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中国油气田增强热塑性塑料复合管现象

浏览次数: 日期:2013年12月6日 17:07

        管材在石油工业里承担着输送各种戒指的重要角色,然而单纯的钢管和塑料管都存在着不尽如人意的地方,前者受到腐蚀的困扰而后者的强度和承压能力不足,在此背景下,复合材料管材成为研究的亮点,增强热塑料复合管(RTP)就是其中之一。RTP管大多采用三层结构(如图1所示),内层通常是耐腐蚀、耐磨损的热塑性塑料管,中间层是起增强作用的增强层,外层是起保护作用的外包覆层;其中增强层多使用增强纤维(如“芳纶纤维”,此外还可使用金属丝等)通过缠绕、编织而成[1]。同问世较早的玻璃纤维增强热固性树脂管(即玻璃钢管)相似,增强纤维的使用使得RTP安具有类似钢管的承压能力。但重量较钢管却大为降低,同时因管体为非金属材料所以还避免了管体腐蚀的问题,可以由于管材的内层和外层使用热塑性塑料,因此RTP管还具有柔性塑料管的可盘卷性,生产时单根连续长度可以达到几百米甚至超过千米而后盘卷储存,这就给运输和铺设提供了极大的便利(如图2所示)。目前RTP管在国外已成功应用于陆上和海上油气田[2]。鉴于RTP管所展示出的巨大潜力,本文将重点介绍国产RTP管及其在中国油气田的实际应用情况。 1 国产RTP产品现状 我国生产RTP管的历史并不长,目前国内产品尚无统一正式名称,有的使用“RTP管”的名称,有的则根据产品特点自行命名,如“柔性复合高压输送管”、“连续增强塑料复合管”等。国内各生产厂家的情况也是各异,有的引进国外成熟的生产技术,有的则是自行设计研制生产工艺;有的采用高性能材料生产高档产品,有的则采用相对低等的材料走经济型路线;目前国产的RTP管已在陆上油气田,如大庆油田、长庆油田、塔里木油田等使用或试用,主要用于输水管线、注醇管线,以及油气的集输管线,而适用于长输管线以及海上油气田的高端产品目前国内尚在研制中[2、3]。 1.1 国产RTP产品的产品特点 在RTP管的三层结构中可以认为管体的承压能力完全是由中间层(结构层)承担的,内、外层分别承担起容纳输送流体和保护中间层的作用,所以增强材料的选择在很大程度上决定了RTP管的承压能力。国外RTP管的增强材料通常使用放纶纤维,但由于其价格高,目前国内仅有少数厂家采用,如南京航天晨光[4、5];为了降低成本,国内一些厂家采用了其他增强纤维,如河北省景县液力柔性管汇厂选用聚酯纤维作为增强材料;此外国内还有厂家使用钢丝、钢带做增强材料,如长春高祥。图3中给出了国产RTP管的增强层材料及结构。由于不同的增强纤维之间存在性能的差异,以及金属材料与有机纤维材料之间存在的性能差异,使得不同厂家的产品的承压能力、适用温度等主要性能存在很大的差异。 总之,目前国内RTP管产品在材料选择、结构设计、规格尺寸等方面各不相同,因此不同厂家的产品不能互换使用,这给油气田的使用带来不便,也不利于产品在油气田的推广。 1.2 国内RTP产品的质量检测 由于目前RTP管在国内尚无统一的标准和规范,油气田和生产厂家多是依照生产厂的企业标准进行质检和验收。国内生产厂家提供的RTP管性能检测报告中,大部分结果是根据自身产品特点,参考相似产品的检测标准,或根据自行设计的性能检测项目及方法检测的,这就造成其适用性和客观性很难具有说服力、也导致产品性能缺乏权威性,不利于行业的良性发展和RTP管在油气田的推广,同时也给油气田的安全生产带来了隐患。 对于RTP管而言,在服役环境下的承压能力是最重要的性能之一,是管线能否满足使用要求的基础,因此如何发确定RTP管的使用压力就显得尤为重要。国外的相关标准中已针对RTP制定了相应的压力等级的确定方式,如API RP15S中规定[6-8],对于纤维增强的RTP管而言,需要在选定温度下进行一系列长时间的(个别试验点需超过10000h)耐压试验,而后通过相应的数学处理和曲线外推才可确定其压力等级。此项实验对实验装置和操作人员的要求较高,试验周期长,试验成本很高,而且一旦产品的材料、制造工艺、增强结构等发生变化还需要重新确定,因此,国内少有厂家进行。目前国内厂家多是放小金属管的试验方法来确定RTP管的使用压力,即进行短时水压爆破实验,将得到的爆破压力乘以安全系数即可。因为使用短期爆破实验替代长期耐压实验是不可行的。此外,即便是进行短时水压爆破实验,目前国内尚无标准对RTP管的试样尺寸、实验环境的控制、爆破时间、有效失效形式等进行统一的规范。由此可见部分厂家宣传单RTP管的使用压力、短时水压爆破压力是不严格的。 国家和行业的标准是规范油气田用非金属管市场的必要条件。因此行业内急需建立统一的标准体系来明确RTP管的范围,并依照不同产品的结构和性能特点进行分类,进而规范各种类型的RTP管的制造、工程设计、产品验收检验、施工与验收、使用及维护中的技术要求和方法[9],避免玻璃钢管油气田推广应用中曾经出现的问题。上世纪80、90年代玻璃钢管凭借其耐腐蚀性能,受到了油气田的重视,许多厂家纷纷进入石油领域,但是由于国内生产厂家良莠不齐,一些产品在使用中出了问题,给整个行业形成了不良的影响,一些油气田直到现在对玻璃钢管材、甚至非金属管材还有抵触情绪。因此,有关单位应借鉴国外现有标准并结合国内产品的特点,尽快建立一套合理的标准体系,规范RTP管的生产、施工建设、使用和维护保养,为行业的健康发展和油气田的安全生产保驾护航。 