玻璃钢管道在介质中的适应性评价方法研究

李宏斌

大庆油田有限责任公司

玻璃纤维增强热固性塑料材质（以下简称玻璃钢）具有耐腐蚀、质量轻、防结垢、防结腊、综合成本低、使用寿命长等优点，已部分取代金属材质，有效缓解了石油行业的腐蚀问题[1-4]。以中国石油玻璃钢管道应用情况为例，据不完全统计，截至2018 年底，地面系统已建成玻璃钢管道2.28 万公里，年均建设增幅达到13.3%，占全部非金属管道的61.3%，而同期受低油价影响导致地面工程建设及老油田工艺优化管道用量减少，油气管道（金属和非金属）总量仅增加了1.4%。由此可见，使用玻璃钢管道已成为解决油气输送中管道腐蚀问题的重要手段。

但是，由于玻璃钢材料品种的多样性、结构的复杂性以及失效模式的差异性，国际上至今仍无具备统一判据玻璃钢材质耐化学腐蚀综合性能的评价标准[5]，面对新的使用环境，无法对其适用性进行快速评价和合理选材，导致玻璃管道在实际应用过程中出现了由于介质的变化而造成的产品渗漏、破损、穿孔及断裂等事故[6-7]。比较典型的是在三元复合驱地面系统中应用的酸酐固化玻璃钢管道，由于频繁发生渗漏和断裂等失效事故而导致大面积更换，造成了较大的经济损失。

本文针对大庆油田三元复合驱油技术推广过程中地面采出系统玻璃钢管道遇到的应用问题，从工程应用的需要出发，参考相关标准，提出了一套玻璃钢管道在介质中的适应性评价方法和判定指标体系，为玻璃钢管道在三元复合驱地面采出系统的现场应用提供了技术支持，对规范玻璃钢管道在石油行业地面工程的应用，避免因对介质的不适应而导致玻璃钢管道的失效，以及提高管道的安全运行寿命有重要意义。

1 玻璃钢管道质量评价

试验选用DN50/PN55 的酸酐固化玻璃钢管道，试验介质为清水，产品质量评价内容主要为力学及热性能，静液压性能，评价指标主要依据标准SY/T6770.1《非金属管材质量验收规范》[8]和GB/T 29165.1《石油天然气工业玻璃纤维增强塑料管》[9]。

1.1 力学及热性能评价试验

参照SY/T6770.1 标准要求，选择树脂含量、Tg 值、静水压及短时水压失效压力等基础性能作为玻璃钢管道性能评价指标。试验结果见表1。

由表1可见，试验用玻璃钢管道基础性能满足标准要求。

表1 玻璃钢管道基础性能测试Tab.1 Basic performance test of FRP pipe

1.2 静液压试验

参照GB/T 29165.1 标准要求，试验介质为65 ℃清水，试验压力13.2 MPa，试验样品为三组平行试样，开展1 000 h静水压试验。结果见表2。

表2 1 000 h静水压试验Tab.2 Hydrostatic test for 1 000 hours

依据上述基础性能测试和1 000 h 寿命试验短期静水压试验数据，分析认为玻璃钢管样的产品质量能够满足项目试验要求。

2 介质适用性评价

2.1 试验条件

2.1.1 试验介质

在三元复合驱系统中，早期的采出液中三元液浓度含量较低，随着油田开发时间的推进，采出液中三元液的浓度不断上升，最终将会达到一个峰值。而前期的研究结果表明，在三元介质中，碱是造成玻璃钢腐蚀的主要因素。因此，试验介质是根据三元复合驱预期上返三元液的最大采表浓度为试验介质的上限浓度，再以上限浓度的三元液中碱含量的上限为最高线，通过内插法，配制不同碱浓度的采出介质。评价用三元采出介质主要组成见表3。

表3 三元采出介质主要组成Tab.3 Main composition of ASP produced medium mg/L

2.1.2 试验温度

玻璃钢管道的长期静水压曲线是应力和时间的双对数曲线，此曲线是玻璃钢管道在65 ℃清水中，以20 年为设计寿命建立起来的模型，因此，试验温度选择65 ℃。

2.1.3 长期静水压试验压力

利用玻璃钢管道的长期静水压模型，计算出各试验周期所对应的压力为试验压力（图1），计算公式：

图1 试验压力计算示意图Fig.1 Schematic diagram of test pressure calculation

由此可得出

式中：pT=1000～10000h为长期静水压曲线上T=1 000 h时所对应的压力值，MPa；pLCL为95%置信下限的压力；D为管道外径，mm；tr为增强层最小厚度，mm；p公称为管道的公称压力，MPa。

