随着油气田开发中后期出水量的增加，腐蚀环境越来越恶劣，迫切需要用耐腐蚀、耐热、耐压的非金属管材解决地面集输系统的腐蚀问题，其中柔性复合管是一种在油田应用广泛的非金属管材。截至2022年12月，塔里木油田中应用的柔性复合管已达1611km，且呈逐年递增趋势。为探究柔性复合管在油气集输环境中的应用效果，对该油气田在役的2条柔性复合管取样并进行分析，以确定不同服役环境对柔性复合管性能的影响程度，分析结果可为后续柔性复合管的正确使用起到一定的指导作用。依据SY/T 6662.2—2020 《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》要求，对2条柔性复合管进行结构解剖，采用宏观观察、微观分析、水压爆破试验、气密封性能测试、结构组成分析、热分析、红外光谱分析、力学性能测试等方法对2条柔性复合管进行分析，以确定2条柔性复合管在不同工况下的适用性。
1、 试样选取
取油、气、水混合集输管线样和单井气举管试样，分别编号为1号和2号，1号、2号试样的工况条件如表1所示，宏观形貌分别如图1，2所示。
2、 试验结果与分析
2.1 宏观观察
对1号试样管体进行解剖并观察其宏观形貌，结果如图3所示。由图3可知：外保护层喷码显示设计温度为60℃，在内衬管外部缠绕有2层深黄色的纤维绳作为增强结构层；整体来看，该柔性复合管服役后外保护层、增强层及内衬层结构保持完整，未见开裂、鼓包等缺陷，但内衬管因溶胀作用变为深黄色。
对2号试样管体进行解剖并观察其宏观形貌，结果如图4所示。由图4可知：2号试样外保护层完整，增强层为非黏接型交叉缠绕的4层纤维干纱，各层纤维缠绕方向一致、排列整齐，未出现断裂、错排等现象；内衬管整体光滑平整，未见明显的开裂、鼓包、起泡等缺陷，但内衬管颜色变为浅黄色。
2.2 微观分析
分别将1号、2号试样内衬层剖开后再进行微观分析，其内衬层横截面的微观形貌如图5所示。由图5可知：两试样的外表面整体光滑平整，内表面底部有油污附着，且内表面颜色较外表面更深，原因是油气介质存在渗透和溶胀作用。
1号、2号试样增强层纤维的微观形貌如图6所示，可见两试样纤维束结构均保持完整，未见纤维断裂、缠结等现象。
2.3 水压爆破试验
对1号、2号试样进行水压爆破试验，结果如表2所示，试验后两试样的宏观形貌如图7所示。由表2及图7可知：两试样水压爆破的失效形式均为管体爆破，扣压接头完好。但1号试样爆破压力不满足SY/T 6662.2—2020的要求(≥11.4MPa)。
2.4 气密封性能测试
图8，9分别是1号、2号试样接头气密封性能测试结果，1号、2号试样接头在气密封试验过程中均无破裂、渗漏等问题，1号、2号试样的压降小于试验压力的5%，满足SY/T 6662.2—2020中对柔性复合管气密封性能的要求。
图10，11分别是1号和2号试样短时循环压力试验结果，1号试样在试验压力为0~6.0MPa的条件下，经7000次短时循环压力试验后，未发生破裂、泄漏现象；2号试样在试验压力为2.4~24.0MPa的条件下，经7000次短时循环压力试验后，未发生破裂、泄漏现象，两试样的试验结果均满足SY/T 6662.2—2020的要求。
2.5 结构组成分析
1号、2号试样内衬层的密度和交联度测试结果分别如表3，4所示。由表3，4可知：1号、2号试样内衬层密度均满足GB/T 15558.1—2015 《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》的要求(≥0.930g/cm3)；1号试样内衬层为交联聚乙烯，2号试样内衬层为普通聚乙烯。
2.6 热分析
表5是1号、2 号试样内衬层维卡软化温度测试结果，表6是1号、2号试样内衬层差示扫描量热(DSC)测试结果。由表5，6可知：1号、2号试样内衬层的平均维卡软化温度分别为76.26℃和68.86℃；1号试样外表面的熔点、熔融焓、结晶度均低于内表面，而氧化诱导温度高于内表面；2号试样外表面的熔融焓和结晶度均低于内表面，而熔点和氧化诱导温度均高于内表面。表明油气介质的渗透作用会降低内衬材料的抗氧化分解能力。
