基于事故樹法的玻璃鋼管線失效評價

梁苗

摘 要：玻璃鋼管線因其優異的耐腐蝕性被廣泛用于石油開采業，但使用中常發生失效現象。首先全面分析了玻璃鋼管線的結構、性能、成型工藝。然后，著重闡釋了玻璃鋼管線失效的主要影響因素、影響方式，據此繪制了玻璃鋼管線失效的事故樹。最后，根據所繪事故樹進行定性分析求出最小割集、徑集和結構重要度，發現界面粘結力和高溫高濕環境對管線失效的影響最大，然后是耐腐蝕性力學性能等其他因素影響，從而提出具體改善措施。

關鍵詞：玻璃鋼管線;事故樹;風險評價;失效

0 引言

玻璃鋼即玻璃纖維增強塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP），一般是指用玻璃纖維或其成品作為增強材料來加強合成樹脂基體的復合材料。玻璃纖維增強塑料的主要成分是玻璃纖維增強材料、樹脂基體和固化劑，樹脂常用的類別有聚酯樹脂、酚酞樹脂及環氧樹脂等，而玻璃纖維又可以分為無堿、中堿和高堿玻璃纖維等。玻璃鋼的結構單元為纖維、基體、界面三個部分。玻璃鋼的原材料易得，且能良好地抵抗酸、堿、鹽等各類腐蝕介質的腐蝕，具有輕質高強、耐高溫、性能穩定及可設計性能好的優點。

如今，玻璃鋼已成功發展出玻璃鋼罐、玻璃鋼管和玻璃鋼塔器等多種產品類型。其中玻璃鋼管（Glass Fiber Reinforced Plastic Pipe，GFRPP），其成型工藝主要有手糊法、離心鑄造法和纖維纏繞法。一般玻璃鋼管的管壁是由功能層（內襯層和外保護層）和結構層（承載層）組成，從里向外的管壁結構依次為內襯層、纏繞層、樹脂砂漿層、纏繞層和外防腐層。外防腐層起防外介質腐蝕和摩擦碰撞的作用，內襯層起防內介質腐蝕和滲漏的作用，內襯層為純樹脂，內表面厚度不小于0.5mm，內表面和次內層厚度不小于1.2mm;樹脂漿砂層兩側的以纖維纏繞的結構層含有多達超過70%的玻璃纖維，保障了玻璃鋼管的強度;最中間的樹脂夾砂層是低應力區，此層加入石英砂，可以提高剛度且并降低制造成本 。玻璃鋼管道因它獨特的優異性在石油、供水及化工等各行各業的發展十分迅速。特別是在石油方面，國內外已進入二次和三次采油階段，不得不運用高壓注水的方式來補充地層的能量，但注入水含大量H2S、CO2及Cl-會加劇對鋼管道的腐蝕，造成水質二次污染且使鐵離子降解易使管道結垢，嚴重影響石油的開采，因此傳統金屬管線的腐蝕結垢問題日益突出。而玻璃鋼管與常見的碳鋼管、不銹鋼管相比有耐腐蝕強、不發生電化學腐蝕、不會造成二次污染、不結垢、流體阻力小且使用年限長等優點，開始在石油工業中廣泛應用，成為解決國內外油田腐蝕的新型產品。玻璃鋼管線雖然較傳統管線相比有良好的耐腐蝕性、水力學性和化學結構穩定性，可以有效解決國內外油田開發中的腐蝕性問題，但隨著玻璃鋼管線的大量應用和應用范圍的擴大，玻璃鋼管線也逐漸暴露出一些弊端，出現失效現象，導致重大財產損失，嚴重影響社會安全穩定。

因此，首先，全面分析了玻璃鋼管線的結構、性能、成型工藝。然后，著重闡釋了玻璃鋼管線失效的主要影響因素、影響方式，據此繪制了玻璃鋼管線失效的事故樹。最后，根據所繪事故樹進行定性分析求出最小割集、徑集和結構重要度，發現界面粘結力和高溫高濕環境對管線失效的影響最大，然后是耐腐蝕性力學性能等其他因素影響，從而提出改善措施。

1 玻璃鋼管線失效行為研究

根據GFRP管線失效的相關資料分析研究發現，造成其失效的主要影響因素為：管線使用環境的溫度和濕度、運行壓力、土壤腐蝕、輸送介質腐蝕、玻璃鋼的界面粘結力、原材料選擇、管線的成型工藝、接頭連接方式、第三方破壞和誤操作等。

