油氣集輸玻璃鋼管道力學性能實驗研究

張秉乾，張正棠

油氣集輸玻璃鋼管道力學性能實驗研究

張秉乾，張正棠

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

油氣集輸用玻璃鋼管道在地下使用過程中經常發生螺紋連接接頭滲漏、脫扣、管體表面機械劃傷、管壁磨損、內外部裂紋、老化分層、夾渣、孔隙、脆斷開裂等失效事故。為了找出玻璃鋼管道運行中可能存在的失效原因，采用差式掃描量熱儀、水壓試驗機、材料試驗機等試驗設備，分別在現場截取了2009年投用的DN50、DN65、DN100、DN150、DN200以及新生產尚未投用的DN65玻璃鋼管試樣，利用上述試樣對玻璃鋼失效斷口形貌、拉伸強度、硬度、玻璃鋼轉變溫度、樹脂質量分數、不可溶分質量分數進行測量。結果表明：玻璃鋼管樹脂質量分數與玻璃鋼管道接頭連接性能有關，樹脂質量分數偏低導致樹脂對纖維膠合作用降低，使得玻璃鋼管力學性能降低，最終導致接口失效。

玻璃鋼；力學性能；實驗

目前，石油化工行業中采用管道運輸介質大多采用金屬管道，金屬管道在使用中最大的問題是金屬腐蝕，據統計由金屬腐蝕給企業帶來的經濟損失、環境破壞、人員傷亡、資源浪費都是不可估量的[1]。玻璃鋼管材料主要是樹脂為基層材料，玻璃纖維作為增強材料，這樣的設計具有可以耐內外壁腐蝕、材料密度小、內壁摩阻系數小流通效率高等一系列優點，因此玻璃鋼被廣泛應用于石油化工行業、市政排水、熱力等領域。它與金屬管道比較具有很多缺點，如玻璃鋼管與金屬鋼相比強度低、不耐高溫、易脆斷等。

在眾多玻璃鋼研究當中發現，玻璃鋼管道出現問題最多的地方是在螺紋連接接頭處。連接接頭主要承受著多種力，目前，國內學者大量研究主要都是基于有限元法利用ANSYS軟件進行模擬以及實驗室采用力學性能實驗設備對力學性能、彎曲試驗研究，而對玻璃鋼檢驗檢測方面除了一些單一的檢測手段外尚無研究[2-6]，在玻璃鋼管的連接方面今后需要考慮更可靠的連接方式，不僅能承管道內壓引起的環向、軸向拉伸載荷，還要能受外部作用剪切載荷。

隨著經濟技術的快速發展，金屬管道在工業等各個領域中使用時越來越多的缺陷暴露出來，這就迫使金屬鋼管道在這些領域需要不斷地更新換代以找到合適的代替材料。目前，世界發達國家都在探索找到一種非金屬管道材料來替代金屬管材。歐、美、德等國家早在20世紀40年代就開始對非金屬管道進行了大量研究，并制造了玻璃鋼管道進行試驗[7]。目前，國際上對非金屬管道的研究越來越深入，而且近年來發展很快，年產量逐漸增加。我國的玻璃鋼管道起步較晚，20世紀80年代末首次進行玻璃鋼研究并引進玻璃鋼管道制造裝置，從此我國正式進行非金屬管道的研究，非金屬管道在工業應用領域開始了快速的發展。而玻璃鋼管道在眾多非金屬管道中尤其在油氣田大規模的應用脫穎而出，這在油氣田管道使用中對減輕腐蝕、延長管道壽命、提高輸送能力起到了不可估量的作用。

