地面煤层气FRTP柔性管道工程性能试验研究

强海亮

（中联煤层气有限责任公司，山西晋城 048000）

管道运输作为第五大运输方式，具有经济效益高、安全性能好、节约土地资源和运输效率高等优势，在石油天然气等液体运输、城市供暖及农田灌溉等方面得到了广泛应用［1-2］。在外部压力及内压较大的情况下，通常选用金属管道作为输送管道，但是金属管道存在耐腐蚀性能差、施工难度大及经济成本高等明显的缺陷［3-4］。因此，聚烯烃管道等非金属管道开始得到研究和应用，非金属管道具有独特的优势，如质量较轻、耐腐蚀性能好、运输及施工成本低等，但是耐高温性能及力学性能仍需进一步提高［5-6］。

随着运输需求及运输环境复杂化程度的提高，对于运输管道的要求也在不断提高，从而促进了性能更加优异的复合管道的研发和利用。增强热塑性塑料管是近几年发展起来的一种柔性复合管，其结构由内向外分为内衬层、增强层和外保护层，增强热塑性塑料管的出现不仅解决了金属管道腐蚀和非金属管道力学性能差两大难题，还能保证传统运输管道的优异性能［7-9］，加之可盘卷运输，施工方便，因此在油田、城市供水供气等众多领域得到了较为广泛的应用。

为了保证管道的综合性能，早期的增强热塑性塑料管管壁较厚，因此生产成本较高，且以往对增强热塑性塑料管的长期使用性能研究大多集中在数值模拟基础之上，缺乏现场应用下的性能变化跟踪研究。为了降低增强热塑性塑料管的经济成本并扩展其应用范围，本文研发了一种聚酯纤维增强热塑性复合管（FRTP），在对FRTP承压机理进行分析的基础之上，通过室内及现场试验研究FRTP在服役后的性能变化，分析FRTP的失效机理及性能劣化主要影响因素，现场试验采用某段燃气输送段为背景，对在满足管道安全服役条件下降低壁厚及生产成本具有重要的意义。

1 试样制备与试验

1.1 FRTP管道试样制备

试验所用的FRTP增强地面煤层气热塑性管道为委托河北省某油管有限公司制备，其主要结构如图1所示。管道设计外径为75.00mm，聚乙烯内层厚度为5.00 mm，外层厚度为5.00mm；管道长度均为1.00m，设计公称压力均为4.0MPa。此外，在外层和内层中间，夹有网状分布的纤维强化层，纤维强化层所用材料为聚酯纤维，纤维平均直径5μm。为研究FRTP增强管道的长期服役性能，选取同样产自该公司并在某油田服役时间长达2年的FRTP管道展开试验，统一截取长度均为1.00m。

图1 FRTP增强管道结构示意图Fig.1 Structural diagram of FRTP reinforced pipeline

1.2 试验

本为深入研究FRTP增强地面煤层气热塑性复合管道综合性能，参照相关规范，本次研究对新制备的和服役两年的FRTP管道开展了室内整管承压性能试验、内层拉伸试验以及邵氏硬度和维卡软化温度试验。其中，利用拉伸试验设备对FRTP整管和内层开展拉伸试验，利用邵氏硬度计对内层开展邵氏硬度试验，利用热变形维卡软化温度仪对内层展开维卡温度测试。此外，取新制备FRTP管道内层试样和服役两年FRTP管道内层试样开展上述内层试验，试样如图2所示。可以明显看出，服役两年后的内层发生了明显变化，其腐蚀现象明显，管道内层颜色由白色变化为淡黄色。

图2 FRTP内层材料试验试样Fig.2 Samples of FRTP inner layer material

2 FRTP性能研究

2.1 FRTP整管承压性能研究

基于室内拉伸试验，对未服役及服役2年后的FRTP运输管道进行整管承压性能研究，以此表征管道的密封性及承受内压的性能。FRTP运输管道进行整管承压性能试验结果如图3所示。从图中可以看出，未服役的FRTP管道保压能力明显好于服役两年的FRTP管道，这表明在煤气等因素的影响下，管道的工程性能确实出现了一定程度的劣化。此外，FRTP管未服役及服役2年后的静水压力值波动较小，均在4%以内，能够满足工程管道长期服役的要求。在排除加压设备误差及环境温度变化对测量结果的影响，也证明了FRTP管道的保压效果良好，长期服役能力强。

图3 FRTP管静水压试验结果Fig.3 Hydrostatic test results of FRTP pipes

为了测试未服役及服役2年后的FRTP运输管道承受内压的上限，对其进行爆破试验，试验结果见表1。从表1可知，未服役的FRTP管爆破压力平均值为21.8MPa，而服役2年后的FRTP管爆破压力平均值为19.1MPa，下降了12.39%，下降幅度相对较大。产生上述情况的原因可能是FRTP在服役的过程中会受到波动压力的影响，使得纤维强化层与内外层产生摩擦，导致纤维的分布甚至其完整性受到影响，因此爆破压力下降幅度较大。

表1 FRTP管爆破试验结果Table 1 Burst test results of FRTP pipe

依据SY/T6662.2-2020对未服役及服役2年后的FRTP运输管道的抗拉性能进行测试，结果表明，未服役及服役2年后的FRTP管断裂时的最大拉力分别为20.15kN和20.02kN，下降幅度极小，这是由于管道在运行过程中主要承受压力作用；FRTP管在被拉断时表现出的特征主要是内部纤维的断裂，当纤维断裂时，整个管道发生失效。