1.1 環境溫度和濕度的影響

高溫和高濕的給合會對降低玻璃鋼的性能。在高溫高濕環境下，樹脂基體比玻璃纖維受到影響更大，高溫高濕會導致樹脂聚合物基體內存留水分，不僅使其重量增加，而且使聚合物體基材料膨脹，產生濕熱應變，即濕熱效應。分析發現同一種樹脂基體在溫度一定時，含水量高的樹脂基體強度剛度都會下降，而且使轉化溫度也明顯減低。如圖1樹脂基體的強度、剛度隨溫度和濕度變化曲線所示。

1.2 運行壓力和管道連接方式的影響

玻璃鋼管線所受的壓力超過其自身的服役條件時，就會發生失效問題。油管經常會受交變壓力的的作用，外壓、內壓分別和軸拉、軸壓復合載荷聯合過大是造成井下管失效的主要因素，對于玻璃鋼管線的內壓和軸載的影響，英國曼徹斯特大學進行了相關研究發現，內壓和軸載作用下玻璃鋼管的失效表現為滲透的初次失效和斷裂的最終失效且滲透應力比斷裂極限應力低，此外不同原材料的選用對內壓引起滲透和斷裂失效的影響也不同。

管道系統中往往是接頭處最易發生失效，玻璃鋼管線也不例外。管道的使用溫度、載荷、輸送介質等因素的特性將決定管道的連接方式。接頭方式有無約束接頭、有約束接頭和螺紋接頭三種，其中前兩中接頭方式適用于玻璃鋼管道的自流管和壓力管線，而螺紋接頭適用于玻璃鋼油管、套管和高壓管線管連接。我國油田的平均井深達2000m，可使用玻璃鋼螺紋直接連接，但超過這個范圍應考慮其他連接方式。

1.3 輸送介質和土壤的影響

近幾年玻璃鋼管線也出現了腐蝕問題，分為內腐蝕和外腐蝕。內腐蝕介質主要為玻璃鋼管線輸送的原油，我國油氣田輸送的介質絕大多數為酸性，主要是CO2、H2S、Cl-等且不同油田的主要腐蝕介質也不同，腐蝕過程首先是輸送介質滲透擴散到玻璃鋼復合材料的內部，然后引起樹脂基體的溶脹，產生界面應力，并溶解掉部分的小分子，同時與玻璃鋼材料中的部分分子發生化學反應，破壞玻璃鋼復合材料的整體結構，引起玻璃鋼管線的外觀、物理性能和機械性能的變化最終導致玻璃鋼的失效。

土壤腐蝕主要是指土壤中水分、含鹽量、總酸度及微生物等單獨起作用或幾種結合共同侵蝕管線導致腐蝕破壞。油管的沿線大部分地段地面和地下土壤為弱酸性，部分有水河谷邊的土壤如沼澤土為中等酸腐蝕性，管線穿越河流地段的土壤為強酸腐蝕性，也有少數的堿性土壤如鹽堿土。土壤中的酸性鹽離子主要為HCO3-、Cl-、SO2-3等。一般來說土壤的酸性蝕性越強腐越強。

1.4 玻璃鋼管線的成型工藝和界面粘結力的影響

玻璃鋼管線的成型工藝的三種成型法中手糊成型法的生產周期長、機械化程度低、制得的管線質量不穩定，易發生失效，適用于要求較低的工程但其需要的設備簡易，投資少，因此仍在玻璃鋼管線的成型工藝中占一定的比例。我國油田用玻璃鋼管線的成型方法主要是纖維纏繞法和離心鑄造法。纖維纏繞成型法能夠很好的發揮玻璃纖維的強度，制得的管質量穩定且生產的效率高，但是生產成本高，機械化程度高，需要高技術水平。離心鑄造法原材料耗損小，綜合造價低，特別適用于需要承受較大外壓的大口徑排污管。

界面作為玻璃纖維增強材料和樹脂基體的連接橋梁，需要具備較好的粘結力，界面破壞是玻璃鋼失效的引發點，因為樹脂材料并不含有活性官能團，使界面粘結力較弱，同時，由于增強纖維和基體的熱膨脹系數及彈性模量不同，復合過程中會出現界面熱應力和界面應力效應等界面特征導致界面粘結力減弱，使界面成為玻璃鋼復合材料的最易破壞部位。若界面結構本身帶有如雜質、細微裂紋、空洞等缺陷將嚴重影響界面的粘結力，使玻璃鋼的力學性能下降，容易發生剪切破壞。