1 實驗部分

1.1 現場取樣

某油田因季節交替原因正在進行管道維修及更新過程，將出現問題的管道全部挖出進行替換，在失效管道中按照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447—2005）、《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》（GB/T 2577—2005）、《纖維增強塑料樹脂不可溶分含量試驗方法》（GB/T 2576—2005）、《纖維增強塑料巴柯爾硬度試驗方法》（GB/T 3854—2005）、《塑料 差示掃描量熱法DSC》（GB/T 19466.2—2004）等標準分別截取2009年投用的DN50、DN65、DN100、DN150、DN200的失效管道試樣，這些管道到目前為止正好已投用10年，現場取樣如圖1所示。在現場失效件取樣中每種規格管道拉伸試驗取5組試樣并進行標記，硬度檢測試驗取2組試樣并做好標記，玻璃鋼轉變溫度試驗取3組試樣并做好標記，樹脂質量分數檢測試驗取3組試樣并做好標記，不可溶分質量分數檢測試驗取3組試樣并做好標記。

圖1 現場失效件取樣

1.2 失效原因分析

所截取的5種不同規格的試樣都發現有原油已經滲漏，如圖2所示。

在清理滲漏周圍原油后進行開挖，直至挖出泄漏的失效管道，從現場失效管道可以看出有管道螺紋脫扣、機械損傷、基體腐蝕、分層、裂紋、管本體被磨通，由于失效管被挖出后除了個別能清理出來用于實驗研究，大多失效管表面被污染及損壞已無法清晰辨認傷口，只能依據被破壞的狀態簡單分析，具體造成可能泄漏的原因有如下：

1）制造過程存在的缺陷。由于玻璃鋼管缺乏制造、安裝檢測標準規范，致使玻璃鋼管在制造完畢后無法檢測除了肉眼能看到的表面缺陷之外的內部缺陷，這些內部缺陷應力腐蝕，慢慢拓展為裂紋，進而引發泄漏。

2）由于玻璃鋼的制造工藝是將玻璃纖維一層層纏繞到基體上，在輸送中原油中腐蝕物滲透到基體與玻璃纖維界面層導致層層之間的黏結力減弱甚至破壞黏結力，這樣就會形成孔隙或者裂紋，在應力作用下玻璃纖維脫落、分層，進而導致腐蝕液進一步擴展，直至破壞管本體。

3）因原油成分復雜多樣，長期浸泡在原油中的基體會慢慢溶脹，原油的成分不是均勻單一的，被浸泡在原油中的基體所受污染程度也不一樣，就會導致受污染嚴重的基體加速降解，致使基體強度削弱甚至老化，基體被破壞后原油中腐蝕物沿著基體慢慢浸入玻璃纖維層，最終導致管體穿孔、開裂泄漏。

4）原油中含有大量的砂石等尖銳硬塊，在輸送過程中這些尖銳硬塊逐漸與管內壁磨損，磨損嚴重區域基體開始老化甚至開裂，使得原油中腐蝕物按照上述的機理慢慢向外腐蝕，最終導致管體開裂，出現滲漏、裂紋。

5）螺紋連接接頭脫扣。玻璃鋼油管螺紋接頭處的脫扣失效是由季節性溫差引起地溫變化而導致的失效。因此必須掌握地溫隨季節性變化的規律。根據地下溫度變化，底殼溫度通常劃分為4個地溫帶：溫度日常變化帶，該帶溫度受每天氣溫的影響，深度范圍在1～2 m；溫度季節變化帶，該帶溫度受季節性氣溫的影響，深度范圍在15～30 m；恒溫帶，通常用當地常年平均地面溫度代替，深度范圍在 30 m以下；增溫帶，在恒溫帶之下，地層溫度隨埋深的增加而升高。

由于玻璃鋼輸油管道埋在山里面，根據該地區的地質形貌，導致螺紋連接接頭脫扣還有一個原因就是山體滑坡以及地殼運動，主要是山體滑坡給玻璃鋼螺紋接頭施加拉伸、剪切、彎曲應力，致使接頭脫扣。