图12是1号、2号试样内衬层热失重曲线，可见1号、2号试样内表面和外表面的热失重变化曲线相差不大。
1号、2 号试样增强层的热分解温度分别为580℃和440℃，表明芳纶纤维的耐温性能高于涤纶纤维。
2.7 红外光谱分析
1号、2号试样内衬层材料的红外谱图如图13所示。由图13可知：两试样红外谱图中聚乙烯的特征吸收峰(2915，2843，2852cm-1)明显，除聚乙烯特征峰外,还在718~1459cm-1处出现了C—C骨架弯曲振动吸收峰，而醚类中C—O—C不对称伸缩振动吸收峰(1262cm-1)和环氧乙烷基团中C—O—C伸缩振动吸收峰(807cm-1)也在这一范围内，但峰强较弱，说明醚类和环氧乙烷的含量较少，判断其来源于渗透的油介质。
1号、2号试样增强层纤维的红外谱图如图14所示。由图14可知：1号试样谱图中3310cm-1处为-NH伸缩振动吸收峰，1635cm-1和1537cm-1处为—CO—NH—弯曲振动吸收峰，证明增强层芳纶纤维服役后的化学成分未发生明显变化；2号试样谱图中1713cm-1处为羰基伸缩振动峰，1239cm-1和1093cm-1 处为羧基中的羰基伸缩振动峰，2800~3000cm-1处为—CH2—振动峰，730cm-1处为面外弯曲振动吸收峰，873cm-1处为芳环上两个相邻的C—H变形振动峰，证明增强层涤纶纤维服役后的化学成分未发生明显变化。
2.8 力学性能测试
1号、2号试样内衬层的拉伸试验结果如表7所示。由表7可知：1号、2 号试样断后伸长率均满足GB/T 15558.1—2015的要求 (≥350%)，但根据SY/T 7415—2018 《油气集输管道内衬用聚 烯烃管》，高密度聚乙烯的屈服强度应不小于20MPa，因此1号、2号试样服役后内衬层的屈服强度均下降。
1号、2号试样内衬层的硬度测试结果如表8所示。由表8可知：1号、2 号试样内衬层的平均硬度分别为59.0，56.0HD。
1号、2号试样增强层纤维的力学性能测试结果如表9所示。由表9可知：1号试样的拉伸力小于2号试样，因为渗入内衬层和增强层之间的油气介质长期与增强纤维接触，发生了渗透和溶胀作用，导致增强纤维的力学性能降低。
3、 综合分析
两条柔性复合管的各结构层在服役后均保持完整，未发现明显缺陷。油气介质的渗透和溶胀作用导致两条管道内衬层和增强层纤维在服役后颜色变深。两试样水压爆破的失效形式均为管体爆破，但1号试样的爆破压力不满足标准要求。经气密封试验和短时循环压力试验后，两条管道的管体及接头无破裂、渗漏等问题，均满足SY/T 6662.2—2020要求。两试样内衬层的密度均满足标准要求，平均硬度分别为59.0，56.0HD，结构组成分别为交联聚乙烯 和普通聚乙烯，平均维卡软化温度分别为76.26，68.86℃。1号试样外表面的熔点、熔融焓、结晶度等均低于内表面，2号试样外表面的熔融焓和结晶度均低于内表面，1号、2号试样内表面和外表面热失重的变化情况均相似。
综合上述分析可知，在高温环境下，1号柔性复合管性能明显下降，特别是其水压爆破压力低于标准要求，因此应对运行的1号柔性复合管进行监控，严格控制运行温度，必要时需对其进行降温。2号柔性复合管的管线按目前工况可稳定运行。应要求制造厂家注意质量把控，成品管材到货后需要对其进行抽检，严格执行标准或规范要求对其进行现场安装，保证其应用工况与设计相符合。
4、结论及建议
1号柔性复合管内衬层为交联聚乙烯，增强纤维为芳纶纤维,建议使用温度低于 80℃；2号柔性复合管内衬层为普通聚乙烯，增强纤维为涤纶纤维，建议使用温度低于65℃。
建议高度关注1号柔性复合管，后续应对其进行降温运行；在油、气、水输送系统中，要注意对柔性复合管进行质量把控、到货抽检、规范安装和按设计运行等。
作者：李广山1，陈庆国1，夏晓晖2，燕自峰2，宁长春2
单位：1.中国石油集团工程材料研究院有限公司；
2.中国石油天然气股份有限公司 塔里木油田分公司
来源：《理化检验-物理分册》2024年第1期
