分享：玻璃钢集油管道泄漏原因
摘 要:某油田玻璃钢集油管道发生泄漏失效。通过宏观观察、尺寸测量、玻璃化转变温度测 试、树脂含量测试及微观分析等方法,对管道泄漏失效的原因进行了分析。结果表明:在弯曲应力 或以弯曲应力为主的复合载荷作用下,管道接头应力集中处(外螺纹根部位置)所受应力超过材料 能承受的极限应力而发生横向断裂造成泄漏,此应力主要来源于地层沉降和其他外力。
关键词:玻璃钢管;横向断裂;弯曲应力;地层沉降;失效
中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)12-0075-05
随着国内油田勘探开发的不断深入,采出液含 水率不断提高,而且普遍含CO2 和 H2S等成分,腐 蚀性强,碳钢集输管道腐蚀失效事件频发,尤其是单 井出油管道,受限于可采取的防腐措施较少,使得其 腐蚀问题更为突出[1]。近年来,玻璃钢管因具有优 良的耐腐蚀性,被广泛用于高腐蚀性油田集输管道, 极大地降低了管道的腐蚀失效率[2-4]。
玻璃钢管又称玻璃纤维增强塑料管,是以玻璃 纤维及其制品作为增强材料,以合成树脂作为基体 材料的一种复合材料[5-6]。根据所用固化剂的不同, 玻璃钢管分为酸酐固化玻璃钢管和芳胺固化玻璃钢 管。玻璃钢管的连接形式包括螺纹连接、承插连接、 锁键连接和法兰连接,其中螺纹连接和承插连接较 为常见[7]。与其他非金属管相比,玻璃钢管的耐高 温性能更好且价格更低,但其接头的连接性能和抗 冲击性能较差[8],因此易发生渗漏事故。随着质量 体系、生产制造工艺及施工方案的进一步完善,玻璃 钢管必将在油田建设工程中发挥更大的作用[9]。
某油田出油管线材料为酸酐固化玻璃钢,管道 规格为?89mm×4.5mm,设计压力5.5MPa,运行 压力1.78~2.0 MPa,设计温度65 ℃,运行温度 25~27℃,输送介质为油气水混合液。该管线投运 时间为2017年11月,2018年5月11日该出油管 线发生泄漏失效,失效位置距离单井约50m,在泄 漏点3m外有农户自修土路,管道从土路下方穿越而过。将失效管段挖出并对其取样,如图1所示。 笔者对失效管段进行了一系列检验和分析,并结合 施工方法、服役环境及运行维护情况,综合分析了管 道的泄漏失效原因,以期类似事故不再发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
图2为现场截取的失效管段的泄漏接头的宏观 形貌。该接头采用螺纹连接,外表面无明显损伤,失 效部位在公母接头连接处,公接头横向断裂。由图 2可见,外螺纹未从管体滑脱,螺纹黏接良好,裂纹 起源于公接头螺纹根部的6点钟方向(管道底部), 沿着玻璃纤维缠绕的方向扩展,断面与轴向夹角约 45°;母接头未见明显损伤,螺纹连接紧密。
1.2 尺寸测量
采用游标卡尺对失效管段进行外径和壁厚测 量,每个截面测量3次外径(测量位置间隔120°),测 量位置示意图如图3所示,外径测量结果见表1。 对母接头等间距测量4个点壁厚,测量结果见表2。 由表1和表2可知,接头外径和壁厚未见异常。
1.3 玻璃化转变温度测试
从 失 效 管 段 表 面 锉 取 粉 末 状 试 样,利 用 TAQ200型示差扫描量热计(DSC),测试所取粉末 试样 的 玻 璃 化 转 变 温 度 Tg,测 试 升 温 速 率 为 20℃·min-1,扫描温度范围为室温至200℃,测试 结果见表3。由表3可知,该失效管段的玻璃化转变温度符合SY/T6770.1-2010《非金属管材质量 验收规范 第1部分:高压玻璃纤维管线管》对酸酐 固化环氧树脂的要求。
1.4 树脂含量测试
从失效管段未加厚处取3个块状平行试样,依 据GB/T2577-2005《玻璃纤维增强塑料树脂含量 试验方法》,利用 LE4/11/R6型马弗炉和 BT224S 型分析天平,测试所取块状试样的树脂含量,测试结 果见表4。由表4可知,该失效管段结构层的树脂 含量符合SY/T6770.1-2010的要求。