2.2 FRTP管内层性能研究

由FRTP管的失效机理可知，FRTP管的内层在输送介质的侵蚀和冲刷下易导致管道失效，为了充分研究内层高密度聚乙烯在服役2年后的性能变化，将管道内层单独取出进行加工，通过室内试验研究其性能变化。

首先将未服役及服役2年后的FRTP管内层加工成哑铃状进行抗拉试验，每种工况设置5组试样，依据GB/T 1040-2006进行试验，试验结果见表2。

表2 FRTP内层拉伸试验结果Table 2 Tensile test results of FRTP inner layer

从表2可以看出，未服役FRTP管内层材料的抗拉屈服强度和断裂点应力均高于服役2年后的FRTP管内层材料，说明服役后的材料塑性变差，未服役及服役2年后的FRTP管内层材料抗拉屈服强度平均值分别为19.6MPa和15.4MPa，相比而言，服役2年后导致内层材料的屈服强度下降了21.43%。

然后对未服役及服役2年后FRTP管内层材料的邵氏硬度（GB/T 2411-2008）和维卡软化温度（GB/T 1633-2000）进行测试，结果见表3。材料的邵氏硬度是表征材料抵抗变形的重要指标，从表中数据可以看出，未服役及服役2年后的FRTP管内层材料邵氏硬度平均值分别为61.47度和44.37度，相比而言，服役2年后导致内层材料的邵氏硬度下降了27.82%，这是因为FRTP管在服役过程中，内层材料受到运输介质的冲刷和侵蚀，导致其发生溶胀和鼓泡等现象，从而降低了内层材料的硬度。

表3 FRTP内层邵氏硬度和维卡软化温度测试结果Table 3 Test results of Shore hardness and Vicat softening temperature of FRTP inner layer

高密度聚乙烯在高温下易软化的性质导致其应用受到一定的限制，当FRTP管内层材料受热软化时受到应力时可能会导致其性能下降，因此有必要对FRTP管内层材料的维卡软化温度进行相关测试，从表3中的结果可以看出，未服役及服役2年后的FRTP管内层材料维卡软化温度平均值分别为69.43℃和65.28℃，相比而言，服役2年后导致内层材料的维卡软化温度下降了5.98%，下降幅度较小，且软化温度远在服役工况温度之上，说明该材料能满足工程需求，但是长时间的使用仍然存在一定的风险。

为了充分理解FRTP管内层材料受运输介质的影响，采用傅里叶红外光谱对未服役及服役2年后的高密度聚乙烯内层材料进行测试，结果如图4所示。从图中可以看出，未服役与服役2年后的高密度聚乙烯内层材料均具有四个显著的特征锋(720、1460、2830、2900 cm-1)，波数由小到大分别为亚甲基摇摆震动峰、亚甲基弯曲震动峰、亚甲基对称伸缩震动峰和亚甲基反对称伸缩振动峰，这是聚乙烯材料固有的特征［10-11］。从图中还可以看出，服役2年后的内层材料官能团几乎没有变化，即化学成分变化较少。因此可以判断，内层材料的力学性能变化主要是由于输送介质中水分的侵蚀作用导致材料发生溶胀和鼓泡等物理现象。

图4 FRTP内层红外光谱测试结果Fig.4 Infrared spectrum test results of FRTP inner layer

3 FRTP失效机理分析

FRTP结构由内而外分为内层、纤维强化层和外层。内层材料主要为聚合物，如高密度聚乙烯等，主要起到耐腐蚀的作用；纤维强化层材料主要为聚酯纤维，主要作用是增强管道的抗压能力，聚酯纤维为偶数层反向缠绕于内层之上，且缠绕方向要与管道轴向成55°左右的夹角；外层材料主要为聚乙烯，能起到保护纤维强化层及防磨损的作用。从FRTP不同结构及其作用可知，纤维强化层起着承担主要荷载的作用，相比于内层高密度聚乙烯材料而言，聚酯纤维因其具备较高的刚性而断裂伸长率较低，因此在外部压力作用下，FRTP管道的失效主要是由于其变形量超出了聚酯纤维的断裂伸长率［12-13］，因此聚酯纤维的缠绕角度及排布状态等对于保障FRTP管的抗压和抗拉性能具有十分重要的作用，施工中一定要严格控制。外层材料的主要作用主要是防止管道外部腐蚀及抵抗紫外线，并不起到承受压力的作用。除此之外，在FRTP使用过程中，内层易受到运输液体及某些酸性气体的物理冲刷和化学腐蚀等作用，工作环境的温度也会导致内层的性能受到影响，从而降低内层的密闭性及强度等，最终使得管道的服役性能降低［14-15］。因此，在评价FRTP管的使用性能和长期稳定性的过程中，将重点关注FRTP管的整管承压性能变化及内层材料性能变化两个角度。

4 结论

（1）FRTP管的主要承压载体为聚酯纤维强化层，其失效模式主要分为强化层断裂失效及内层腐蚀失效两种。

（2）FRTP整管性能研究表明，未服役及服役2年后的管道静水压力值波动均在4%以内，保压性能良好；抗拉性能变化幅度极小；服役2年后的FRTP管短时水压爆破压力值下降了12.39%，但在安全范围内。承内压是判断管道长期稳定性的主要指标。

（3）FRTP内层材料研究表明，服役2年后的内层材料屈服强度、邵氏硬度和维卡软化温度分别下降了21.43%、27.82%和5.98%，结合傅里叶红外光谱测试结果，表明内层材料失效主要是由于在运输介质的物理冲刷作用下材料的抗变形能力下降。