玻璃鋼管道在介質中的適應性評價方法研究

李宏斌

大慶油田有限責任公司

玻璃纖維增強熱固性塑料材質（以下簡稱玻璃鋼）具有耐腐蝕、質量輕、防結垢、防結臘、綜合成本低、使用壽命長等優點，已部分取代金屬材質，有效緩解了石油行業的腐蝕問題[1-4]。以中國石油玻璃鋼管道應用情況為例，據不完全統計，截至2018 年底，地面系統已建成玻璃鋼管道2.28 萬公里，年均建設增幅達到13.3%，占全部非金屬管道的61.3%，而同期受低油價影響導致地面工程建設及老油田工藝優化管道用量減少，油氣管道（金屬和非金屬）總量僅增加了1.4%。由此可見，使用玻璃鋼管道已成為解決油氣輸送中管道腐蝕問題的重要手段。

但是，由于玻璃鋼材料品種的多樣性、結構的復雜性以及失效模式的差異性，國際上至今仍無具備統一判據玻璃鋼材質耐化學腐蝕綜合性能的評價標準[5]，面對新的使用環境，無法對其適用性進行快速評價和合理選材，導致玻璃管道在實際應用過程中出現了由于介質的變化而造成的產品滲漏、破損、穿孔及斷裂等事故[6-7]。比較典型的是在三元復合驅地面系統中應用的酸酐固化玻璃鋼管道，由于頻繁發生滲漏和斷裂等失效事故而導致大面積更換，造成了較大的經濟損失。

本文針對大慶油田三元復合驅油技術推廣過程中地面采出系統玻璃鋼管道遇到的應用問題，從工程應用的需要出發，參考相關標準，提出了一套玻璃鋼管道在介質中的適應性評價方法和判定指標體系，為玻璃鋼管道在三元復合驅地面采出系統的現場應用提供了技術支持，對規范玻璃鋼管道在石油行業地面工程的應用，避免因對介質的不適應而導致玻璃鋼管道的失效，以及提高管道的安全運行壽命有重要意義。

1 玻璃鋼管道質量評價

試驗選用DN50/PN55 的酸酐固化玻璃鋼管道，試驗介質為清水，產品質量評價內容主要為力學及熱性能，靜液壓性能，評價指標主要依據標準SY/T6770.1《非金屬管材質量驗收規范》[8]和GB/T 29165.1《石油天然氣工業玻璃纖維增強塑料管》[9]。

1.1 力學及熱性能評價試驗

參照SY/T6770.1 標準要求，選擇樹脂含量、Tg 值、靜水壓及短時水壓失效壓力等基礎性能作為玻璃鋼管道性能評價指標。試驗結果見表1。

由表1可見，試驗用玻璃鋼管道基礎性能滿足標準要求。

表1 玻璃鋼管道基礎性能測試Tab.1 Basic performance test of FRP pipe

1.2 靜液壓試驗

參照GB/T 29165.1 標準要求，試驗介質為65 ℃清水，試驗壓力13.2 MPa，試驗樣品為三組平行試樣，開展1 000 h靜水壓試驗。結果見表2。

表2 1 000 h靜水壓試驗Tab.2 Hydrostatic test for 1 000 hours

依據上述基礎性能測試和1 000 h 壽命試驗短期靜水壓試驗數據，分析認為玻璃鋼管樣的產品質量能夠滿足項目試驗要求。

2 介質適用性評價

2.1 試驗條件

2.1.1 試驗介質

在三元復合驅系統中，早期的采出液中三元液濃度含量較低，隨著油田開發時間的推進，采出液中三元液的濃度不斷上升，最終將會達到一個峰值。而前期的研究結果表明，在三元介質中，堿是造成玻璃鋼腐蝕的主要因素。因此，試驗介質是根據三元復合驅預期上返三元液的最大采表濃度為試驗介質的上限濃度，再以上限濃度的三元液中堿含量的上限為最高線，通過內插法，配制不同堿濃度的采出介質。評價用三元采出介質主要組成見表3。

表3 三元采出介質主要組成Tab.3 Main composition of ASP produced medium mg/L

2.1.2 試驗溫度

玻璃鋼管道的長期靜水壓曲線是應力和時間的雙對數曲線，此曲線是玻璃鋼管道在65 ℃清水中，以20 年為設計壽命建立起來的模型，因此，試驗溫度選擇65 ℃。

2.1.3 長期靜水壓試驗壓力

利用玻璃鋼管道的長期靜水壓模型，計算出各試驗周期所對應的壓力為試驗壓力（圖1），計算公式：

圖1 試驗壓力計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of test pressure calculation

由此可得出

式中：pT=1000～10000h為長期靜水壓曲線上T=1 000 h時所對應的壓力值，MPa；pLCL為95%置信下限的壓力；D為管道外徑，mm；tr為增強層最小厚度，mm；p公稱為管道的公稱壓力，MPa。