1.5 微观分析
在断口的6点钟方向(起裂源)分别取横、纵截 面分析试样,标记为1号试样(纵截面)和2号试样 (横截面);同时在断口的12点钟方向分别取横、纵 截面分析试样,标记为3号试样(纵截面)和4号试 样(横截面)。图4和图5分别为1号试样纵截面和 2号试样横截面的扫描电镜(SEM)形貌。1号试样 为公接头管体段纵截面试样,其上未见裂纹,仅在高倍下可见纤维拔断后留下的空洞,如图4所示。2 号试样为靠近螺纹根部的管体横截面样品,可见大 量环向裂纹,其间还分布少量轴向裂纹,如图5所 示,由此构成完整的泄漏通道,同时可以发现在纤维 缠绕方向更替的过渡位置有显著的分层现象。图6 和图7分别为3号试样纵截面和4号试样横截面的 扫描电镜形貌。由图6可见3号试样上存在大量环 向裂纹,且树脂层较玻璃纤维层裂纹张开更大,内部 纤维分散不均,局部存在大量的富树脂区。由图7 可知,4号试样上没有裂纹存在,仅在高倍下可见纤 维拔断后留下的空洞。
2 分析与讨论
由以上理化检验结果可知,失效管道的公接头 外螺纹根部发生横向断裂,母接头未见明显损伤,公 母接头外径和壁厚未见异常;其玻璃化转变温度和 结构层的树脂含量均符合SY/T6770.1-2010的 要求,玻璃钢管的材料无异常。
从断口宏观分析可以看出,裂纹起源于外螺纹 根部的6点钟方向(管道底部),由外壁向内壁扩展, 同时沿着玻璃纤维缠绕的方向环向扩展,最终断裂 于公接头的12点钟方向(管道顶部);进一步对断口 附近的裂纹分布情况进行微观分析发现,在裂纹源区附近存在大量环向裂纹和分层,且分层位于纤维 缠绕方向更替的过渡位置,未见明显的轴向裂纹产 生。此外,在最终断裂处,也存在大量环向裂纹,未 见明显分层。由以上断口的宏、微观分析可以推断, 玻璃钢管接头的断裂、产生的环向裂纹及分层应是 受到较大的弯曲应力或弯曲应力为主导的复合载荷 所致。同时,其底部为裂纹源且裂纹扩展更为明显, 说明管道底部受到的应力更大。
从管道受力分析可知,该玻璃钢管道输送介质 为油气水混合物,设计压力 5.5 MPa,运行压力 1.78~2.0MPa,设计温度 65 ℃,运行温度 25~ 27℃,运行工况满足设计指标。由此内压导致管道 承受的环向应力大,轴向应力较小,而横向裂纹主要 受轴向应力作用产生。因此,在玻璃钢管无质量缺 陷的情况下,内压不足以引起管道横向开裂,而前述 试验表明管材质量无异常,所以内压不是管道产生 横向裂纹的原因。此外,管道还受到外力作用。失 效现场调研可知,在接头失效处为农田,距其3m 的位置为农户自修土路。由于农田土壤比较疏松有 下沉的风险,而土路的土壤比较密实不易下沉,因此 可能在土壤下沉处使管道受到附加弯曲应力。在此 应力作用下,因玻璃钢管接头外螺纹根部为应力集 中处,应力集中十分严重,是最危险的部位[10],所以 此处最易产生裂纹,并沿强度最小的富树脂区扩展 直至断裂,即纤维缠绕方向更替的过渡位置。
3 结论及建议
在弯曲应力或弯曲应力为主导的复合载荷作用 下,管道接头应力集中处即外螺纹根部位置,所受应 力超过材料能承受的极限应力而发生横向断裂,此 应力主要来源于地层沉降和其他外力。
建议在有地层沉降或道路穿越的区域,对该类 玻璃钢管线采取增加保护套管等措施,以避免管线 受到较大外力作用而发生失效。
参考文献:
[1] 李玲杰,杜宁波,崔健军,等.长庆油田某采油厂集输 管道内腐蚀原因及腐蚀机理[J].腐蚀与防护,2020, 41(2):69-73.
[2] 陶佳栋,卢明昌,曾万蓉.玻璃钢管道在油气田的应用 与发展[J].石油管材与仪器,2017,3(5):1-5.
[3] 王冬林,曹峰,李昱坤,等.高压玻璃钢管在油田应用 的现状及展望[J].新技术新工艺,2014(12):133- 136.
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