通过公式计算出不同静水压试验周期对应的试验压力（表4）。

表4 各试验周期对应的试验压力Tab.4 Test pressure corresponding to each test period

由表4可见，试验周期越长，对应的试验压力越小，1 000 h 静水压试验的压力为13.2 MPa。目前，通用的试验方法常采用1 000 h 静水压试验作为判别标准，因此将此参数作为评价试验的试验参数。

2.2 适应性判定指标

以玻璃钢出厂产品质量检验方法为试验方法和评价指标，采用表3所列出的介质种类替代清水作为试验介质进行评价试验，试验管道失效时间≥1 000 h，则判定管道适应该浓度的三元液，失效时间≤1 000 h则不适应。

2.3 评价方法及结果

遵循ISO14692.2《石油及天然气工业玻璃钢（GRP）管道第二部分：质量鉴定及生产》[10]中规定的试验方法，进行评价试验，试验样品为4组平行样品，试验结果见表5、表6。

表5 强碱三元复合驱采出介质1 000 h静水压试验结果Tab.5 Hydrostatic test results of medium produced by strong alkali ASP flooding for 1 000 hours

表6 弱碱三元复合驱采出介质1 000 h静水压试验结果Tab.6 Hydrostatic test results of medium produced by weak base ASP flooding for 1 000 hours

由表5可见：

（1）玻璃钢管道在NaOH 质量浓度850 mg/L 和425 mg/L 的三元介质中，均未通过1 000 h 模拟试验，而在NaOH质量浓度230 mg/L的三元介质中仍然有3根试样未通过1 000 h试验，说明玻璃钢管不适应在碱质量浓度＞230 mg/L、表面活性剂质量浓度130 mg/L、聚合物质量浓度为1 050 mg/L 的三元介质中应用。

（2）在碱质量浓度213 mg/L和160 mg/L的三元液中全部通过1 000 h 试验，说明酸酐固玻璃钢管道适用于在碱质量浓度≤213 mg/L、表面活性剂130 mg/L、聚合物为1 050 mg/L的三元介质中应用。

由表6可见：玻璃钢管道适用于在Na2CO3质量浓度≤750 mg/L 三元介质中应用；不适用于在Na2CO3质量浓度≥875 mg/L的三元介质中应用。

2.4 介质对玻璃钢性能的影响试验

2.4.1 介质对玻璃钢基础性能的影响试验

通过对玻璃钢管道在清水和碱质量浓度为850 mg/L、425 mg/L、213 mg/L，表活剂为130 mg/L、聚合物质量浓度为1 050 mg/L三元介质中进行腐蚀模拟试验前后性能变化数据可以看出，玻璃化转变温度、树脂含量、巴氏硬度、弯曲强度及环向拉伸强度的变化影响玻璃钢管道的耐腐蚀性能。

从表7中的试验数据可以看出，随着三元介质中碱含量的增加，玻璃钢管道各性能均出现不同程度的变化，且在碱质量浓度230 mg/L处变化比较明显，树脂含量在碱质量浓度213 mg/L开始下降，巴氏硬度开始下降，进一步说明上述确定的适应三元介质的临界浓度合理。

表7 模拟试验前后玻璃钢管道性能测试数据Tab.7 Performance test data of FRP pipe before and after simulation test

2.4.2 介质对玻璃钢基础性能影响的微观分析

对试验前后管样进行电镜扫描，可以看出玻璃钢管道存在大量的游离酸性物质和大量酯键(—R‘—COO—R—)，当含碱浓度达到时213 mg/L时，开始与三元介质中的碱发生酸碱中和反应及水解反应，使部分树脂溶蚀，至使内表面巴氏硬度上升（图2）。

图2 玻璃钢管道内表面微观形貌（200倍下扫描电镜）Fig.2 Internal surface microtopography of FRP pipe(SEM at 200 times)

在碱质量浓度为230 mg/L的三元介质中，树脂已开始溶蚀，在碱质量浓度为850 mg/L 三元介质中，树脂已发生大量溶蚀。由此，进一步确定适应三元介质的临界浓度为碱质量浓度213～230 mg/L区间，表活剂质量浓度为130 mg/L，聚合物质量浓度为1 050 mg/L。

3 结论及建议

确定玻璃钢管道对三元介质适应性评价方法为：以管道最高使用温度在实际应用的三元介质中的1 000 h 为试验周期，以压降突变为判别指标，判定玻璃钢管道对三元介质的适用性。

建议对上述过程进行总结，描述在生产应用过程中开展玻璃钢管道在介质中的适应性评价方法的实施步骤。