玻璃鋼管道在介質(zhì)中的適應(yīng)性評價(jià)方法研究

李宏斌

大慶油田有限責(zé)任公司

玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料材質(zhì)（以下簡稱玻璃鋼）具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、防結(jié)垢、防結(jié)臘、綜合成本低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已部分取代金屬材質(zhì)，有效緩解了石油行業(yè)的腐蝕問題[1-4]。以中國石油玻璃鋼管道應(yīng)用情況為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018 年底，地面系統(tǒng)已建成玻璃鋼管道2.28 萬公里，年均建設(shè)增幅達(dá)到13.3%，占全部非金屬管道的61.3%，而同期受低油價(jià)影響導(dǎo)致地面工程建設(shè)及老油田工藝優(yōu)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及失效模式的差異性，國際上至今仍無具備統(tǒng)一判據(jù)玻璃鋼材質(zhì)耐化學(xué)腐蝕綜合性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[5]，面對新的使用環(huán)境，無法對其適用性進(jìn)行快速評價(jià)和合理選材，導(dǎo)致玻璃管道在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了由于介質(zhì)的變化而造成的產(chǎn)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(fù)合驅(qū)地面系統(tǒng)中應(yīng)用的酸酐固化玻璃鋼管道，由于頻繁發(fā)生滲漏和斷裂等失效事故而導(dǎo)致大面積更換，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

本文針對大慶油田三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)推廣過程中地面采出系統(tǒng)玻璃鋼管道遇到的應(yīng)用問題，從工程應(yīng)用的需要出發(fā)，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了一套玻璃鋼管道在介質(zhì)中的適應(yīng)性評價(jià)方法和判定指標(biāo)體系，為玻璃鋼管道在三元復(fù)合驅(qū)地面采出系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用提供了技術(shù)支持，對規(guī)范玻璃鋼管道在石油行業(yè)地面工程的應(yīng)用，避免因?qū)橘|(zhì)的不適應(yīng)而導(dǎo)致玻璃鋼管道的失效，以及提高管道的安全運(yùn)行壽命有重要意義。

1 玻璃鋼管道質(zhì)量評價(jià)

試驗(yàn)選用DN50/PN55 的酸酐固化玻璃鋼管道，試驗(yàn)介質(zhì)為清水，產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)內(nèi)容主要為力學(xué)及熱性能，靜液壓性能，評價(jià)指標(biāo)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6770.1《非金屬管材質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[8]和GB/T 29165.1《石油天然氣工業(yè)玻璃纖維增強(qiáng)塑料管》[9]。

1.1 力學(xué)及熱性能評價(jià)試驗(yàn)

參照SY/T6770.1 標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇樹脂含量、Tg 值、靜水壓及短時(shí)水壓失效壓力等基礎(chǔ)性能作為玻璃鋼管道性能評價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可見，試驗(yàn)用玻璃鋼管道基礎(chǔ)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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

1.2 靜液壓試驗(yàn)

參照GB/T 29165.1 標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)介質(zhì)為65 ℃清水，試驗(yàn)壓力13.2 MPa，試驗(yàn)樣品為三組平行試樣，開展1 000 h靜水壓試驗(yàn)。結(jié)果見表2。

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

依據(jù)上述基礎(chǔ)性能測試和1 000 h 壽命試驗(yàn)短期靜水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為玻璃鋼管樣的產(chǎn)品質(zhì)量能夠滿足項(xiàng)目試驗(yàn)要求。

2 介質(zhì)適用性評價(jià)

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 試驗(yàn)介質(zhì)

在三元復(fù)合驅(qū)系統(tǒng)中，早期的采出液中三元液濃度含量較低，隨著油田開發(fā)時(shí)間的推進(jìn)，采出液中三元液的濃度不斷上升，最終將會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值。而前期的研究結(jié)果表明，在三元介質(zhì)中，堿是造成玻璃鋼腐蝕的主要因素。因此，試驗(yàn)介質(zhì)是根據(jù)三元復(fù)合驅(qū)預(yù)期上返三元液的最大采表濃度為試驗(yàn)介質(zhì)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(nèi)插法，配制不同堿濃度的采出介質(zhì)。評價(jià)用三元采出介質(zhì)主要組成見表3。

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

2.1.2 試驗(yàn)溫度

玻璃鋼管道的長期靜水壓曲線是應(yīng)力和時(shí)間的雙對數(shù)曲線，此曲線是玻璃鋼管道在65 ℃清水中，以20 年為設(shè)計(jì)壽命建立起來的模型，因此，試驗(yàn)溫度選擇65 ℃。

2.1.3 長期靜水壓試驗(yàn)壓力

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

圖1 試驗(yàn)壓力計(jì)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(shí)所對應(yīng)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(qiáng)層最小厚度，mm；p公稱為管道的公稱壓力，MPa。

通過公式計(jì)算出不同靜水壓試驗(yàn)周期對應(yīng)的試驗(yàn)壓力（表4）。

表4 各試驗(yàn)周期對應(yīng)的試驗(yàn)壓力Tab.4 Test pressure corresponding to each test period

