柔性復合管在油田服役后的性能

李廣山,陳慶國,夏曉暉,燕自峰,寧長春

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司,西安 710077;2.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)

隨著油氣田開發中后期出水量的增加,腐蝕環境越來越惡劣,迫切需要用耐腐蝕、耐熱、耐壓的非金屬管材解決地面集輸系統的腐蝕問題,其中柔性復合管是一種在油田應用廣泛的非金屬管材[1]。截至2022年12月,塔里木油田中應用的柔性復合管已達1 611 km,且呈逐年遞增趨勢。為探究柔性復合管在油氣集輸環境中的應用效果,對該油氣田在役的2條柔性復合管取樣并進行分析,以確定不同服役環境對柔性復合管性能的影響程度,分析結果可為后續柔性復合管的正確使用起到一定的指導作用[2]。依據SY/T 6662.2—2020《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》要求,對2條柔性復合管進行結構解剖,采用宏觀觀察、微觀分析、水壓爆破試驗、氣密封性能測試、結構組成分析、熱分析、紅外光譜分析、力學性能測試等方法對2條柔性復合管進行分析,以確定2條柔性復合管在不同工況下的適用性[3]。

1 試樣選取

取油、氣、水混合集輸管線樣和單井氣舉管試樣,分別編號為1號和2號,1號、2號試樣的工況條件如表1所示,宏觀形貌分別如圖1,2所示。

圖1 1號試樣的宏觀形貌

圖2 2號試樣的宏觀形貌

表1 1號、2號試樣的工況條件

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀觀察

對1號試樣管體進行解剖并觀察其宏觀形貌,結果如圖3所示。由圖3可知:外保護層噴碼顯示設計溫度為60 ℃,在內襯管外部纏繞有2層深黃色的纖維繩作為增強結構層;整體來看,該柔性復合管服役后外保護層、增強層及內襯層結構保持完整,未見開裂、鼓包等缺陷,但內襯管因溶脹作用變為深黃色。

圖3 1號試樣解剖后宏觀形貌

對2號試樣管體進行解剖并觀察其宏觀形貌,結果如圖4所示。由圖4可知:2號試樣外保護層完整,增強層為非黏接型交叉纏繞的4層纖維干紗,各層纖維纏繞方向一致、排列整齊,未出現斷裂、錯排等現象;內襯管整體光滑平整,未見明顯的開裂、鼓包、起泡等缺陷,但內襯管顏色變為淺黃色。

圖4 2號試樣解剖后宏觀形貌

2.2 微觀分析

分別將1號、2號試樣內襯層剖開后再進行微觀分析,其內襯層橫截面的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知:兩試樣的外表面整體光滑平整,內表面底部有油污附著,且內表面顏色較外表面更深,原因是油氣介質存在滲透和溶脹作用[4]。

圖5 1號、2號試樣內襯層橫截面微觀形貌

1號、2號試樣增強層纖維的微觀形貌如圖6所示,可見兩試樣纖維束結構均保持完整,未見纖維斷裂、纏結等現象。

圖6 1號、2號試樣增強層纖維的微觀形貌

2.3 水壓爆破試驗

對1號、2號試樣進行水壓爆破試驗,結果如表2所示,試驗后兩試樣的宏觀形貌如圖7所示。由表2及圖7可知:兩試樣水壓爆破的失效形式均為管體爆破,扣壓接頭完好。但1號試樣爆破壓力不滿足SY/T 6662.2—2020的要求(≥11.4 MPa)。

圖7 1號、2號試樣水壓爆破試驗后的宏觀形貌

表2 1號、2號試樣水壓爆破試驗結果

2.4 氣密封性能測試

圖8,9分別是1號、2號試樣接頭氣密封性能測試結果,1號、2號試樣接頭在氣密封試驗過程中均無破裂、滲漏等問題,1號、2號試樣的壓降小于試驗壓力的5%,滿足SY/T 6662.2—2020中對柔性復合管氣密封性能的要求。

圖8 1號試樣氣密封性能測試結果

圖9 2號試樣氣密封性能測試結果

圖10,11分別是1號和2號試樣短時循環壓力試驗結果,1號試樣在試驗壓力為0～6.0 MPa的條件下,經7 000次短時循環壓力試驗后,未發生破裂、泄漏現象;2號試樣在試驗壓力為2.4～24.0 MPa的條件下,經7 000次短時循環壓力試驗后,未發生破裂、泄漏現象,兩試樣的試驗結果均滿足SY/T 6662.2—2020的要求。

圖10 1號試樣短時循環壓力試驗結果

圖11 2號試樣短時循環壓力試驗結果

2.5 結構組成分析

1號、2號試樣內襯層的密度和交聯度測試結果分別如表3,4所示。由表3,4可知:1號、2號試樣內襯層密度均滿足GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分:管材》的要求(≥0.930 g/cm3);1號試樣內襯層為交聯聚乙烯,2號試樣內襯層為普通聚乙烯。

表3 1號、2號試樣內襯層密度測試結果

表4 1號、2號試樣內襯層交聯度測試結果 %

2.6 熱分析

表5是1號、2號試樣內襯層維卡軟化溫度測試結果,表6是1號、2號試樣內襯層差示掃描量熱(DSC)測試結果。由表5,6可知:1號、2號試樣內襯層的平均維卡軟化溫度分別為76.26 ℃和68.86 ℃;1號試樣外表面的熔點、熔融焓、結晶度均低于內表面,而氧化誘導溫度高于內表面;2號試樣外表面的熔融焓和結晶度均低于內表面,而熔點和氧化誘導溫度均高于內表面。表明油氣介質的滲透作用會降低內襯材料的抗氧化分解能力。

