摘 要:某油田玻璃鋼集油管道發生泄漏失效。通過宏觀觀察、尺寸測量、玻璃化轉變溫度測 試、樹脂含量測試及微觀分析等方法,對管道泄漏失效的原因進行了分析。結果表明:在彎曲應力 或以彎曲應力為主的復合載荷作用下,管道接頭應力集中處(外螺紋根部位置)所受應力超過材料 能承受的極限應力而發生橫向斷裂造成泄漏,此應力主要來源于地層沉降和其他外力。 

關鍵詞:玻璃鋼管;橫向斷裂;彎曲應力;地層沉降;失效 

中圖分類號:TG115.2                     文獻標志碼:B                   文章編號:1001-4012(2021)12-0075-05

隨著國內油田勘探開發的不斷深入,采出液含 水率不斷提高,而且普遍含CO2 和 H2S等成分,腐 蝕性強,碳鋼集輸管道腐蝕失效事件頻發,尤其是單 井出油管道,受限于可采取的防腐措施較少,使得其 腐蝕問題更為突出[1]。近年來,玻璃鋼管因具有優 良的耐腐蝕性,被廣泛用于高腐蝕性油田集輸管道, 極大地降低了管道的腐蝕失效率[2-4]。 

玻璃鋼管又稱玻璃纖維增強塑料管,是以玻璃 纖維及其制品作為增強材料,以合成樹脂作為基體 材料的一種復合材料[5-6]。根據所用固化劑的不同, 玻璃鋼管分為酸酐固化玻璃鋼管和芳胺固化玻璃鋼 管。玻璃鋼管的連接形式包括螺紋連接、承插連接、 鎖鍵連接和法蘭連接,其中螺紋連接和承插連接較 為常見[7]。與其他非金屬管相比,玻璃鋼管的耐高 溫性能更好且價格更低,但其接頭的連接性能和抗 沖擊性能較差[8],因此易發生滲漏事故。隨著質量 體系、生產制造工藝及施工方案的進一步完善,玻璃 鋼管必將在油田建設工程中發揮更大的作用[9]。

某油田出油管線材料為酸酐固化玻璃鋼,管道 規格為?89mm×4.5mm,設計壓力5.5MPa,運行 壓力1.78~2.0 MPa,設計溫度65 ℃,運行溫度 25~27℃,輸送介質為油氣水混合液。該管線投運 時間為2017年11月,2018年5月11日該出油管 線發生泄漏失效,失效位置距離單井約50m,在泄 漏點3m外有農戶自修土路,管道從土路下方穿越而過。將失效管段挖出并對其取樣,如圖1所示。 筆者對失效管段進行了一系列檢驗和分析,并結合 施工方法、服役環境及運行維護情況,綜合分析了管 道的泄漏失效原因,以期類似事故不再發生。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

圖2為現場截取的失效管段的泄漏接頭的宏觀 形貌。該接頭采用螺紋連接,外表面無明顯損傷,失 效部位在公母接頭連接處,公接頭橫向斷裂。由圖 2可見,外螺紋未從管體滑脫,螺紋黏接良好,裂紋 起源于公接頭螺紋根部的6點鐘方向(管道底部), 沿著玻璃纖維纏繞的方向擴展,斷面與軸向夾角約 45°;母接頭未見明顯損傷,螺紋連接緊密。

1.2 尺寸測量 

采用游標卡尺對失效管段進行外徑和壁厚測 量,每個截面測量3次外徑(測量位置間隔120°),測 量位置示意圖如圖3所示,外徑測量結果見表1。 對母接頭等間距測量4個點壁厚,測量結果見表2。 由表1和表2可知,接頭外徑和壁厚未見異常。

1.3 玻璃化轉變溫度測試 

從 失 效 管 段 表 面 銼 取 粉 末 狀 試 樣,利 用 TAQ200型示差掃描量熱計(DSC),測試所取粉末 試樣 的 玻 璃 化 轉 變 溫 度 Tg,測 試 升 溫 速 率 為 20℃·min-1,掃描溫度范圍為室溫至200℃,測試 結果見表3。由表3可知,該失效管段的玻璃化轉變溫度符合SY/T6770.1-2010《非金屬管材質量 驗收規范 第1部分:高壓玻璃纖維管線管》對酸酐 固化環氧樹脂的要求。

1.4 樹脂含量測試 

從失效管段未加厚處取3個塊狀平行試樣,依 據GB/T2577-2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量 試驗方法》,利用 LE4/11/R6型馬弗爐和 BT224S 型分析天平,測試所取塊狀試樣的樹脂含量,測試結 果見表4。由表4可知,該失效管段結構層的樹脂 含量符合SY/T6770.1-2010的要求。

