RTP管在高压含硫油气环境下的应用*

2023-12-16梁晓飞燕自峰李厚补刘鹏程王耀辉

石油管材与仪器 2023年6期

梁晓飞,燕自峰, 鲜俊,丁晗,李厚补,刘鹏程,王耀辉,王鹏

(1.中国石油塔里木油田分公司新疆库尔勒 841000; 2.中国石油集团工程材料研究院有限公司,石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安 710077)

0 引言

目前,传统油气输送采用的金属管道在油田腐蚀性介质如硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2)等侵蚀下容易造成管线穿孔失效及油气泄漏[1]。近年来,热塑性塑料管也逐步应用于酸性环境,但由于这类材料单独使用承压能力有限,通常只能应用于1.6 MPa以下,不能满足油田的现场需求,因此为了提高热塑性塑料管的输送压力,非金属增强热塑性塑料管(RTP)应运而生,正得到越来越广泛的应用[2-3]。RTP管是一种具有多层结构的复合材料管道,通常包括内衬层、增强层和外覆层三层结构,目前在国内外油气集输管线中已得到了规模应用,并取得了比较好的应用效果[4-7]。但由于常用的高密度聚乙烯(PE-HD)内衬材料自身渗透性高和硫化氢环境中适用性不确定,目前此类管线在我国油田主要仅用于低压(≤4 MPa)输气管道[8]。

早在2000年,国外阿曼石油发展公司将芳纶纤维增强塑料管应用于输油管道,随后荷兰、科威特、沙特阿拉伯等国的石油公司也开始在油气管网中应用芳纶增强复合管。俄罗斯Gaspro石油公司成功地将芳纶纤维增强复合管应用于冻土地带的天然气管道和油田集输管道。德国一家油气储运公司首次将芳纶纤维增强塑料管应用于10 MPa条件下的含硫化氢的湿天然气的输送中[9]。2003年,国内长庆油田在靖边将RTP管首次应用于单井注醇管道。2006年,苏里格气田采用小口径低压(DN50 mm PN4.0 MPa)RTP管取代了同口径无缝钢管单井管道,截止2008年共计铺设RTP管63.8 km[10]。

RTP管的强度由增强层结构提供,与管内介质接触并提供耐蚀性为内衬材料。为了克服传统塑料内衬材料气体渗透性高的弱点,随着高分子材料技术的不断进步,以新型热塑性塑料作为RTP管内衬材料进行抗硫非金属管的设计正成为目前的研究重点。李厚补等[11]为了解气体介质在热塑性塑料中的渗透特性并明确其渗透机理,研究了典型气体CH4在聚偏氟乙烯(PVDF)中的渗透特性。张冬娜等[12]对IV型高压储氢气瓶内胆材料PE-HD的氢气气体渗透性进行了研究,主要分析了结晶度及温度对PE-HD氢渗透的影响。目前国内外近年来开发的高性能新材料,与复合材料的强度高、可设计性好等特点结合起来,并根据油气田输送介质的温度、压力和物性特点,亟需开展RTP管在高压硫化氢环境下的评价研究,明确非金属增强复合管在油田工况条件下的适用性,为指导现场应用提供支撑。

1 试验材料及方法

1.1 主要原料

PE-HD管材:西部油田现场库存RTP管,河北恒安泰油管有限公司;西部油田现场在役RTP管,河北恒安泰油管有限公司;RTP管为三层结构(内衬层:PE-HD, 增强层:涤纶纤维工业长丝,外保护层:低密度聚乙烯(PE-LD));规格为RFY-Ⅰ 116 mm 18 mm 16 MPa。

1.2 主要设备及仪器

超景深显微镜:Smart Zoom 5型,德国蔡司公司;

电子密度计:ET-120SL型,北京仪特诺电子科技有限公司;

超大行程试验机:AGS-X10KN型,日本岛津公司;

邵氏硬度计(D型):TIME5410型,北京时代之峰科技有限公司;

