玻璃钢管在湿含H2S天然气集输中的应用评价

但 涛 李林辉 何炆忆 施岱艳 崔 磊 宋 亮 姜 放

1. 中国石油西南油气田公司蜀南气矿, 四川 泸州 646000; 2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 3. 中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室酸性油气田管材腐蚀与防护研究室, 四川 成都 610041; 4. 中国石油西南油气田公司华油公司泸州市西部天然气有限公司, 四川 泸州 646000

0 前言

我国每年有大量的金属管道因腐蚀报废需要更换,一些复杂腐蚀油气田集输管道甚至几个月就腐蚀穿孔,腐蚀造成的管道经济损失多达数百亿元人民币[1-5]。而非金属管无内外涂层、无阴极保护、无需焊接,安装、挖沟、回填费用低,总体投资成本低;同时,非金属管本身所固有的耐腐蚀性,降低了操作维护费,可在全寿命周期内大大降低成本。国外油气田已经大量将非金属管道用于油气田污水处理,在油气集输方面的应用也逐年增多[6-13]。

目前,玻璃钢管是油气田应用时间最长、用量最大的非金属管。玻璃钢管的成型工艺包括缠绕、离心浇铸和手工铺设等,树脂可采用环氧树脂、乙烯基树脂和不饱和聚酯树脂等[14-17]。与其他非金属管相比,玻璃钢管的优点是耐温性能高、价格较低,缺点是接头性能和抗冲击性能差[18-20]。

蜀南气矿五打线(以下简称五打线)玻璃钢管输送原料气从2003年运行至今,经过了一定压力下输送介质的冲蚀,玻璃钢管接头承受了热胀冷缩引起的拉伸或压缩作用力的影响。为检验该在役玻璃钢管在输气环境的性能稳定性,确保管道的使用安全,2016年11月再次对五打线现场运行玻璃钢管进行取样检测,研究了玻璃钢管的硬度、玻璃化转变温度、弯曲强度、短时失效压力等随使用时间而衰减的程度以及变化规律,分析了玻璃钢管在长期应力状态下腐蚀性天然气环境对使用性能的影响,进一步研究了埋地玻璃钢管在现役条件下的使用安全性。

1 五打线玻璃钢管基本情况

在投运前,检测了玻璃钢管性能,投运前的规格和性能见表1。2004年7月,分别对五3井试验段和五打线玻璃钢管进行了科研试验,测试了接头短时失效压力和耐蚀层材料的玻璃化转变温度。2005年11月,对五打线的埋地管道6″SFH-5.5 IJ(1″=25.4 mm)进行了取样检测,2016年11月,取样玻璃钢管为6″SFH-5.5 IJ的线路埋地管道,运行周期164月。

表1 五打线玻璃钢管投运前的规格和性能

规格制造商平均壁厚/ mm压力等级/MPa树脂类型树脂的固化剂固化度/℃轴向拉伸强度 /MPa 6″SFH-5.5 IJ哈尔滨斯达玻璃钢有限公司4.15.5环氧树脂酸酐类固化剂12073

2 评价内容

结合SY/T 6267《高压玻璃纤维管线管规范》(以下简称SY/T 6267)和SY/T 6770.1《非金属管材质量验收规范第1部分:高压玻璃纤维管线管》的要求,从外观、基体树脂和增强纤维等方面的变化来研究玻璃钢管在服役条件下的性能变化情况,以判断玻璃钢管在役安全性。评价内容如下:

1)外观检查:按SY/T 6267规定进行,观察在役管道、接头的烧伤、缺口、微裂纹、纤维断裂、干斑点、断裂、针孔、树脂滴流、划痕、流体阻力、杂质等。

2)弯曲强度:参照GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》规定,检测玻璃钢管的弯曲强度变化。

3)硬度试验:按GB/T 3854-2005《增强塑料巴柯尔硬度试验方法》规定，进行巴氏硬度测定,测试设备为HBα-1型巴氏硬度计。

4)拉伸强度:按照GB/T 5349-2005《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》(以下简称GB/T 5349-2005)规定，进行拉伸强度测试。

5)短时失效压力:按GB/T 5351-2005《纤维增强热固性塑料管短时水压失效压力试验方法》规定，进行接头爆破试验。

6)玻璃化转变温度:用差示扫描量热法(DSC)测定玻璃钢管的玻璃化转变温度。

3 结果与讨论

3.1 外观

取出的玻璃钢管颜色为墨绿色,表面有光泽。玻纤螺旋缠绕,与轴向的夹角为54°,见图1～2；玻璃钢管(在役)的外观检查结果见表2。在役玻璃钢管外表面无明显缺陷或损伤,内表面光滑,无磨损痕迹。