1.5 微觀分析 

在斷口的6點鐘方向(起裂源)分別取橫、縱截 面分析試樣,標記為1號試樣(縱截面)和2號試樣 (橫截面);同時在斷口的12點鐘方向分別取橫、縱 截面分析試樣,標記為3號試樣(縱截面)和4號試 樣(橫截面)。圖4和圖5分別為1號試樣縱截面和 2號試樣橫截面的掃描電鏡(SEM)形貌。1號試樣 為公接頭管體段縱截面試樣,其上未見裂紋,僅在高倍下可見纖維拔斷后留下的空洞,如圖4所示。2 號試樣為靠近螺紋根部的管體橫截面樣品,可見大 量環向裂紋,其間還分布少量軸向裂紋,如圖5所 示,由此構成完整的泄漏通道,同時可以發現在纖維 纏繞方向更替的過渡位置有顯著的分層現象。圖6 和圖7分別為3號試樣縱截面和4號試樣橫截面的 掃描電鏡形貌。由圖6可見3號試樣上存在大量環 向裂紋,且樹脂層較玻璃纖維層裂紋張開更大,內部 纖維分散不均,局部存在大量的富樹脂區。由圖7 可知,4號試樣上沒有裂紋存在,僅在高倍下可見纖 維拔斷后留下的空洞。

2 分析與討論 

由以上理化檢驗結果可知,失效管道的公接頭 外螺紋根部發生橫向斷裂,母接頭未見明顯損傷,公 母接頭外徑和壁厚未見異常;其玻璃化轉變溫度和 結構層的樹脂含量均符合SY/T6770.1-2010的 要求,玻璃鋼管的材料無異常。 

從斷口宏觀分析可以看出,裂紋起源于外螺紋 根部的6點鐘方向(管道底部),由外壁向內壁擴展, 同時沿著玻璃纖維纏繞的方向環向擴展,最終斷裂 于公接頭的12點鐘方向(管道頂部);進一步對斷口 附近的裂紋分布情況進行微觀分析發現,在裂紋源區附近存在大量環向裂紋和分層,且分層位于纖維 纏繞方向更替的過渡位置,未見明顯的軸向裂紋產 生。此外,在最終斷裂處,也存在大量環向裂紋,未 見明顯分層。由以上斷口的宏、微觀分析可以推斷, 玻璃鋼管接頭的斷裂、產生的環向裂紋及分層應是 受到較大的彎曲應力或彎曲應力為主導的復合載荷 所致。同時,其底部為裂紋源且裂紋擴展更為明顯, 說明管道底部受到的應力更大。 

從管道受力分析可知,該玻璃鋼管道輸送介質 為油氣水混合物,設計壓力 5.5 MPa,運行壓力 1.78~2.0MPa,設計溫度 65 ℃,運行溫度 25~ 27℃,運行工況滿足設計指標。由此內壓導致管道 承受的環向應力大,軸向應力較小,而橫向裂紋主要 受軸向應力作用產生。因此,在玻璃鋼管無質量缺 陷的情況下,內壓不足以引起管道橫向開裂,而前述 試驗表明管材質量無異常,所以內壓不是管道產生 橫向裂紋的原因。此外,管道還受到外力作用。失 效現場調研可知,在接頭失效處為農田,距其3m 的位置為農戶自修土路。由于農田土壤比較疏松有 下沉的風險,而土路的土壤比較密實不易下沉,因此 可能在土壤下沉處使管道受到附加彎曲應力。在此 應力作用下,因玻璃鋼管接頭外螺紋根部為應力集 中處,應力集中十分嚴重,是最危險的部位[10],所以 此處最易產生裂紋,并沿強度最小的富樹脂區擴展 直至斷裂,即纖維纏繞方向更替的過渡位置。

3 結論及建議 

在彎曲應力或彎曲應力為主導的復合載荷作用 下,管道接頭應力集中處即外螺紋根部位置,所受應 力超過材料能承受的極限應力而發生橫向斷裂,此 應力主要來源于地層沉降和其他外力。 

建議在有地層沉降或道路穿越的區域,對該類 玻璃鋼管線采取增加保護套管等措施,以避免管線 受到較大外力作用而發生失效。 

參考文獻: 

[1] 李玲杰,杜寧波,崔健軍,等.長慶油田某采油廠集輸 管道內腐蝕原因及腐蝕機理[J].腐蝕與防護,2020, 41(2):69-73. 

[2] 陶佳棟,盧明昌,曾萬蓉.玻璃鋼管道在油氣田的應用 與發展[J].石油管材與儀器,2017,3(5):1-5. 

[3] 王冬林,曹峰,李昱坤,等.高壓玻璃鋼管在油田應用 的現狀及展望[J].新技術新工藝,2014(12):133- 136. 

<文章來源 >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 57卷 > 12期 (pp:75-78)>