地面煤層氣FRTP柔性管道工程性能試驗(yàn)研究

強(qiáng)海亮

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，山西晉城 048000）

管道運(yùn)輸作為第五大運(yùn)輸方式，具有經(jīng)濟(jì)效益高、安全性能好、節(jié)約土地資源和運(yùn)輸效率高等優(yōu)勢(shì)，在石油天然氣等液體運(yùn)輸、城市供暖及農(nóng)田灌溉等方面得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。在外部壓力及內(nèi)壓較大的情況下，通常選用金屬管道作為輸送管道，但是金屬管道存在耐腐蝕性能差、施工難度大及經(jīng)濟(jì)成本高等明顯的缺陷［3-4］。因此，聚烯烴管道等非金屬管道開(kāi)始得到研究和應(yīng)用，非金屬管道具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如質(zhì)量較輕、耐腐蝕性能好、運(yùn)輸及施工成本低等，但是耐高溫性能及力學(xué)性能仍需進(jìn)一步提高［5-6］。

隨著運(yùn)輸需求及運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜化程度的提高，對(duì)于運(yùn)輸管道的要求也在不斷提高，從而促進(jìn)了性能更加優(yōu)異的復(fù)合管道的研發(fā)和利用。增強(qiáng)熱塑性塑料管是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種柔性復(fù)合管，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外分為內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外保護(hù)層，增強(qiáng)熱塑性塑料管的出現(xiàn)不僅解決了金屬管道腐蝕和非金屬管道力學(xué)性能差兩大難題，還能保證傳統(tǒng)運(yùn)輸管道的優(yōu)異性能［7-9］，加之可盤卷運(yùn)輸，施工方便，因此在油田、城市供水供氣等眾多領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。

為了保證管道的綜合性能，早期的增強(qiáng)熱塑性塑料管管壁較厚，因此生產(chǎn)成本較高，且以往對(duì)增強(qiáng)熱塑性塑料管的長(zhǎng)期使用性能研究大多集中在數(shù)值模擬基礎(chǔ)之上，缺乏現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用下的性能變化跟蹤研究。為了降低增強(qiáng)熱塑性塑料管的經(jīng)濟(jì)成本并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，本文研發(fā)了一種聚酯纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合管（FRTP），在對(duì)FRTP承壓機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究FRTP在服役后的性能變化，分析FRTP的失效機(jī)理及性能劣化主要影響因素，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用某段燃?xì)廨斔投螢楸尘?，?duì)在滿足管道安全服役條件下降低壁厚及生產(chǎn)成本具有重要的意義。

1 試樣制備與試驗(yàn)

1.1 FRTP管道試樣制備

試驗(yàn)所用的FRTP增強(qiáng)地面煤層氣熱塑性管道為委托河北省某油管有限公司制備，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。管道設(shè)計(jì)外徑為75.00mm，聚乙烯內(nèi)層厚度為5.00 mm，外層厚度為5.00mm；管道長(zhǎng)度均為1.00m，設(shè)計(jì)公稱壓力均為4.0MPa。此外，在外層和內(nèi)層中間，夾有網(wǎng)狀分布的纖維強(qiáng)化層，纖維強(qiáng)化層所用材料為聚酯纖維，纖維平均直徑5μm。為研究FRTP增強(qiáng)管道的長(zhǎng)期服役性能，選取同樣產(chǎn)自該公司并在某油田服役時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2年的FRTP管道展開(kāi)試驗(yàn)，統(tǒng)一截取長(zhǎng)度均為1.00m。

圖1 FRTP增強(qiáng)管道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of FRTP reinforced pipeline

1.2 試驗(yàn)

本為深入研究FRTP增強(qiáng)地面煤層氣熱塑性復(fù)合管道綜合性能，參照相關(guān)規(guī)范，本次研究對(duì)新制備的和服役兩年的FRTP管道開(kāi)展了室內(nèi)整管承壓性能試驗(yàn)、內(nèi)層拉伸試驗(yàn)以及邵氏硬度和維卡軟化溫度試驗(yàn)。其中，利用拉伸試驗(yàn)設(shè)備對(duì)FRTP整管和內(nèi)層開(kāi)展拉伸試驗(yàn)，利用邵氏硬度計(jì)對(duì)內(nèi)層開(kāi)展邵氏硬度試驗(yàn)，利用熱變形維卡軟化溫度儀對(duì)內(nèi)層展開(kāi)維卡溫度測(cè)試。此外，取新制備FRTP管道內(nèi)層試樣和服役兩年FRTP管道內(nèi)層試樣開(kāi)展上述內(nèi)層試驗(yàn)，試樣如圖2所示?？梢悦黠@看出，服役兩年后的內(nèi)層發(fā)生了明顯變化，其腐蝕現(xiàn)象明顯，管道內(nèi)層顏色由白色變化為淡黃色。