维卡软化温度测试仪:RV-300FW型,承德精密试验机有限公司;

红外光谱仪:NICOLET iS50 FT-IR型,美国Thermo Fisher公司;

差示扫描量热仪:AQ200型,美国TA公司;

热重分析仪:TGA2型,瑞士METTLER TOLEDO公司;

非金属管材水压试验系统:XGNB型,承德精密试验机有限公司。

1.3 现场服役条件

经过仔细梳理和现场充分调研,与油田现场充分沟通的前提下,确定取样评价管线为某高压含硫气举管线,该RTP管在现场具体工况信息见表1。

表1 现场RTP管服役条件

1.4 测试与表征

针对现场库存和服役后的RTP管,分别对比样品服役前后的外观形貌变化、质量密度体积变化、拉伸强度、邵氏硬度变化、耐热性能变化及结构成分变化,针对服役后RTP管开展承压性能测试。

质量、密度和体积变化参考GB/T 1033.1—2008测试,样品为块状试样,测试样品服役前后质量、密度和体积,计算得到质量、密度和体积变化率。

拉伸强度参照GB/T 1040.1—2006 测试,拉伸样品为哑铃型,受力方向沿管材轴向,样品宽度为10 mm,拉伸速率10 mm/min。

邵氏硬度参照GB/T 2411—2008测试,采用D型邵氏硬度计对服役前后样品的硬度进行测试。

耐热性能参照GB/T 1633—2000 测试,采用B50法(50 N,50 ℃/h) 对服役前后的聚乙烯样品的维卡软化温度(VST) 进行测试。

服役前后的化学结构通过FTIR 仪表征,测试聚合物的特征吸收谱线,定性分析聚合物结构组成等。

服役后PE-HD内衬层氧化诱导温度通过差示扫描量热仪表征,测试聚合物的熔点、熔融焓、结晶度和氧化诱导温度。

服役后PE-HD内衬层热重(TGA)通过热重分析仪表征,测试聚合物热分解温度和热失重行为。

服役后RTP管承压性能通过水压试验系统表征,测试RTP管承压性能变化情况。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

将现场服役后RTP管内衬层剖开后,内外表面宏观形貌如图1所示,其外表面整体光滑平整,内表面底部附着有沉积物,且内表面颜色较外表面发黄,这是由于长期与油气介质及H2S分子接触后内表面出现了渗透和溶胀作用[13-14]。溶胀过程表现为溶剂向聚合体内部逐渐渗透,渗透作用首先发生在大分子链次价键相互作用薄弱的部分(无定型区),继而深入至大分子链次价键相互作用较强的部分(结晶区),聚合物体积不断膨胀[15]。

图1 服役后内衬层样品宏观形貌

现场服役后RTP管内衬层样品的内外表面及横截面微观形貌分别如图2和图3所示。样品内表面颜色变深,管体6点钟方向可见明显的沉积物附着,内外表面形貌基本保持完整,无溶蚀、起泡、开裂、孔洞等失效特征出现,但通过横截面观察发现,油气介质与内表面长期接触后发生了渗透和溶胀作用,渗透深度约0.5～1 mm(图3b)。

图2 服役后RTP管内衬层内表面微观形貌

图3 服役后RTP管形貌

图4为服役前后增强纤维形貌,从图中可以看出服役后纤维纱线表面颜色发黄,且存在油脂浸润,表明复合管夹层存在油气介质,进一步证实了内衬层气体渗透作用的存在。而导致内衬层和增强层颜色发生变化是油气介质和H2S共同作用下的结果[14]。

图4 服役前后增强纤维形貌

2.2 密度

现场服役后RTP管内衬层样品密度测试结果见表2。RTP管内衬层密度满足GB/T 15558.1—2015中规定的聚乙烯混配料基础树脂密度不低于0.930 g/cm3的要求。