2 国产RTP产品在油气田实际应用中的问题 作为油气田非金属管材的新产品,RTP管在实际应用过程中暴露出了一些问题,主要是由于RTP管自身的特点和油气田特殊的服役条件造成的。 2.1 RTP管抵抗外力损伤性能 石油行业的输送管多是需要埋设施工,对于金属管线而言,由于其自身的强度、硬度都很大,对于外力的冲击具有很好的抵抗能力;而非金属管材则不同,以往就曾发生过因石块、铁锹的冲击导致玻璃钢管损伤的情况。由于RTP管外层受损,那么中间层的增强材料就失去了保护,一旦增强层受损那么管体的承压能力也就无从保证了。通过模拟实验证实,当外部损伤切断部分增强纤维后(如图4所示),其短期水压爆破强度可降低50%以上。我国泊气田现场施工条件较为恶劣,施工人员素质参差不齐,加之诸如地质结构和人为破坏等意外因素,导致RTP管在铺设和使用中难免会受到外力的破坏;因此提高RTP管外层的保护能力以及管材整体的抗破坏能力,避免管材在运输、铺设施工过程中和使用中的意外损伤是非常必要的。 2.2 RTP管的连接性能 由于油气田的服役环境苛刻,加之输送介质的压力较高,因此管体之间有效、可靠的连接方式就显得尤为重要,目前国内的RTP管普通采用机械压紧式连接方式(如图4所示),这种连接是把一个金属管件(A)的插口端插入RTP,在RTP外套一个金属套(B),用机械方法把金属套-RTP管端-管件插口端压紧成为可以保证密封并承受轴向负载的接头,类似高压胶管的连接[10]。金属接头之间通过螺纹或是焊接法兰连接最终实现RTP管的连接。机械压紧式接头管间连接简单,速度快,但是为了将金属压头压紧,必须在RTP管端施加一定的压力,从而造成对RTP管端部分的压缩变形而使接头内管壁受到减薄;此外管体的变形,导致街头处和管体主体变形的不一致,致使街头/管体连接处产生应力集中,易发生破裂。如果接头加工质量控制不好或是在运输、存储、施工中受到过度的弯折、碰撞、挤压等,都有可能进一步诱发接头附近管体破裂。水压爆破实验中也经常发生RTP管接头与管体的连接处失效的情况,如图5所示。 2.3 RTP管的维护与修复 对于传统的钢管而言,虽然受到腐蚀等因素的影响后会发生渗漏甚至爆裂等问题,但是由于钢管的检测和修复技术比较成熟,油气田对它们的修复和检测比较熟悉,可对现役管线的状态进行在线检测,如发现钢管有漏点或是破损可自行采用补强、焊接等技术加以修复。但是对于RTP管而言,在非金属材料避免了腐蚀困扰的同时,其电绝缘性使得很多适用于金属管的检测手段都无能为力。现行的RTP管的破损修复方法是使用一段新管替换破损的管段,这就是需要在现场进行接头加工。由于RTP管的连接工艺均是各厂自行研制,没有通用的技术、设备,油气田不具有相应的修复技术,因此一旦RTP管发生渗漏、破损等问题,而需要替换受损管段时只能联系生产厂家前来修复,很难在短时间内素数得以解决,给生产带来较大的影响。因此,生产厂家应开发相应的快速修复技术,并对泊气田的维修人员进行相应的培训;也可考虑在油田现场建立一支专业维修队伍,能够多油气田事故作出快速反应,这样可以保证尽量缩短由于事故造成的停产时间,增强油气田对产品的信心。 3 建议 RTP管在我国尚属于起步阶段,油气田对RTP管性能了解不足,存在一定的顾虑;因此需要有关单位和生产厂家的共同努力,尽早使这种产品步入良性发展的轨道。为了保证这种产品在油气田长期、有效和安全地运行,应重点做好以下几个方面的工作: 尽早建立起完善的标准体系,为产品的质量保驾护航; 完善工艺,保障接头处的可靠性,避免其成为整条管线的薄弱环节; 提高管体抵抗力破坏的性能; 开发快速修复技术和在线检测技术,完善产品的售后服务; 研发高端产品,进入海上油气田市场。 参考文献 [1] 张玉川,新型RTP耐压管材的发展及应用[J],国外塑料,2008,126(1):74-77. [2] 张玉川,高压增强热塑性塑料管[J], 国外塑料,2008,126(10):42-45. [3] 田建峰,王兴龙,常永峰,等.柔性复合高压注醇软管在长庆油田的应用[J],石油化工应用,2008,27(5):86-88. [4] 季明慧,芳纶纤维增强塑料管在油气管网中的应用[J],油气储运,2004,23(12):57-59. [5] 季明慧,芳纶纤维增强塑料管产品设计方法[J],管道技术与设备,2006,(2):25-32. [6] API RP 15S.Qualification of Spcolable Reinforced Plastic Line Pipe [S]. [7] ASTM D 2992, Standard practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for ‘Fiberglass’(Glass-Fiber-Reinforced Thermoselting-Resin) Pipe and Fittings[S]. [8] ASTM D 1599,Standard Test Method for Resistance to Short-Time Hydraulic Pressure of Plastic Pipe,Tubing,and Fittings[S]. [9] 韩方勇,油气田常用非金属管道标准体系研究[J],是有规划计划,2009,20(3):4-7. [10] 张玉川,王德禧,吴念。增强热塑性塑料(RTP)复合管材的发展[J],上海建材,2007,(1):20-22.

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