圖2 FRTP內(nèi)層材料試驗(yàn)試樣Fig.2 Samples of FRTP inner layer material

2 FRTP性能研究

2.1 FRTP整管承壓性能研究

基于室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，對(duì)未服役及服役2年后的FRTP運(yùn)輸管道進(jìn)行整管承壓性能研究，以此表征管道的密封性及承受內(nèi)壓的性能。FRTP運(yùn)輸管道進(jìn)行整管承壓性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，未服役的FRTP管道保壓能力明顯好于服役兩年的FRTP管道，這表明在煤氣等因素的影響下，管道的工程性能確實(shí)出現(xiàn)了一定程度的劣化。此外，F(xiàn)RTP管未服役及服役2年后的靜水壓力值波動(dòng)較小，均在4%以內(nèi)，能夠滿足工程管道長(zhǎng)期服役的要求。在排除加壓設(shè)備誤差及環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，也證明了FRTP管道的保壓效果良好，長(zhǎng)期服役能力強(qiáng)。

圖3 FRTP管靜水壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Hydrostatic test results of FRTP pipes

為了測(cè)試未服役及服役2年后的FRTP運(yùn)輸管道承受內(nèi)壓的上限，對(duì)其進(jìn)行爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可知，未服役的FRTP管爆破壓力平均值為21.8MPa，而服役2年后的FRTP管爆破壓力平均值為19.1MPa，下降了12.39%，下降幅度相對(duì)較大。產(chǎn)生上述情況的原因可能是FRTP在服役的過(guò)程中會(huì)受到波動(dòng)壓力的影響，使得纖維強(qiáng)化層與內(nèi)外層產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致纖維的分布甚至其完整性受到影響，因此爆破壓力下降幅度較大。

表1 FRTP管爆破試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Burst test results of FRTP pipe

依據(jù)SY/T6662.2-2020對(duì)未服役及服役2年后的FRTP運(yùn)輸管道的抗拉性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，未服役及服役2年后的FRTP管斷裂時(shí)的最大拉力分別為20.15kN和20.02kN，下降幅度極小，這是由于管道在運(yùn)行過(guò)程中主要承受壓力作用；FRTP管在被拉斷時(shí)表現(xiàn)出的特征主要是內(nèi)部纖維的斷裂，當(dāng)纖維斷裂時(shí)，整個(gè)管道發(fā)生失效。

2.2 FRTP管內(nèi)層性能研究

由FRTP管的失效機(jī)理可知，F(xiàn)RTP管的內(nèi)層在輸送介質(zhì)的侵蝕和沖刷下易導(dǎo)致管道失效，為了充分研究?jī)?nèi)層高密度聚乙烯在服役2年后的性能變化，將管道內(nèi)層單獨(dú)取出進(jìn)行加工，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究其性能變化。

首先將未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層加工成啞鈴狀進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，每種工況設(shè)置5組試樣，依據(jù)GB/T 1040-2006進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 FRTP內(nèi)層拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Tensile test results of FRTP inner layer

從表2可以看出，未服役FRTP管內(nèi)層材料的抗拉屈服強(qiáng)度和斷裂點(diǎn)應(yīng)力均高于服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料，說(shuō)明服役后的材料塑性變差，未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料抗拉屈服強(qiáng)度平均值分別為19.6MPa和15.4MPa，相比而言，服役2年后導(dǎo)致內(nèi)層材料的屈服強(qiáng)度下降了21.43%。

然后對(duì)未服役及服役2年后FRTP管內(nèi)層材料的邵氏硬度（GB/T 2411-2008）和維卡軟化溫度（GB/T 1633-2000）進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。材料的邵氏硬度是表征材料抵抗變形的重要指標(biāo)，從表中數(shù)據(jù)可以看出，未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料邵氏硬度平均值分別為61.47度和44.37度，相比而言，服役2年后導(dǎo)致內(nèi)層材料的邵氏硬度下降了27.82%，這是因?yàn)镕RTP管在服役過(guò)程中，內(nèi)層材料受到運(yùn)輸介質(zhì)的沖刷和侵蝕，導(dǎo)致其發(fā)生溶脹和鼓泡等現(xiàn)象，從而降低了內(nèi)層材料的硬度。

表3 FRTP內(nèi)層邵氏硬度和維卡軟化溫度測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of Shore hardness and Vicat softening temperature of FRTP inner layer