1.5 玻璃鋼管線原材料的選擇和其他因素的影響

材料不適宜也會嚴重影響玻璃鋼在實際使用中的性能。玻璃鋼管線的耐腐蝕性、耐溫性主要為樹脂提供，環氧樹脂較聚酯樹脂和酚酞聚酯耐溫性、耐候性、耐化學性更好，需耐高溫時推薦采用環氧樹脂，而考慮經濟性推薦使用聚酯樹脂。玻璃纖維的含量、直徑粗細、種類選擇也影響著玻璃鋼的性能。一般來說，無堿纖維的化學穩定性、耐濕性較有堿纖維好。

除上述因素外，還有第三方破壞和人為誤操作等因素影響玻璃鋼管線失效。第三方破壞除自然災害和土層運動外，在我國，在輸油輸氣管線上打孔偷油偷氣的情況經常發生，造成管線的失效，且造成重大損傷事故，如在2007年，中石化管道儲運公司在臨邑濟南的輸油管線被周圍的多名農民屢次打孔偷油。

2 事故樹法評價玻璃鋼管線失效

2.1 繪制事故樹

首先選擇“玻璃鋼管線失效”作為頂事件，開始逐層向下分析原因事件，引起原因則主要是環境破壞、材料自身缺陷、第三方破壞、人的誤操作等。再逐層向下分析直至最基本原因事件，最后分析出43個基本原因事件，如表1所示。最終得到的玻璃鋼管線失效的事故樹圖如圖2所示。

2.2 定性分析

根據圖2，玻璃鋼管線失效事故樹的布爾表達式為：

若不考慮各基本事件發生的難易程度且假設各基本事件發生的概率相等，可得各基本事件結構重要系數如表3所示。

根據基本事件的結構重要度可知在本文所建立的玻璃鋼管線失效的事故樹中：材料自身缺陷中界面粘結力對玻璃鋼管線失效的影響最大;其次是高溫高濕環境的影響，高溫高濕環境導致玻璃鋼管線的性能下降不僅可以直接使管線失效還會加劇其他形式失效，然后是材料自身缺陷中其他因素的影響;最后為環境中腐蝕和運行壓力破壞、第三方破壞以及人的誤操作的影響。

3 對策與建議

根據對玻璃鋼管線失效事故樹的最小割集和結構重要度進行分析，可以明確引起玻璃鋼管線失效的主要因素和提出科學的改進措施：（1）需要提高界面粘結力，可以在玻璃鋼復合材料中添加改良的玻璃纖維浸潤劑更好地保護界面強度，建議根據實際使用情況選擇所需的玻璃鋼管線類型。此外，加強管材制造監督和健全管線制造標準。（2）在需要高溫高濕工作的環境中采用耐濕耐高溫的玻璃鋼材料和界面粘結力良好的玻璃鋼，同時建立溫度濕度報警裝置，可以及時發現溫度濕度變化（3）玻璃鋼管線盡量不要使用無內襯層的管線，若輸送原油腐蝕性強可以考慮采用三層內襯層的玻璃鋼管線，樹脂基體和玻璃纖維采用更耐腐蝕的環氧樹脂和無堿纖維，提高玻璃鋼管線的外防護層的厚度（4）在長期較大的交變壓力作用下，選用更穩定的玻璃鋼管線的成型工藝，手糊成型法產品質量不穩定，盡量不要使用在高承壓管線段，管線的壁厚、直徑等尺寸的設計應與其承壓能力相匹配，選用力學性能更好的樹脂基體和玻璃纖維。此外，設置壓力報警裝置，當壓力超過允許條件時能及時發現采取措施控制。（5）除自然災害外，管線附近居民對相關法律法規、安全性的了解和政府的干預等都會對管線造成影響，因此應加強人民的法律和保護公共財產意識，建立完善的報警系統，健全法制并保障法律法規的落實。同時，也要做好對自然災害的預測，加強減災措施。（6）應建立嚴格的施工質量檢測制度，加強人員的安全和專業培訓，完善管理制度。

4 結論

本文深入研究分析了玻璃鋼管線的結構、性能、使用條件和失效的影響因素，在此基礎上運用事故樹法對玻璃鋼管線進行了安全評價，繪制出玻璃鋼管線的失效的事故樹，進行定性分析并提出相應的改善措施。此外，由于缺少完善的數據信息和詳盡的資料，無法對玻璃鋼管線失效進行定量分析，這是本文的最大不足之處，還需繼續深入研究。

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