表2 服役RTP管内衬层密度试验结果

2.3 力学性能

PE-HD样品在现场服役前后力学性能测试结果见表3和图5。经过现场服役后样品的屈服强度、弹性模量和断裂伸长率与原始样品相比,分别下降23.4%、30.1%和4%。表明聚乙烯内衬样品在高压高含硫湿气环境下服役后强度、刚度均出现了明显下降。

图5 服役前后PE-HD样品应力-应变曲线

表3 服役前后内衬层样品力学性能测试结果

分别取原始涤纶纤维和服役后RTP管增强层纤维做拉伸性能测试,每组为20根,结果见表4和图6。

图6 服役前后增强层纤维拉伸力-位移曲线

表4 服役前后增强纤维样品力学性能测试结果

服役后RTP管增强层纤维的拉伸力低于原始涤纶纤维,断裂伸长率高于原始涤纶纤维,服役后RTP管增强层纤维的强度较原始下降了22%。

2.4 邵氏硬度

PE-HD样品服役前后邵氏硬度(D型)测试结果见表5。服役后样品在介质作用下邵氏硬度较原始样品降低。聚乙烯管材混配料通常会添加少量色母、抗静电剂、抗UV剂、阻燃剂等各类助剂。作为一种强还原剂,H2S气体有可能会与部分助剂发生反应,引起聚乙烯管材表面硬度发生变化。

表5 服役前后PE-HD样品邵氏硬度测试结果(D型)

2.5 维卡软化温度

PE-HD样品在服役前后维卡软化温度(B50)测试结果见表6和图7。经过现场服役后,内衬样品维卡软化温度基本无变化,表明材料耐温性能仍保持稳定。

图7 服役前后PE-HD样品温度-形变曲线

表6 服役前后PE-HD样品维卡软化温度测试结果(B50) ℃

2.6 结构成分

PE-HD样品服役前后结构成分测试结果如图8所示。红外光谱图显示内衬层材料为聚乙烯,特征峰在2 917 cm-1、2 846 cm-1、1 462 cm-1和718 cm-1处明显,显示化学结构没有发生明显变化。但现场服役样品除聚乙烯特征峰外,还在797～1 260 cm-1处出现吸收峰,推测与油气介质及H2S分子渗透进入聚乙烯材料内部有关。

图8 服役前后PE-HD样品结构成分谱图

服役前后增强层纤维的红外光谱图中1 710 cm-1为碳基伸缩振动,1 239 cm-1和1 092 cm-1为羧基中的碳基伸缩振动,721 cm-1为面外弯曲振动吸收,874 cm-1为芳环上两个相邻的C-H变形振动,如图9所示。服役后增强纤维在3 000～2 800 cm-1范围内出现-CH2-振动,这是由于油气介质由内衬渗透进入增强层所致。

图9 服役前后纤维样品结构成分谱图

2.7 氧化诱导温度分析

PE-HD样品在服役前后的氧化诱导温度结果如图10所示。

图10 服役前后PE-HD内衬层样品氧化诱导温度曲线

PE-HD服役后样品与原始样品相比,氧化诱导温度低于原始样品,表明PE-HD内衬层在油气介质及H2S分子作用下导致内衬材料的抗氧化分解能力降低。

2.8 热失重分析

PE-HD样品服役前后热失重测试结果如图11和图12所示,可以看出,服役后内衬层样品的热分解温度及热失重行为基本一致。将失重台阶放大,可以发现服役后样品失重质量更多,推测为服役后样品内衬层存在溶胀,基体含有部分油气介质,导致服役前后内衬层样品热失重存在差异。

图11 服役前后PE-HD样品热失重曲线

图12 服役前后PE-HD样品热失重曲线(局部放大)

2.9 承压性能测试

采用XGNB型非金属管材爆破试验机,测试服役后RTP管在室温下的水压爆破强度,爆破压力为55.2 MPa,试验后样品外观如图13所示,水压爆破曲线如图14所示。由试验结果可以看出,样品水压爆破失效形式为管体爆破,扣压接头保持完好,爆破强度满足SY/T 6662.2—2020中短时爆破压力不应小于3.0倍公称压力的规定。