通過公式計算出不同靜水壓試驗周期對應的試驗壓力（表4）。

表4 各試驗周期對應的試驗壓力Tab.4 Test pressure corresponding to each test period

由表4可見，試驗周期越長，對應的試驗壓力越小，1 000 h 靜水壓試驗的壓力為13.2 MPa。目前，通用的試驗方法常采用1 000 h 靜水壓試驗作為判別標準，因此將此參數作為評價試驗的試驗參數。

2.2 適應性判定指標

以玻璃鋼出廠產品質量檢驗方法為試驗方法和評價指標，采用表3所列出的介質種類替代清水作為試驗介質進行評價試驗，試驗管道失效時間≥1 000 h，則判定管道適應該濃度的三元液，失效時間≤1 000 h則不適應。

2.3 評價方法及結果

遵循ISO14692.2《石油及天然氣工業玻璃鋼（GRP）管道第二部分：質量鑒定及生產》[10]中規定的試驗方法，進行評價試驗，試驗樣品為4組平行樣品，試驗結果見表5、表6。

表5 強堿三元復合驅采出介質1 000 h靜水壓試驗結果Tab.5 Hydrostatic test results of medium produced by strong alkali ASP flooding for 1 000 hours

表6 弱堿三元復合驅采出介質1 000 h靜水壓試驗結果Tab.6 Hydrostatic test results of medium produced by weak base ASP flooding for 1 000 hours

由表5可見：

（1）玻璃鋼管道在NaOH 質量濃度850 mg/L 和425 mg/L 的三元介質中，均未通過1 000 h 模擬試驗，而在NaOH質量濃度230 mg/L的三元介質中仍然有3根試樣未通過1 000 h試驗，說明玻璃鋼管不適應在堿質量濃度＞230 mg/L、表面活性劑質量濃度130 mg/L、聚合物質量濃度為1 050 mg/L 的三元介質中應用。

（2）在堿質量濃度213 mg/L和160 mg/L的三元液中全部通過1 000 h 試驗，說明酸酐固玻璃鋼管道適用于在堿質量濃度≤213 mg/L、表面活性劑130 mg/L、聚合物為1 050 mg/L的三元介質中應用。

由表6可見：玻璃鋼管道適用于在Na2CO3質量濃度≤750 mg/L 三元介質中應用；不適用于在Na2CO3質量濃度≥875 mg/L的三元介質中應用。

2.4 介質對玻璃鋼性能的影響試驗

2.4.1 介質對玻璃鋼基礎性能的影響試驗

通過對玻璃鋼管道在清水和堿質量濃度為850 mg/L、425 mg/L、213 mg/L，表活劑為130 mg/L、聚合物質量濃度為1 050 mg/L三元介質中進行腐蝕模擬試驗前后性能變化數據可以看出，玻璃化轉變溫度、樹脂含量、巴氏硬度、彎曲強度及環向拉伸強度的變化影響玻璃鋼管道的耐腐蝕性能。

從表7中的試驗數據可以看出，隨著三元介質中堿含量的增加，玻璃鋼管道各性能均出現不同程度的變化，且在堿質量濃度230 mg/L處變化比較明顯，樹脂含量在堿質量濃度213 mg/L開始下降，巴氏硬度開始下降，進一步說明上述確定的適應三元介質的臨界濃度合理。

表7 模擬試驗前后玻璃鋼管道性能測試數據Tab.7 Performance test data of FRP pipe before and after simulation test

2.4.2 介質對玻璃鋼基礎性能影響的微觀分析

對試驗前后管樣進行電鏡掃描，可以看出玻璃鋼管道存在大量的游離酸性物質和大量酯鍵(—R‘—COO—R—)，當含堿濃度達到時213 mg/L時，開始與三元介質中的堿發生酸堿中和反應及水解反應，使部分樹脂溶蝕，至使內表面巴氏硬度上升（圖2）。

圖2 玻璃鋼管道內表面微觀形貌（200倍下掃描電鏡）Fig.2 Internal surface microtopography of FRP pipe(SEM at 200 times)

在堿質量濃度為230 mg/L的三元介質中，樹脂已開始溶蝕，在堿質量濃度為850 mg/L 三元介質中，樹脂已發生大量溶蝕。由此，進一步確定適應三元介質的臨界濃度為堿質量濃度213～230 mg/L區間，表活劑質量濃度為130 mg/L，聚合物質量濃度為1 050 mg/L。

3 結論及建議

確定玻璃鋼管道對三元介質適應性評價方法為：以管道最高使用溫度在實際應用的三元介質中的1 000 h 為試驗周期，以壓降突變為判別指標，判定玻璃鋼管道對三元介質的適用性。

建議對上述過程進行總結，描述在生產應用過程中開展玻璃鋼管道在介質中的適應性評價方法的實施步驟。