某油田单井油气集输柔性复合管泄漏原因

宋成立, 郭继银, 朱文文, 成少兵, 张炳余

(1.中国石油集团 工程材料研究院有限公司 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室, 西安 710077；2.中国石油集团 工程技术研究有限公司, 塘沽 300451；3.中国石油天然气股份有限公司 塔里木油田分公司, 库尔勒 841000; 4.中国石油辽河油田公司， 盘锦 124010)

目前，我国大部分油田已进入中后期开采阶段，综合含水量升高，管线服役年限增加。二次采油与三次采油的结合技术引入了新的腐蚀介质，如CO2，O2和硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing bacteria,SRB)等，这加剧了碳钢油气集输管道的失效，造成石油和天然气损失和生态环境污染[1-3]。柔性复合管质量轻、挠性好、易于运输及安装，且具有优异的耐腐蚀性能等特点，采用该类非金属管替换原有管道已成为解决油气集输管道腐蚀问题的重要方案之一[4-5]。但随着柔性复合管应用范围的进一步扩大，出现了部分失效事故，尤其在高温、高压、地形起伏较大的环境中，柔性复合管更容易发生失效。目前，国内外关于柔性复合管失效分析案例鲜有报道[6]。

西部某油田单井集输柔性复合管(埋地)服役21个月后发生泄漏，其宏观形貌见图1。依据SY/T 6662.2-2012《石油天然气工业用非金属复合管 第2部分：柔性复合高压输送管》标准，泄漏柔性复合管道规格为DN80，设计压力为4 MPa，运行压力为2.9 MPa，设计温度为94 ℃，管道泄漏位置在6点钟方向。

图1 泄漏柔性复合管的宏观形貌

为查明管道泄漏的原因，笔者对其进行了一系列检验和分析，并提出了改进建议，以期避免此类事故的再次发生，并为柔性复合管的研发、安全服役、标准修订等提供参考。

1 理化检验

1.1 宏观观察

该泄漏柔性复合管为典型的三层结构，即外护套、增强层和内衬层，宏观观察发现三层结构均发生了撕裂。由图2可见：外护套撕裂口沿纵向扩展，长度约为350 mm，其环向发生较大的塑性变形，整体呈互相“啮合”的形貌；增强层由两层纤维层缠绕而成，颜色发黑，且触感较硬；内衬层撕裂口沿纵向扩展，长度约为250 mm，其环向也发生了较大的塑性变形，侧面呈黑褐色，管道顶部区域颜色偏黄。

图2 不同卷取温度条件下冷轧DC01钢板的锥杯试验结果

图2 泄漏柔性复合管外护套、增强层和内衬层的宏观形貌

1.2 几何尺寸测量

采用游标卡尺(精度为0.02 mm)对该泄漏柔性复合管内衬层的壁厚和内径进行测量。图3是内衬层撕裂口处壁厚的测量位置，测量结果见表1。可知内衬层撕裂口中部f位置处壁厚最小(1.22 mm)，壁厚沿该位置向两端逐渐增大。

表1 泄漏柔性复合管内衬层撕裂口处壁厚的测量结果

图3 泄漏柔性复合管内衬层撕裂口处壁厚的测量位置示意

撕裂口位置为6点钟方向，对图3所示内衬层两端的壁厚及内径进行测量，结果见表2。可知管样底部的壁厚小于顶部的，底部最小壁厚达到5.90 mm，顶部最大壁厚达到7.36 mm；内衬层两端3～9点和6～12点方向的内径范围在82.84～83.40 mm。

表2 泄漏柔性复合管内衬层两端壁厚及内径的测量结果

1.3 红外光谱分析

从泄漏柔性复合管内衬层和增强层取样，利用傅里叶变换红外光谱仪对其进行傅里叶红外光谱(FTIR)分析，结果如图4所示。可见泄漏柔性复合管内衬层红外光谱与聚乙烯(PE)红外标准谱的相似度为97.01%，这表明该泄漏管样的内衬层为PE，未见其他异常；增强层的红外光谱与涤纶红外标准谱的相似度为94.86%，这表明该泄漏管样的增强层为涤纶纤维，未见其他异常。

图4 泄漏柔性复合管内衬层和增强层的傅里叶红外光谱

1.4 维卡软化温度检测

分别从泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部取样，依据GB/T 1633-2000《热塑性塑料维卡软化温度(VST)的测定》标准中的B50法(50 N，50 ℃/h)，采用RV-300FW维卡软化点温度检测仪进行维卡软化温度检测，分别设置3个平行试样，取其平均值，起始温度为室温。结果显示该泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部的维卡软化温度分别为58.64 ℃和61.89 ℃。

1.5 硬度测试

分别从泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部取样，依据GB/T 2411-2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》标准，采用TIME5410型邵氏D型硬度计对其内、外壁进行硬度测试，分别设置3个平行试样，取其平均值。由表3可见，该泄漏柔性复合管内衬层外壁的硬度大于内壁，且内衬层底部内壁的硬度最小。