6）由于國內尚無統一的玻璃鋼施工及驗收標準規范，在現場施工中無標準約束，致使管道安裝時存在大量的問題。在上述截取的5種規格試樣中，其中一個失效管上方有一個直徑約30 mm洞，直接導致原油噴出，在該失效件附近發現大量直徑 20 mm以上的石子，玻璃鋼管道在油田有一部分管道沿路鋪設，而在山里行駛的大都是拉油重車，每當車經過都會對路面產生振動，管道就會沿著約束弱的一側產生位移，時間久了該處就會發生磨損失效。

1.3 試樣制備

試樣制備按照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447—2005）、《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》（GB/T 2577—2005）、《纖維增強塑料樹脂不可溶分含量試驗方法》（GB/T 2576—2005）、《纖維增強塑料巴柯爾硬度試驗方法》（GB/T 3854—2005）、《塑料 差示掃描量熱法DSC》（GB/T 19466.2—2004）標準中要求進行截取，如圖3所示。

圖3 標準試樣

1.4 試驗研究

1.4.1 軸向拉伸強度

在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格失效件上取5組試樣，在未服役的DN65新管上取5組試樣，試樣規格：250mm×20mm×3mm；環境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447—2005），利用拉伸試驗機測量了玻璃鋼管的軸向拉伸強度，結果如表1所示。由表1可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件與未服役新管件的軸向拉伸強度基本相當，試樣為胺固化樹脂玻璃鋼，所有試樣的玻璃鋼軸向拉伸強度均滿足標準要求。

表1 玻璃鋼管軸向拉伸強度測量值

圖4至圖9為軸向拉伸強度實驗圖。

圖4 DN50失效樣軸向拉伸試驗圖

圖5 DN65失效樣軸向拉伸試驗圖

圖6 DN100失效樣軸向拉伸試驗圖

圖7 DN150失效樣軸向拉伸試驗圖

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件上取5組試樣，在未服役的DN65新管上取5組試樣，試樣規格250 mm×20 mm×3 mm，環境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447—2005），利用拉伸試驗機測量了玻璃鋼管的軸向拉伸模量，結果如表2所示。由表2可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件與未服役新管件的軸向拉伸模量基本相當，試樣為胺固化樹脂玻璃鋼，所有試樣的玻璃鋼軸向拉伸模量均滿足標準要求。

表2 玻璃鋼管軸向拉伸模量測量值

1.4.2 樹脂質量分數

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件上取3組試樣，在未服役的DN65新管上取3組試樣，試樣規格：25 mm×25 mm×3 mm，環境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》（GB/T 2577—2005），對玻璃鋼管的樹脂質量分數進行測量，結果如表3所示。由表3可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件與未服役新管件的樹脂質量分數均滿足要求，DN100失效試樣存在分層現象，由此判斷樹脂質量分數偏低將會使得基體及纖維層出現分層現象，玻璃纖維作為增強劑增強作用也會下降，因此樹脂的質量分數將是影響玻璃鋼管力學性能的重要指標，樹脂質量分數偏低會導致玻璃鋼管力學性能降低，樹脂層分層引發失效，試樣為胺固化樹脂玻璃鋼。

表3 玻璃鋼管樹脂質量分數測量值

1.4.3 不可溶分質量分數

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件上取3組試樣，在未服役的DN65新管上取3組試樣，試樣規格：（1±0.2）g；環境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據《玻璃纖維增強塑料樹脂不可溶分含量試驗方法》（GB/T 2576—2005），對玻璃鋼管的樹脂不可溶分質量分數進行測量，結果如表4所示。由表4可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件與未服役新管件的樹脂不可溶分質量分數均滿足要求，試樣為胺固化樹脂玻璃鋼。

