玻璃鋼集油管道泄漏原因

陳慶國, 李 磊, 燕自峰, 齊國權, 王 鵬, 朱麗霞

(1.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院, 庫爾勒 841000；2.中國石油集團石油管工程技術研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室, 西安 710077)

隨著國內油田勘探開發(fā)的不斷深入，采出液含水率不斷提高，而且普遍含CO2和H2S等成分，腐蝕性強，碳鋼集輸管道腐蝕失效事件頻發(fā)，尤其是單井出油管道，受限于可采取的防腐措施較少，使得其腐蝕問題更為突出[1]。近年來，玻璃鋼管因具有優(yōu)良的耐腐蝕性，被廣泛用于高腐蝕性油田集輸管道，極大地降低了管道的腐蝕失效率[2-4]。

玻璃鋼管又稱玻璃纖維增強塑料管，是以玻璃纖維及其制品作為增強材料，以合成樹脂作為基體材料的一種復合材料[5-6]。根據所用固化劑的不同，玻璃鋼管分為酸酐固化玻璃鋼管和芳胺固化玻璃鋼管。玻璃鋼管的連接形式包括螺紋連接、承插連接、鎖鍵連接和法蘭連接，其中螺紋連接和承插連接較為常見[7]。與其他非金屬管相比，玻璃鋼管的耐高溫性能更好且價格更低，但其接頭的連接性能和抗沖擊性能較差[8]，因此易發(fā)生滲漏事故。隨著質量體系、生產制造工藝及施工方案的進一步完善，玻璃鋼管必將在油田建設工程中發(fā)揮更大的作用[9]。

某油田出油管線材料為酸酐固化玻璃鋼，管道規(guī)格為φ89 mm×4.5 mm，設計壓力5.5 MPa，運行壓力1.78～2.0 MPa，設計溫度65 ℃，運行溫度25～27 ℃，輸送介質為油氣水混合液。該管線投運時間為2017年11月，2018年5月11日該出油管線發(fā)生泄漏失效，失效位置距離單井約50 m，在泄漏點3 m外有農戶自修土路，管道從土路下方穿越而過。將失效管段挖出并對其取樣，如圖1所示。筆者對失效管段進行了一系列檢驗和分析，并結合施工方法、服役環(huán)境及運行維護情況，綜合分析了管道的泄漏失效原因，以期類似事故不再發(fā)生。

圖1 失效現場及取樣管段宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of a) failure site and b) sampling pipe section

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖2為現場截取的失效管段的泄漏接頭的宏觀形貌。該接頭采用螺紋連接，外表面無明顯損傷，失效部位在公母接頭連接處，公接頭橫向斷裂。由圖2可見，外螺紋未從管體滑脫，螺紋黏接良好，裂紋起源于公接頭螺紋根部的6點鐘方向(管道底部)，沿著玻璃纖維纏繞的方向擴展，斷面與軸向夾角約45°；母接頭未見明顯損傷，螺紋連接緊密。

圖2 失效管段宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the failed pipe section: a) leakage joint; b) fracture

1.2 尺寸測量

采用游標卡尺對失效管段進行外徑和壁厚測量，每個截面測量3次外徑(測量位置間隔120°)，測量位置示意圖如圖3所示，外徑測量結果見表1。對母接頭等間距測量4個點壁厚，測量結果見表2。由表1和表2可知，接頭外徑和壁厚未見異常。

表1 失效管段外徑測量結果Tab.1 Measurement results of outer diameter of the failed pipe section mm

表2 母接頭壁厚測量結果Tab.2 Measurement results of wall thickness of the female joint mm

圖3 失效管段尺寸測量截面示意圖Fig.3 Cross section diagram of dimension measurement of the failed pipe section

1.3 玻璃化轉變溫度測試

從失效管段表面銼取粉末狀試樣，利用TA Q200型示差掃描量熱計(DSC)，測試所取粉末試樣的玻璃化轉變溫度Tg，測試升溫速率為20 ℃·min-1，掃描溫度范圍為室溫至200 ℃，測試結果見表3。由表3可知，該失效管段的玻璃化轉變溫度符合SY/T 6770.1-2010《非金屬管材質量驗收規(guī)范 第1部分：高壓玻璃纖維管線管》對酸酐固化環(huán)氧樹脂的要求。

表3 玻璃化轉變溫度測試結果Tab.3 Test results of glass transition temperature ℃

1.4 樹脂含量測試

從失效管段未加厚處取3個塊狀平行試樣，依據GB/T 2577-2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》，利用LE4/11/R6型馬弗爐和BT224S型分析天平，測試所取塊狀試樣的樹脂含量，測試結果見表4。由表4可知，該失效管段結構層的樹脂含量符合SY /T 6770.1-2010的要求。