表3 泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部的硬度测试结果

1.6 拉伸性能测试

分别从泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部取样，依据GB/T 8804.3-2003《热塑性塑料管材 拉伸性能测定 第3部分：聚烯烃管材》标准，采用CMT-4104型电子万能试验机对试样进行拉伸性能测试，分别设置3个平行试样，取其平均值。由表4可知，该泄漏柔性复合管内衬层底部的抗拉强度小于顶部。

表4 泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部的拉伸性能测试结果

1.7 密度测试

分别从泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部取样，依据GB/T 1033.1-2008《塑料 非泡沫塑料密度的测定 第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》标准，采用液体比重瓶法测试内衬层的密度，试验设备为ET-120SL型电子密度计。由表5可见，该泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部的平均密度均满足SY/T 6662.2-2012《石油天然气工业用非金属复合管 第2部分:柔性复合高压输送管》对PE的技术要求。

表5 泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部的密度

1.8 纵向回缩率测试

从泄漏柔性复合管内衬层取样，依据GB/T 6671-2001《热塑性塑料管材纵向回缩率的测定》标准，采用BINDER-M240型恒温箱，将试样在(120±2) ℃下保温60 min，设置3个平行试样，取其平均值。由表6可见，该泄漏柔性复合管内衬层的纵向回缩率满足SY/T 6662.2-2012《石油天然气工业用非金属复合管 第2部分：柔性复合高压输送管》标准对PE的技术要求。

表6 泄漏柔性复合管内衬层的纵向回缩率

2 分析与讨论

通过以上试验结果可知，该泄漏柔性复合管内衬层为PE，增强层为涤纶纤维，内衬层的密度、纵向回缩率检测结果均符合SY/T 6662.2-2012对PE的技术要求。泄漏柔性复合管内衬层底部和顶部的维卡软化温度分别为58.64 ℃和61.89 ℃，抗拉强度分别为14.82 MPa和15.27 MPa，底部内、外壁的硬度分别为37.5 HD和53.7 HD，顶部内、外壁的硬度分别为41.6 HD和55.1 HD，现有标准未对该材料的维卡软化温度、抗拉强度和硬度做出规定，从检测结果可以得出内衬层内壁的强度较外壁出现了明显下降，内衬层底部的强度较顶部出现了显著下降，随着服役时间的延长或压力的波动，内衬层底部将首先发生承压不足导致的开裂。

内衬层实际服役环境的温度大于设计温度及其维卡软化温度，处于超温运行状态。维卡软化温度是评价材料耐热性能、反映制品在受热条件下物理力学性能的指标之一，维卡软化温度越低，表明材料受热时的尺寸稳定性越差，热变形越大，长期高温环境会使PE材料刚度减小，弹性模量减小[7]。同时，内衬层外壁至内壁颜色越来越深，其底部内壁颜色接近黑色，这表明油气介质在长期输送中已大范围扩散至内衬层内部，发生了显著的溶胀，导致其力学性能下降[8-9]。内衬层硬度检测结果表明：内衬层内壁与油气介质直接接触，其硬度比外壁的要小：内衬层底部内壁颜色更深，其硬度小于顶部内壁的硬度。通过拉伸性能测试结果发现内衬层底部的抗拉强度低于顶部的，表明内衬层强度已产生局部下降。同时，该泄漏柔性复合管底部壁厚比顶部小约1.3 mm，进一步表明管道底部属于承压的薄弱环节。

涤纶纤维(增强层)在高温环境中会发生分子热运动，使其趋于无序性并发生结晶，随着分子无序性的增加，长期高温环境会使其抗拉强度明显下降。齐国权等[10]研究发现，随着温度的升高，涤纶纤维可承受的最大载荷呈直线下降趋势，见图5。该泄漏柔性复合管增强层颜色为黑褐色，触感坚硬，而涤纶纤维通常为白色，且触感柔软，这表明油气介质已渗入增强层，削弱了涤纶纤维大分子间的作用力，使分子间距加大，孔隙增大，导致涤纶纤维的抗拉强度下降[11]。对柔性复合管断口处增强层用手轻轻弯折时，增强层即发生部分断裂，表明增强层承压能力已产生下降。

图5 温度对涤纶纤维断后伸长率和最大承受载荷的影响曲线

综上所述，该柔性复合管的运行温度远高于内衬层的维卡软化温度，油气介质已渗入内衬层和增强层，导致管道的承压能力显著下降，管道底部壁厚最薄处首先发生开裂，在内压作用下，管道逐层发生塑性变形，导致管道撕裂，从而发生泄漏。

3 结论及建议

(1) 该柔性复合管的运行温度远高于设计温度和内衬层的维卡软化温度，在长期运行过程中，油气介质渗入内衬层和增强层内部，导致管道的承压能力显著下降，管道底部壁厚最薄处首先发生开裂，在内压作用下，管道逐层发生塑性变形，导致管道撕裂，从而发生泄漏。

(2) 建议降低该柔性复合管的运行温度，或更换耐温性能更好的柔性复合管，如聚四氟乙烯内衬层+芳纶纤维增强层的柔性复合管。