某油田單井油氣集輸柔性復合管泄漏原因

宋成立, 郭繼銀, 朱文文, 成少兵, 張炳余

(1.中國石油集團 工程材料研究院有限公司 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；2.中國石油集團 工程技術研究有限公司, 塘沽 300451；3.中國石油天然氣股份有限公司 塔里木油田分公司, 庫爾勒 841000; 4.中國石油遼河油田公司， 盤錦 124010)

目前，我國大部分油田已進入中后期開采階段，綜合含水量升高，管線服役年限增加。二次采油與三次采油的結合技術引入了新的腐蝕介質，如CO2，O2和硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing bacteria,SRB)等，這加劇了碳鋼油氣集輸管道的失效，造成石油和天然氣損失和生態環境污染[1-3]。柔性復合管質量輕、撓性好、易于運輸及安裝，且具有優異的耐腐蝕性能等特點，采用該類非金屬管替換原有管道已成為解決油氣集輸管道腐蝕問題的重要方案之一[4-5]。但隨著柔性復合管應用范圍的進一步擴大，出現了部分失效事故，尤其在高溫、高壓、地形起伏較大的環境中，柔性復合管更容易發生失效。目前，國內外關于柔性復合管失效分析案例鮮有報道[6]。

西部某油田單井集輸柔性復合管(埋地)服役21個月后發生泄漏，其宏觀形貌見圖1。依據SY/T 6662.2-2012《石油天然氣工業用非金屬復合管 第2部分：柔性復合高壓輸送管》標準，泄漏柔性復合管道規格為DN80，設計壓力為4 MPa，運行壓力為2.9 MPa，設計溫度為94 ℃，管道泄漏位置在6點鐘方向。

圖1 泄漏柔性復合管的宏觀形貌

為查明管道泄漏的原因，筆者對其進行了一系列檢驗和分析，并提出了改進建議，以期避免此類事故的再次發生，并為柔性復合管的研發、安全服役、標準修訂等提供參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該泄漏柔性復合管為典型的三層結構，即外護套、增強層和內襯層，宏觀觀察發現三層結構均發生了撕裂。由圖2可見：外護套撕裂口沿縱向擴展，長度約為350 mm，其環向發生較大的塑性變形，整體呈互相“嚙合”的形貌；增強層由兩層纖維層纏繞而成，顏色發黑，且觸感較硬；內襯層撕裂口沿縱向擴展，長度約為250 mm，其環向也發生了較大的塑性變形，側面呈黑褐色，管道頂部區域顏色偏黃。

圖2 不同卷取溫度條件下冷軋DC01鋼板的錐杯試驗結果

圖2 泄漏柔性復合管外護套、增強層和內襯層的宏觀形貌

1.2 幾何尺寸測量

采用游標卡尺(精度為0.02 mm)對該泄漏柔性復合管內襯層的壁厚和內徑進行測量。圖3是內襯層撕裂口處壁厚的測量位置，測量結果見表1。可知內襯層撕裂口中部f位置處壁厚最小(1.22 mm)，壁厚沿該位置向兩端逐漸增大。

表1 泄漏柔性復合管內襯層撕裂口處壁厚的測量結果

圖3 泄漏柔性復合管內襯層撕裂口處壁厚的測量位置示意

撕裂口位置為6點鐘方向，對圖3所示內襯層兩端的壁厚及內徑進行測量，結果見表2。可知管樣底部的壁厚小于頂部的，底部最小壁厚達到5.90 mm，頂部最大壁厚達到7.36 mm；內襯層兩端3～9點和6～12點方向的內徑范圍在82.84～83.40 mm。

表2 泄漏柔性復合管內襯層兩端壁厚及內徑的測量結果

1.3 紅外光譜分析

從泄漏柔性復合管內襯層和增強層取樣，利用傅里葉變換紅外光譜儀對其進行傅里葉紅外光譜(FTIR)分析，結果如圖4所示。可見泄漏柔性復合管內襯層紅外光譜與聚乙烯(PE)紅外標準譜的相似度為97.01%，這表明該泄漏管樣的內襯層為PE，未見其他異常；增強層的紅外光譜與滌綸紅外標準譜的相似度為94.86%，這表明該泄漏管樣的增強層為滌綸纖維，未見其他異常。

圖4 泄漏柔性復合管內襯層和增強層的傅里葉紅外光譜

1.4 維卡軟化溫度檢測

分別從泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部取樣，依據GB/T 1633-2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度(VST)的測定》標準中的B50法(50 N，50 ℃/h)，采用RV-300FW維卡軟化點溫度檢測儀進行維卡軟化溫度檢測，分別設置3個平行試樣，取其平均值，起始溫度為室溫。結果顯示該泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部的維卡軟化溫度分別為58.64 ℃和61.89 ℃。

1.5 硬度測試

分別從泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部取樣，依據GB/T 2411-2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》標準，采用TIME5410型邵氏D型硬度計對其內、外壁進行硬度測試，分別設置3個平行試樣，取其平均值。由表3可見，該泄漏柔性復合管內襯層外壁的硬度大于內壁，且內襯層底部內壁的硬度最小。