由表4可見，試驗(yàn)周期越長，對應(yīng)的試驗(yàn)壓力越小，1 000 h 靜水壓試驗(yàn)的壓力為13.2 MPa。目前，通用的試驗(yàn)方法常采用1 000 h 靜水壓試驗(yàn)作為判別標(biāo)準(zhǔn)，因此將此參數(shù)作為評價(jià)試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)。

2.2 適應(yīng)性判定指標(biāo)

以玻璃鋼出廠產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)方法為試驗(yàn)方法和評價(jià)指標(biāo)，采用表3所列出的介質(zhì)種類替代清水作為試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行評價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)管道失效時(shí)間≥1 000 h，則判定管道適應(yīng)該濃度的三元液，失效時(shí)間≤1 000 h則不適應(yīng)。

2.3 評價(jià)方法及結(jié)果

遵循ISO14692.2《石油及天然氣工業(yè)玻璃鋼（GRP）管道第二部分：質(zhì)量鑒定及生產(chǎn)》[10]中規(guī)定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行評價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品為4組平行樣品，試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。

表5 強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)采出介質(zhì)1 000 h靜水壓試驗(yàn)結(jié)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(fù)合驅(qū)采出介質(zhì)1 000 h靜水壓試驗(yàn)結(jié)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(zhì)量濃度850 mg/L 和425 mg/L 的三元介質(zhì)中，均未通過1 000 h 模擬試驗(yàn)，而在NaOH質(zhì)量濃度230 mg/L的三元介質(zhì)中仍然有3根試樣未通過1 000 h試驗(yàn)，說明玻璃鋼管不適應(yīng)在堿質(zhì)量濃度＞230 mg/L、表面活性劑質(zhì)量濃度130 mg/L、聚合物質(zhì)量濃度為1 050 mg/L 的三元介質(zhì)中應(yīng)用。

（2）在堿質(zhì)量濃度213 mg/L和160 mg/L的三元液中全部通過1 000 h 試驗(yàn)，說明酸酐固玻璃鋼管道適用于在堿質(zhì)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(zhì)中應(yīng)用。

由表6可見：玻璃鋼管道適用于在Na2CO3質(zhì)量濃度≤750 mg/L 三元介質(zhì)中應(yīng)用；不適用于在Na2CO3質(zhì)量濃度≥875 mg/L的三元介質(zhì)中應(yīng)用。

2.4 介質(zhì)對玻璃鋼性能的影響試驗(yàn)

2.4.1 介質(zhì)對玻璃鋼基礎(chǔ)性能的影響試驗(yàn)

通過對玻璃鋼管道在清水和堿質(zhì)量濃度為850 mg/L、425 mg/L、213 mg/L，表活劑為130 mg/L、聚合物質(zhì)量濃度為1 050 mg/L三元介質(zhì)中進(jìn)行腐蝕模擬試驗(yàn)前后性能變化數(shù)據(jù)可以看出，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、樹脂含量、巴氏硬度、彎曲強(qiáng)度及環(huán)向拉伸強(qiáng)度的變化影響玻璃鋼管道的耐腐蝕性能。

從表7中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著三元介質(zhì)中堿含量的增加，玻璃鋼管道各性能均出現(xiàn)不同程度的變化，且在堿質(zhì)量濃度230 mg/L處變化比較明顯，樹脂含量在堿質(zhì)量濃度213 mg/L開始下降，巴氏硬度開始下降，進(jìn)一步說明上述確定的適應(yīng)三元介質(zhì)的臨界濃度合理。

表7 模擬試驗(yàn)前后玻璃鋼管道性能測試數(shù)據(jù)Tab.7 Performance test data of FRP pipe before and after simulation test

2.4.2 介質(zhì)對玻璃鋼基礎(chǔ)性能影響的微觀分析

對試驗(yàn)前后管樣進(jìn)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(zhì)和大量酯鍵(—R‘—COO—R—)，當(dāng)含堿濃度達(dá)到時(shí)213 mg/L時(shí)，開始與三元介質(zhì)中的堿發(fā)生酸堿中和反應(yīng)及水解反應(yīng)，使部分樹脂溶蝕，至使內(nèi)表面巴氏硬度上升（圖2）。

圖2 玻璃鋼管道內(nèi)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(zhì)量濃度為230 mg/L的三元介質(zhì)中，樹脂已開始溶蝕，在堿質(zhì)量濃度為850 mg/L 三元介質(zhì)中，樹脂已發(fā)生大量溶蝕。由此，進(jìn)一步確定適應(yīng)三元介質(zhì)的臨界濃度為堿質(zhì)量濃度213～230 mg/L區(qū)間，表活劑質(zhì)量濃度為130 mg/L，聚合物質(zhì)量濃度為1 050 mg/L。

3 結(jié)論及建議

確定玻璃鋼管道對三元介質(zhì)適應(yīng)性評價(jià)方法為：以管道最高使用溫度在實(shí)際應(yīng)用的三元介質(zhì)中的1 000 h 為試驗(yàn)周期，以壓降突變?yōu)榕袆e指標(biāo)，判定玻璃鋼管道對三元介質(zhì)的適用性。

建議對上述過程進(jìn)行總結(jié)，描述在生產(chǎn)應(yīng)用過程中開展玻璃鋼管道在介質(zhì)中的適應(yīng)性評價(jià)方法的實(shí)施步驟。