表5 1號、2號試樣內襯層維卡軟化溫度測試結果 ℃

表6 1號、2號試樣內襯層DSC測試結果

圖12是1號、2號試樣內襯層熱失重曲線,可見1號、2號試樣內表面和外表面的熱失重變化曲線相差不大。

圖12 1號、2號試樣內襯層熱失重曲線

1號、2號試樣增強層的熱分解溫度分別為580 ℃和440 ℃,表明芳綸纖維的耐溫性能高于滌綸纖維。

2.7 紅外光譜分析

1號、2號試樣內襯層材料的紅外譜圖如圖13所示。由圖13可知:兩試樣紅外譜圖中聚乙烯的特征吸收峰(2 915,2 843,2 852 cm-1)明顯,除聚乙烯特征峰外,還在718～1 459 cm-1處出現了C—C骨架彎曲振動吸收峰,而醚類中C—O—C不對稱伸縮振動吸收峰(1 262 cm-1)和環氧乙烷基團中C—O—C伸縮振動吸收峰(807 cm-1)也在這一范圍內,但峰強較弱,說明醚類和環氧乙烷的含量較少,判斷其來源于滲透的油介質[5]。

圖13 1號、2號試樣內襯層材料的紅外譜圖

1號、2號試樣增強層纖維的紅外譜圖如圖14所示。由圖14可知:1號試樣譜圖中3 310 cm-1處為-NH伸縮振動吸收峰,1 635 cm-1和1 537 cm-1處為—CO—NH—彎曲振動吸收峰,證明增強層芳綸纖維服役后的化學成分未發生明顯變化;2號試樣譜圖中1 713 cm-1處為羰基伸縮振動峰,1 239 cm-1和1 093 cm-1處為羧基中的羰基伸縮振動峰,2 800～3 000 cm-1處為—CH2—振動峰,730 cm-1處為面外彎曲振動吸收峰,873 cm-1處為芳環上兩個相鄰的C—H變形振動峰,證明增強層滌綸纖維服役后的化學成分未發生明顯變化。

圖14 1號、2號試樣增強層纖維的紅外譜圖

2.8 力學性能測試

1號、2號試樣內襯層的拉伸試驗結果如表7所示。由表7可知:1號、2號試樣斷后伸長率均滿足GB/T 15558.1—2015的要求(≥350%),但根據SY/T-7415—2018《油氣集輸管道內襯用聚烯烴管》,高密度聚乙烯的屈服強度應不小于20 MPa,因此1號、2號試樣服役后內襯層的屈服強度均下降。

表7 1號、2號試樣內襯層的拉伸試驗結果

1號、2號試樣內襯層的硬度測試結果如表8所示。由表8可知:1號、2號試樣內襯層的平均硬度分別為59.0,56.0 HD。

表8 1號、2號試樣內襯層硬度測試結果 HD

1號、2號試樣增強層纖維的力學性能測試結果如表9所示。由表9可知:1號試樣的拉伸力小于2號試樣,因為滲入內襯層和增強層之間的油氣介質長期與增強纖維接觸,發生了滲透和溶脹作用,導致增強纖維的力學性能降低。

表9 1號、2號試樣增強層纖維的力學性能測試結果

3 綜合分析

兩條柔性復合管的各結構層在服役后均保持完整,未發現明顯缺陷。油氣介質的滲透和溶脹作用導致兩條管道內襯層和增強層纖維在服役后顏色變深。兩試樣水壓爆破的失效形式均為管體爆破,但1號試樣的爆破壓力不滿足標準要求。經氣密封試驗和短時循環壓力試驗后,兩條管道的管體及接頭無破裂、滲漏等問題,均滿足SY/T 6662.2—2020要求。兩試樣內襯層的密度均滿足標準要求,平均硬度分別為59.0,56.0 HD,結構組成分別為交聯聚乙烯和普通聚乙烯,平均維卡軟化溫度分別為76.26,68.86 ℃。1號試樣外表面的熔點、熔融焓、結晶度等均低于內表面,2號試樣外表面的熔融焓和結晶度均低于內表面,1號、2號試樣內表面和外表面熱失重的變化情況均相似。

綜合上述分析可知,在高溫環境下,1號柔性復合管性能明顯下降,特別是其水壓爆破壓力低于標準要求,因此應對運行的1號柔性復合管進行監控,嚴格控制運行溫度,必要時需對其進行降溫[6]。2號柔性復合管的管線按目前工況可穩定運行。應要求制造廠家注意質量把控,成品管材到貨后需要對其進行抽檢,嚴格執行標準或規范要求對其進行現場安裝,保證其應用工況與設計相符合。

4 結論及建議

1號柔性復合管內襯層為交聯聚乙烯,增強纖維為芳綸纖維,建議使用溫度低于80 ℃;2號柔性復合管內襯層為普通聚乙烯,增強纖維為滌綸纖維,建議使用溫度低于65 ℃。

建議高度關注1號柔性復合管,后續應對其進行降溫運行;在油、氣、水輸送系統中,要注意對柔性復合管進行質量把控、到貨抽檢、規范安裝和按設計運行等。