表3 泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部的硬度測試結果

1.6 拉伸性能測試

分別從泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部取樣，依據GB/T 8804.3-2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第3部分：聚烯烴管材》標準，采用CMT-4104型電子萬能試驗機對試樣進行拉伸性能測試，分別設置3個平行試樣，取其平均值。由表4可知，該泄漏柔性復合管內襯層底部的抗拉強度小于頂部。

表4 泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部的拉伸性能測試結果

1.7 密度測試

分別從泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部取樣，依據GB/T 1033.1-2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》標準，采用液體比重瓶法測試內襯層的密度，試驗設備為ET-120SL型電子密度計。由表5可見，該泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部的平均密度均滿足SY/T 6662.2-2012《石油天然氣工業用非金屬復合管 第2部分:柔性復合高壓輸送管》對PE的技術要求。

表5 泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部的密度

1.8 縱向回縮率測試

從泄漏柔性復合管內襯層取樣，依據GB/T 6671-2001《熱塑性塑料管材縱向回縮率的測定》標準，采用BINDER-M240型恒溫箱，將試樣在(120±2) ℃下保溫60 min，設置3個平行試樣，取其平均值。由表6可見，該泄漏柔性復合管內襯層的縱向回縮率滿足SY/T 6662.2-2012《石油天然氣工業用非金屬復合管 第2部分：柔性復合高壓輸送管》標準對PE的技術要求。

表6 泄漏柔性復合管內襯層的縱向回縮率

2 分析與討論

通過以上試驗結果可知，該泄漏柔性復合管內襯層為PE，增強層為滌綸纖維，內襯層的密度、縱向回縮率檢測結果均符合SY/T 6662.2-2012對PE的技術要求。泄漏柔性復合管內襯層底部和頂部的維卡軟化溫度分別為58.64 ℃和61.89 ℃，抗拉強度分別為14.82 MPa和15.27 MPa，底部內、外壁的硬度分別為37.5 HD和53.7 HD，頂部內、外壁的硬度分別為41.6 HD和55.1 HD，現有標準未對該材料的維卡軟化溫度、抗拉強度和硬度做出規定，從檢測結果可以得出內襯層內壁的強度較外壁出現了明顯下降，內襯層底部的強度較頂部出現了顯著下降，隨著服役時間的延長或壓力的波動，內襯層底部將首先發生承壓不足導致的開裂。

內襯層實際服役環境的溫度大于設計溫度及其維卡軟化溫度，處于超溫運行狀態。維卡軟化溫度是評價材料耐熱性能、反映制品在受熱條件下物理力學性能的指標之一，維卡軟化溫度越低，表明材料受熱時的尺寸穩定性越差，熱變形越大，長期高溫環境會使PE材料剛度減小，彈性模量減小[7]。同時，內襯層外壁至內壁顏色越來越深，其底部內壁顏色接近黑色，這表明油氣介質在長期輸送中已大范圍擴散至內襯層內部，發生了顯著的溶脹，導致其力學性能下降[8-9]。內襯層硬度檢測結果表明：內襯層內壁與油氣介質直接接觸，其硬度比外壁的要小：內襯層底部內壁顏色更深，其硬度小于頂部內壁的硬度。通過拉伸性能測試結果發現內襯層底部的抗拉強度低于頂部的，表明內襯層強度已產生局部下降。同時，該泄漏柔性復合管底部壁厚比頂部小約1.3 mm，進一步表明管道底部屬于承壓的薄弱環節。

滌綸纖維(增強層)在高溫環境中會發生分子熱運動，使其趨于無序性并發生結晶，隨著分子無序性的增加，長期高溫環境會使其抗拉強度明顯下降。齊國權等[10]研究發現，隨著溫度的升高，滌綸纖維可承受的最大載荷呈直線下降趨勢，見圖5。該泄漏柔性復合管增強層顏色為黑褐色，觸感堅硬，而滌綸纖維通常為白色，且觸感柔軟，這表明油氣介質已滲入增強層，削弱了滌綸纖維大分子間的作用力，使分子間距加大，孔隙增大，導致滌綸纖維的抗拉強度下降[11]。對柔性復合管斷口處增強層用手輕輕彎折時，增強層即發生部分斷裂，表明增強層承壓能力已產生下降。

圖5 溫度對滌綸纖維斷后伸長率和最大承受載荷的影響曲線

綜上所述，該柔性復合管的運行溫度遠高于內襯層的維卡軟化溫度，油氣介質已滲入內襯層和增強層，導致管道的承壓能力顯著下降，管道底部壁厚最薄處首先發生開裂，在內壓作用下，管道逐層發生塑性變形，導致管道撕裂，從而發生泄漏。

3 結論及建議

(1) 該柔性復合管的運行溫度遠高于設計溫度和內襯層的維卡軟化溫度，在長期運行過程中，油氣介質滲入內襯層和增強層內部，導致管道的承壓能力顯著下降，管道底部壁厚最薄處首先發生開裂，在內壓作用下，管道逐層發生塑性變形，導致管道撕裂，從而發生泄漏。

(2) 建議降低該柔性復合管的運行溫度，或更換耐溫性能更好的柔性復合管，如聚四氟乙烯內襯層+芳綸纖維增強層的柔性復合管。