

柔性复合管应满足以下最低整体性能要求:管道应具备流体密封性;管道应在整个服役寿命过程中保持其功能;材料应与应用环境具有相容性;以及接头与管体的性能一致［6］。

在对柔性复合管评价中，应至少包括以下三方面内容:内衬层的高温力学性能及耐介质性能，增强层的高温力学性能以及整管(包括连接结构)的高温力学性能、高温密封性和耐介质性能。

2 材料选择与评价

2.1 聚合物内衬层

目前最常用的内衬材料为聚乙烯(PE)，低密度聚乙烯(LDPE)，中密度聚乙烯(MDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，交联聚乙烯(PEX)，耐热性聚乙烯(PE -RT)以及偏氟聚乙烯(PVDF)。根据各个内衬层材料的熔点及维卡软化温度［7、8］，它们的最高使用温度能力如下:

PVDF(130℃)＞PE - RT(90℃)＞PEX(70℃)＞HDPE

(60℃)＞MDPE(50℃)＞LDPE(40℃)。在选定适合工况温度要求的内衬层后，还应进行如下材料性能检测。检测项目以及方法可参考API Spec 17J 以及ISO 23936-1 标准要求的规程进行，具体要求见表1 所述。

2.2 增强层

柔性复合管高温下的力学性能取决于其组分的性能，更大程度上取决于增强纤维在高温下的力学性能，增强层及其所有粘合剂应在给定服役条件下的整个使用寿命周期内保持完好。复合管设计与选材应考虑构层的短期/长期承载能力、温度适用范围、流体相容性以及所有材料的老化性能的试验数据。目前较常用的增强层材料有以下四种:涤纶工业长丝、芳纶长丝、超高分子量聚乙烯长丝和增强钢丝绳等。

表1 聚合物内衬材料的检测项目与试验方法

针对增强层在管材服役性能中所起作用，主要进行增强纤维拉伸性能评价测试，尤其应进行高温条件下评价试验，试验标准参考GB/T 14337 -2008。

2.3 外保护层

外保护层应在给定服役条件下的整个使用寿命期内保持其功能完整性。当现场需要或者买方要求时，制造商应以文件形式说明其承受安装载荷和使用环境(如紫外线，磨损等)的能力。目前所用的外保护层基本上都是管道级的PE。

3 柔性复合管整管适应性评价方法

3.1 静水压试验

试样经状态调节后，观察在规定的恒定静液压下保持一个规定时间后管材是否出现渗漏、破裂等失效形式。试验压力值为公称压力的1.5 倍，试验温度为该管材服役温度上限值。在整个试验过程中，试样应保持在规定的恒温环境中，这个恒温环境可以是水(水-水试验)，其他液体(水-液体试验)或者是空气(水-空气试验)。

试样尺寸要求为:当管材公称外径Dn≤315 mm 时，每个试样在两个密封接头之间的自由长度Lo 应不小于试样外径的三倍，但最小不得小于250 mm;当管材Dn ＞315 mm 时，其最小自由长度Lo ＞1 000 mm。

结果判定依据SY/T 6662.2 -2012《石油天然气工业用非金属复合管 第2 部分:柔性复合高压输送管》规定:在试验温度下，以公称压力的1.5 倍进行静水压试验，保压4 h，管体无破裂、无渗漏，压降小于4%。

3.2 瞬时水压爆破强度试验

试验按GB/T 15560 的规定进行。需要注意的是管材试样制作要求及瞬时爆破时间控制。

除非另有要求，管材试样制作要求如下。试样为非标准尺寸，针对流体输送用塑料管材，当公称外径D ＜160 mm 时，试样在两个密封接头之间的有效长度L≥5D，但不小于300 mm;当D≥160 mm 时，L≥3D，但不小于760 mm。对于玻璃纤维管线管，当公称外径D≤150 mm 时，试样在两个密封接头之间的有效长度L≥5D，但不小于300 mm;当D ＞150 mm 时，L≥3D，但不小于750 mm。