表4 樹脂含量測試結果(質量分數)Tab.4 Test results of resin content (mass fraction) %

1.5 微觀分析

在斷口的6點鐘方向(起裂源)分別取橫、縱截面分析試樣，標記為1號試樣(縱截面)和2號試樣(橫截面)；同時在斷口的12點鐘方向分別取橫、縱截面分析試樣，標記為3號試樣(縱截面)和4號試樣(橫截面)。圖4和圖5分別為1號試樣縱截面和2號試樣橫截面的掃描電鏡(SEM)形貌。1號試樣為公接頭管體段縱截面試樣，其上未見裂紋，僅在高倍下可見纖維拔斷后留下的空洞，如圖4所示。2號試樣為靠近螺紋根部的管體橫截面樣品，可見大量環(huán)向裂紋，其間還分布少量軸向裂紋，如圖5所示，由此構成完整的泄漏通道，同時可以發(fā)現在纖維纏繞方向更替的過渡位置有顯著的分層現象。圖6和圖7分別為3號試樣縱截面和4號試樣橫截面的掃描電鏡形貌。由圖6可見3號試樣上存在大量環(huán)向裂紋，且樹脂層較玻璃纖維層裂紋張開更大，內部纖維分散不均，局部存在大量的富樹脂區(qū)。由圖7可知，4號試樣上沒有裂紋存在，僅在高倍下可見纖維拔斷后留下的空洞。

圖4 1號試樣縱截面微觀形貌Fig.4 Micro morphology of longitudinal section of sample 1:a) at low magnification; b) at high magnification

圖5 2號試樣橫截面上裂紋微觀形貌Fig.5 Micro morphology of the cracks on the cross section of sample 2:a) at low magnification; b) at high magnification

圖6 3號試樣縱截面微觀形貌Fig.6 Micro morphology of longitudinal section of sample 3:a) at low magnification; b) at high magnification

圖7 4號試樣橫截面微觀形貌Fig.7 Micro morphology of cross section of sample 4:a) at low magnification; b) at high magnification

2 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知，失效管道的公接頭外螺紋根部發(fā)生橫向斷裂，母接頭未見明顯損傷，公母接頭外徑和壁厚未見異常；其玻璃化轉變溫度和結構層的樹脂含量均符合SY/T 6770.1-2010的要求，玻璃鋼管的材料無異常。

從斷口宏觀分析可以看出，裂紋起源于外螺紋根部的6點鐘方向(管道底部)，由外壁向內壁擴展，同時沿著玻璃纖維纏繞的方向環(huán)向擴展，最終斷裂于公接頭的12點鐘方向(管道頂部)；進一步對斷口附近的裂紋分布情況進行微觀分析發(fā)現，在裂紋源區(qū)附近存在大量環(huán)向裂紋和分層，且分層位于纖維纏繞方向更替的過渡位置，未見明顯的軸向裂紋產生。此外，在最終斷裂處，也存在大量環(huán)向裂紋，未見明顯分層。由以上斷口的宏、微觀分析可以推斷，玻璃鋼管接頭的斷裂、產生的環(huán)向裂紋及分層應是受到較大的彎曲應力或彎曲應力為主導的復合載荷所致。同時，其底部為裂紋源且裂紋擴展更為明顯，說明管道底部受到的應力更大。

從管道受力分析可知，該玻璃鋼管道輸送介質為油氣水混合物，設計壓力5.5 MPa，運行壓力1.78～2.0 MPa，設計溫度65 ℃，運行溫度25～27 ℃，運行工況滿足設計指標。由此內壓導致管道承受的環(huán)向應力大，軸向應力較小，而橫向裂紋主要受軸向應力作用產生。因此，在玻璃鋼管無質量缺陷的情況下，內壓不足以引起管道橫向開裂，而前述試驗表明管材質量無異常，所以內壓不是管道產生橫向裂紋的原因。此外，管道還受到外力作用。失效現場調研可知，在接頭失效處為農田，距其3 m的位置為農戶自修土路。由于農田土壤比較疏松有下沉的風險，而土路的土壤比較密實不易下沉，因此可能在土壤下沉處使管道受到附加彎曲應力。在此應力作用下，因玻璃鋼管接頭外螺紋根部為應力集中處，應力集中十分嚴重，是最危險的部位[10]，所以此處最易產生裂紋，并沿強度最小的富樹脂區(qū)擴展直至斷裂，即纖維纏繞方向更替的過渡位置。

3 結論及建議

在彎曲應力或彎曲應力為主導的復合載荷作用下，管道接頭應力集中處即外螺紋根部位置，所受應力超過材料能承受的極限應力而發(fā)生橫向斷裂，此應力主要來源于地層沉降和其他外力。

建議在有地層沉降或道路穿越的區(qū)域，對該類玻璃鋼管線采取增加保護套管等措施，以避免管線受到較大外力作用而發(fā)生失效。