图1 直管表面

图2 接头表面

表2 玻璃钢管道(在役)的外观检查结果

缺陷检查结果管体接头烧伤无热分解引起的表面变形或变色无热分解引起的表面变形或变色缺口表面有小块破损,层板未断裂表面有小块破损,层板未断裂微裂纹肉眼未见层压材料表面和表面下的细小裂纹肉眼未见层压材料表面和表面下的细小裂纹纤维断裂表面未见增强材料暴露表面未见增强材料暴露干斑点无表面薄膜不完整的区域无表面薄膜不完整的区域断裂无层间分离无层间分离针孔表面针孔深度目测未到增强纤维层表面针孔深度目测未到增强纤维层树脂滴流树脂凸起最高<2 mm树脂凸起最高<2 mm划痕表面有划痕,增强材料未暴露表面有划痕,增强材料未暴露流体阻力管内壁表面光滑,未见胶、结块等管内壁表面光滑,未见胶、结块等

3.2 玻璃化转变温度

采用DSC方法测定在役玻璃钢管的玻璃化转变温度,测定结果显示在酸性环境服役164个月后,玻璃钢管的玻璃化转变温度为116 ℃。结合历次测试数据,运行164个月后,五打线现场玻璃钢管的玻璃化转变温度见表3,和初始值比有所降低,但下降幅度较小,表明基体树脂性能在缓慢下降。

表3 五打线玻璃钢管玻璃化转变温度的变化情况

运行周期/月样管玻璃化转变温度/℃0126.532133164116

3.3 玻璃钢管硬度测试

玻璃钢管硬度测试采用巴氏硬度计,2016年11月取样的玻璃钢管硬度试验数据见表4。玻璃钢管巴氏硬度均值为56.6,各部位测出的数据分散性较小。

表4 五打线玻璃钢管巴氏硬度

测试编号测试结果测试编号测试结果测试编号测试结果平均值15865611572577581256356856135756.6454955145855810571556

表5 五打线线路用玻璃钢管巴氏硬度保留率

运行周期/月现场取样管硬度硬度保留率/()070-327010016456.681

3.4 接头短时失效压力测试

对2016年11月现场取得的玻璃钢管道螺纹连接头进行水压爆破测试,试验结果见图3～4。从玻璃钢管接头的爆破试验结果来看,刺漏发生在靠近接头螺纹的部位而不是发生在螺纹处,表明螺纹接头的安全性还是可靠的。

图3 水压试验

图4 接头短时失效破坏

玻璃钢管的短时失效压力正比于结构层的等效厚度和结构层材料的极限拉伸强度。五打线玻璃钢管投运后进行了三次取样短时失效压力测试,三次取样均在不同位置的在役线路玻璃钢管上取得,结果见图5。从图5测试结果来看,该线路玻璃钢管在使用期间短时失效压力没有明显下降,与使用前的测试值相近,表明使用超过164月后,该玻璃钢管接头承压能力没有下降。2016年11月,从管体上也取了两段管段进行了短时失效压力测试,最低短时失效压力19.2 MPa。

图5 五打线玻璃钢管接头短时失效压力随运行时间的变化

3.5 玻璃钢管的轴向拉伸强度试验

表6 五打线玻璃钢管拉伸强度保留率

运行周期 /月拉伸强度 /MPa拉伸强度保留率 /()081.3-3272.288.816471.688.1

3.6 现役玻璃钢管服役安全性分析

五打线玻璃钢管设计用于含H2S的气液混输,设计压力4 MPa,但埋地玻璃钢管道厂方设计压力5.5 MPa,接头短时失效压力24 MPa,设计寿命20年。基于运行期内的两次测试数据及管道原始数据,对该管道的压力等级进行了研究。

玻璃钢管螺纹接头短时失效压力与投运前的测试值接近(甚至略高),表明管材耐压能力没有下降,与投运前处于相同水平。目前五打线玻璃钢管改输净化天然气后,运行压力在1.5 MPa以下。现役玻璃钢管接头短时失效压力24.2 MPa,管体的最低短时失效压力19.2 MPa。

对于输水用非金属管,根据相关标准规定,短时失效压力应大于3倍公称压力,而输送气体介质,目前的标准没有明确的短时失效压力与公称压力的比值规定。由于天然气具有高失效后果,其短时失效压力应比输水时的短时失效压力要求更高,至少应为4.5倍公称压力。

接头的压力等级:

管体的压力等级:

由此可见,现役玻璃钢管仍可在不高于4.26 MPa的压力环境下使用。而目前五打线玻璃钢管输送的净化天然气压力在1.5 MPa以下,远低于4.26 MPa,该管道在目前的服役条件下满足使用要求,仍可安全使用。

4 结论

对于五打线玻璃钢管,在低含H2S的集输环境服役近14年后,从玻璃化转变温度和硬度测试结果可看出，其基体树脂的性能随运行时间逐渐下降,受流体侵蚀及自然老化的共同作用,交联的分子链逐步断裂,性能逐步下降,但下降速度较慢;而短时失效压力和力学性能测试结果表明，其耐压能力和拉伸强度保留率较高,性能下降不明显,表明流体对管道强度的影响较小,玻璃钢管在现役条件下使用是安全的。从提高玻璃钢管道使用安全性的角度,应适当提高玻璃钢管基体树脂耐腐蚀介质侵蚀能力和老化性能。通过压力计算,五打线玻璃管仍可在目前的服役条件下安全使用。