对于瞬时爆破试验，要求施压装置有足够的加压能力，并且利用计时装置计时，能够在60 s ～70 s 内完成试样爆破。对试样施加试验压力。瞬时爆破试验时，连续均匀地、快速地对试样施加压力，并同时开始计时直至试样破裂为止。如果试样在60 s 内破裂，则降低施压速度，重复试验，直到试样在60 s ～70 s 内破裂为止。最后，记录试样破裂时的压力和时间及试样的破裂状态，完成试验。

SY/T 6662.2《石油天然气工业用非金属复合管第2部分:柔性复合高压输送管》规定:爆破压力不应小于3.0倍公称压力。

3.3 1 000 h 存活试验

在1 000 h 存活试验中，首先应确定的是存活试验压力。根据标准SY/T 6794 -2010，通过服役温度下爆破强度与设计寿命下最大工作压力(公称压力)确定的置信下限，见图1。通过斜率确定1 000 h 下对应的压力值，此值即为1 000 h 存活试验压力值。试验温度为服役状态下温度。

图1 确定LCL、MPR、MSP 的示意图

根据标准SY/T 6794 -2010 要求，两个样本均应通过1 000 h 试验，如果有一个失效，则应进行全部的产品族评定试验。

3.4 接头的气密性试验

每种形式的接头应具有良好的气密性。对每一种形式的接头，应对两个管接头加压，介质是空气或氮气，压力为工作压力的1/10，保压至少6 h，并在保压开始和结束时检查是否有泄漏。然后将压力增大至工作压力，保压至少6 h，最后泄压，上述过程应重复3 次。在最大和最小工作温度下进行试验均应无泄漏现象，试验中可以采用肥皂水溶液或采用其他合适方法观察泄漏。

3.5 最小弯曲半径

工作状态下的最小弯曲半径应由制造商确定并对产品族代表在评定试验温度下SY/T 6794 -2010 中5.1.3 所述的1 000 h 存活试验进行评定。试样数量为2 根，试验时应采用适当的夹具固定以保持试样处于最小弯曲半径状态。

3.6 外部压力

制造商应规定管道能承受的最大外压。承受外载荷的性能可以按ASTM D2412 规定的平行板外载压扁试验来确定。目前主要是用于说明管道在湿地中的应用特性，而不是在海底应用特性。

4 结 语

针对高温高压环境下用柔性复合管材料，应考虑各层所承担的功能进行选材，并进行相关理化性能、热性能及介质相容性等评价。其中柔性复合管耐高温高压性能从内衬层、增强层及整管三方面进行评价。通过高温高压条件下柔性复合管评价方法研究，不仅为各大油田柔性复合管选材与应用提供指导作用，而且为今后特殊工况下柔性复合管应用的标准体系建设具有探索意义。

［1］韩方勇，丁建宇，孙铁民，等.油气田应用非金属管道技术研究［J］.石油规划设计，2012，23(6):5 -9.

［2］Varelidis P C，Papakostopoulos D G，Pandazis C I.Polyamide coated Kevlar fabric in epoxy resin［J］. Composites:part A，2000，31:549 -558.

［3］李 忠，王宏军，卫 杰.非金属管道在塔里木油田集油系统的应用［J］.油气储运，2003，22(1):37 -39.

［4］Andreopoules A G.A new coupling agent for aramid fibres［J］.Journal of Applied Polymer Science，1989，38:1053-1064.

［5］Fisher E.H.，Gibson A. G. Continuous fibre reinforced thermoplastic pipes for transport and distribution of fluids for the oil and gas industries［J］. Plast，Rubber Compos 1999，27(10):447 -451.

［6］国家能源局.SY/T 6794 -2010 可盘绕式增强塑料管线管的评定［S］.石油工业出版社，2010.

［7］ISO. ISO 11357 - 1 - 2009 Plastics - Differential scanning calorimetry (DSC)- Part 1:General priciples［S］.2009.

［8］ISO.ISO 306 -2004 Plastics -Thermoplastic materials -Determination of Vicat softening temperature(VST)［S］.2004.