高密度聚乙烯在高溫下易軟化的性質(zhì)導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定的限制，當(dāng)FRTP管內(nèi)層材料受熱軟化時(shí)受到應(yīng)力時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致其性能下降，因此有必要對(duì)FRTP管內(nèi)層材料的維卡軟化溫度進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，從表3中的結(jié)果可以看出，未服役及服役2年后的FRTP管內(nèi)層材料維卡軟化溫度平均值分別為69.43℃和65.28℃，相比而言，服役2年后導(dǎo)致內(nèi)層材料的維卡軟化溫度下降了5.98%，下降幅度較小，且軟化溫度遠(yuǎn)在服役工況溫度之上，說(shuō)明該材料能滿足工程需求，但是長(zhǎng)時(shí)間的使用仍然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

為了充分理解FRTP管內(nèi)層材料受運(yùn)輸介質(zhì)的影響，采用傅里葉紅外光譜對(duì)未服役及服役2年后的高密度聚乙烯內(nèi)層材料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，未服役與服役2年后的高密度聚乙烯內(nèi)層材料均具有四個(gè)顯著的特征鋒(720、1460、2830、2900 cm-1)，波數(shù)由小到大分別為亞甲基搖擺震動(dòng)峰、亞甲基彎曲震動(dòng)峰、亞甲基對(duì)稱伸縮震動(dòng)峰和亞甲基反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，這是聚乙烯材料固有的特征［10-11］。從圖中還可以看出，服役2年后的內(nèi)層材料官能團(tuán)幾乎沒(méi)有變化，即化學(xué)成分變化較少。因此可以判斷，內(nèi)層材料的力學(xué)性能變化主要是由于輸送介質(zhì)中水分的侵蝕作用導(dǎo)致材料發(fā)生溶脹和鼓泡等物理現(xiàn)象。

圖4 FRTP內(nèi)層紅外光譜測(cè)試結(jié)果Fig.4 Infrared spectrum test results of FRTP inner layer

3 FRTP失效機(jī)理分析

FRTP結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外分為內(nèi)層、纖維強(qiáng)化層和外層。內(nèi)層材料主要為聚合物，如高密度聚乙烯等，主要起到耐腐蝕的作用；纖維強(qiáng)化層材料主要為聚酯纖維，主要作用是增強(qiáng)管道的抗壓能力，聚酯纖維為偶數(shù)層反向纏繞于內(nèi)層之上，且纏繞方向要與管道軸向成55°左右的夾角；外層材料主要為聚乙烯，能起到保護(hù)纖維強(qiáng)化層及防磨損的作用。從FRTP不同結(jié)構(gòu)及其作用可知，纖維強(qiáng)化層起著承擔(dān)主要荷載的作用，相比于內(nèi)層高密度聚乙烯材料而言，聚酯纖維因其具備較高的剛性而斷裂伸長(zhǎng)率較低，因此在外部壓力作用下，F(xiàn)RTP管道的失效主要是由于其變形量超出了聚酯纖維的斷裂伸長(zhǎng)率［12-13］，因此聚酯纖維的纏繞角度及排布狀態(tài)等對(duì)于保障FRTP管的抗壓和抗拉性能具有十分重要的作用，施工中一定要嚴(yán)格控制。外層材料的主要作用主要是防止管道外部腐蝕及抵抗紫外線，并不起到承受壓力的作用。除此之外，在FRTP使用過(guò)程中，內(nèi)層易受到運(yùn)輸液體及某些酸性氣體的物理沖刷和化學(xué)腐蝕等作用，工作環(huán)境的溫度也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層的性能受到影響，從而降低內(nèi)層的密閉性及強(qiáng)度等，最終使得管道的服役性能降低［14-15］。因此，在評(píng)價(jià)FRTP管的使用性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的過(guò)程中，將重點(diǎn)關(guān)注FRTP管的整管承壓性能變化及內(nèi)層材料性能變化兩個(gè)角度。

4 結(jié)論

（1）FRTP管的主要承壓載體為聚酯纖維強(qiáng)化層，其失效模式主要分為強(qiáng)化層斷裂失效及內(nèi)層腐蝕失效兩種。

（2）FRTP整管性能研究表明，未服役及服役2年后的管道靜水壓力值波動(dòng)均在4%以內(nèi)，保壓性能良好；抗拉性能變化幅度極小；服役2年后的FRTP管短時(shí)水壓爆破壓力值下降了12.39%，但在安全范圍內(nèi)。承內(nèi)壓是判斷管道長(zhǎng)期穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。

（3）FRTP內(nèi)層材料研究表明，服役2年后的內(nèi)層材料屈服強(qiáng)度、邵氏硬度和維卡軟化溫度分別下降了21.43%、27.82%和5.98%，結(jié)合傅里葉紅外光譜測(cè)試結(jié)果，表明內(nèi)層材料失效主要是由于在運(yùn)輸介質(zhì)的物理沖刷作用下材料的抗變形能力下降。