表4 玻璃鋼管樹脂不可溶分質量分數測量值

1.4.4 硬度

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件上取2組試樣，在未服役的DN65新管上取2組試樣，試樣規格：180 mm×20 mm×3 mm；環境條件：溫度23.5 ℃，濕度41% RH。依據《纖維增強塑料巴柯爾硬度試驗方法》（GB/T 3854—2005），對玻璃鋼管的硬度進行測量，結果如表5所示。由表5可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件與未服役新管件的硬度值基本相當，試樣為胺固化樹脂玻璃鋼，所有試樣的玻璃鋼硬度均滿足標準要求。

表5 玻璃鋼管硬度測量值

1.4.5 玻璃鋼轉變溫度

分別在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件上取3組試樣，在未服役的DN65新管上取3組試樣，試樣規格：9.6 mg；環境條件：溫度23.5℃，濕度41% RH。依據《塑料 差示掃描量熱法DSC》（GB/T 19466.2—2004），對玻璃鋼管的玻璃鋼轉變溫度進行測量，結果如表6所示。由表6可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200規格的失效件與未服役新管件的玻璃鋼轉變溫度均滿足要求，試樣為胺固化樹脂玻璃鋼。

表6 玻璃鋼管轉變溫度測量值

圖10至圖15為玻璃鋼轉變溫度測試圖。

圖10 DN50失效試樣玻璃轉變溫度（Tg）測試圖

圖11 DN65失效試樣玻璃轉變溫度（Tg）測試圖

圖12 DN100失效試樣玻璃轉變溫度（Tg）測試圖

圖13 DN150失效試樣玻璃轉變溫度（Tg）測試圖

圖14 DN200失效試樣玻璃轉變溫度（Tg）測試圖

圖15 DN65未服役試樣玻璃轉變溫度（Tg）測圖

通過上述實驗研究分析，玻璃鋼管道在地下服役可靠性是比較高的，除第三方破壞之外，正常使用玻璃鋼管道在耐腐蝕、抗老化等方面性能還是比較優越的，這也是玻璃鋼管道近期被大量推廣的原因。

2 結 論

1）玻璃鋼管樹脂質量分數偏低導致樹脂對纖維膠合作用降低，是玻璃鋼管力學性能較低、容易失效的重要原因。

2）對于未服役和服役10年之后的玻璃鋼管道，他們的玻璃鋼轉變溫度都達不到標準要求，該實驗還需進一步研究。

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Experimental Study on Mechanical Properties of FRP Pipes for Oil and Gas Gathering and Transportation

,

（Gansu Province Special Equipment Inspection and Testing Institute, Lanzhou Gansu 730050, China)

Failure accidents such as leakage of threaded joints, trip, mechanical scratches on the surface of the pipe body, wear of the pipe wall, internal and external cracks, aging stratification, slag inclusions, pores, brittle fracture and cracking, are common in the underground use of FRP pipes for oil and gas gathering and transportation. In order to find out the possible causes of failure in the operation of FRP pipes, using differential scanning calorimeter, hydraulic testing machine, material testing machine and other test equipment, intercepting samples of DN50, DN65, DN100, DN150, DN200 that were put into use in 2009 and DN65 glass steel pipe samples that have not been put into use in new production,the failure fracture morphology, tensile strength, hardness, glass fiber reinforced plastics transition temperature, resin mass fraction, and insoluble content mass fraction of FRP samples were measured. The results showed that the resin mass fraction of glass steel tube was related to the connection performance of FRP pipe joints, and the low mass fraction led to the decrease of resin bonding effect on fiber, which led to the low mechanical properties of glass steel tube, and finally led to the failure of interface.

Glass fiber reinforced plastic; Mechanical properties; experiment

2020-08-20

張秉乾（1987-），男，甘肅省蘭州市人，工程師，碩士研究生， 2011年畢業于蘭州理工大學過程裝備與控制工程專業，研究方向：壓力管道、壓力容器檢驗檢測。

張正棠（1989-），男，工程師，碩士，研究方向：壓力管道、壓力容器檢驗檢測、非金屬管道研究。

TQ050.4+2

A

1004-0935（2021）06-0766-06