玻璃钢管道的性能特点及其在油气田中的应用.pdf

塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）54玻璃钢管道的性能特点及其在油气田中的应用丁琦1,2（1.浙江华友钴业股份有限公司，嘉兴 314500；2.广西华友管理有限公司，玉林 537000）摘要：玻璃钢管道在性能上优于金属管道，其内壁光滑，不易与运输介质发生反应，较小的导热系数降低了输送中的热量损失，质量轻强度高，安装施工较为便利。玻璃钢管道在酸性油气田环境中的安全运输、安全生产年限达几十年。但通过实际测量发现，玻璃钢管道在运行中存在老化问题，可通过严控管材质量、完善生产标准、严格监管施工等方式改善。应更加关注玻璃钢管道的安全运行和管输能力，不断优化玻璃钢管道品质和性能，为油气田高效稳定生产提供保障。关键词：玻璃钢管道；性能；油气田；应用 doi：10.3969/j.issn.1671-6294.2023.02.00013Performance Characteristics of Glass Fiber Pipes and Their Application in Oil and Gas FieldsDing Qi1,2(1.Huayou Cobalt Co.,Ltd.,Jiaxing 314500,China;2.Guangxi Huayou Management Co.,Ltd.,Yulin 537000,China)Abstract:Compared with metal pipes,glass fiber pipes have more advantages,especially their inner wall is smooth and not easy to react with the conveyed medium.In addition,the smaller thermal conductivity reduces the heat loss during transportation,and the light weight and high strength make them more convenient for installation and construction.Such excellent performance makes it safe to transport in sour oil and gas field environment even for over decades.However,through actual measurement,it is found that the aging problem during operation of glass fiber pipes can be improved by strictly controlling the pipe quality,completing production standards,rigorously supervising construction,etc.In the future,more attention should be paid to the safe operation and transportation capacity of glass fiber pipe lines,and the quality and performance of glass fiber pipes should be continuously optimized to ensure efficient and stable production of oil and gas fields.Keywords:glass fiber pipe;property;oil and gas field;application收稿日期：2022-11-02天然气和石油是重要的工业能源，其性质的特殊使得管道运输成为运输的重要方式。长期以来，人们使用金属管道进行油气运输，但其在使用中存在耐腐蚀性差、寿命有限、后期运维成本高等问题，一旦油、气因管道受损发生泄漏，不仅会造成资源的浪费，更会引发爆炸、火灾等事故，甚至造成严重的生态污染。世界各国都在积极寻找性能优异的替代管材，非金属管道逐渐成为研究重心，其中玻璃钢管道以出色的耐腐蚀性能成为良好的替代品。中国自 20 世纪 80 年代起，55开始引入玻璃钢管道设备，在油气田安全运输保障中发挥了重要作用。玻璃钢管道不仅解决了金属管道易腐蚀的问题，还能在腐蚀环境中保持稳定的性能，保障使用过程相对安全。但玻璃钢管道并非完美无瑕，产品的参数、接头处理、施工等问题依然直接影响管道的运输效益。玻璃钢管道生产及施工企业仍需加强环节把控，严格落实管道质量问题，大力推动非金属管材的长远发展。1玻璃钢管道1.1玻璃钢管道的组成玻璃钢管道最初是为解决金属管道腐蚀问题而研制的，随着研究的深入，玻璃钢材质不仅延长了管道使用寿命，也提升了管道运输能力，成为油气田管道运输的新型复合材料。玻璃钢由玻璃纤维和合成树脂复合而成，根据树脂材料的不同，可分为聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、玻璃钢夹砂、酚醛玻璃钢等1。其中，玻璃纤维在结构中起支架作用，是玻璃钢的主要力学性能承受者，保障了整体材质的抗冲击性和耐热性能；合成树脂将玻璃纤维黏附成整体，提升了玻璃钢的耐腐蚀性、绝缘性及加工性能2。复合材料将两种原材料的特性最大化，并相互取长补短，产生 1+1 2 的效果。1.2玻璃钢管道的性能特点1.2.1优良的耐腐蚀性能普通金属管道在运输腐蚀性油气时，通常采用多种防腐蚀措施，如化学药剂、外涂保护剂、阴极保护等，但此类防护有一定的局限性。而玻璃钢管道自身含有的树脂基体具有较好的稳定性，能从根本上解决腐蚀问题，减少管道穿孔带来的经济损失。玻璃钢管道优秀的耐腐蚀性，大大延长了其在实际应用中的寿命，平均在 30 年以上。对得克萨斯州石油公司 1962 年安装的油气玻璃钢管道进行连续监测发现，在连续使用25年后，此管道的内表面光滑无腐蚀迹象，爆破压力、循环压力及拉伸强度等保留率均在正常使用范围，截至 2011 年该管道已正常运行 48 年，且仍可继续工作3。1.2.2质轻、比强度高玻璃钢管道属于自重轻、强度高的复合材料，其密度约为 1.62.0 g/cm3，仅为钢的 1/41/5、铝合金的 4/75/7。玻璃钢因含有连续的玻璃纤维，具有较高的比强度，为 A3 钢材的 35 倍。此外，玻璃钢材质的抗性较强，使管道在不同环向与轴向具备一定的强度。如表 1 所示。表1不同材质管道的密度、比强度及拉伸强度比较Tab.1Comparison of density,specific strength and tensile strength of pipes made from different materials材质密度/（gcm-3）拉伸强度/Pa比强度合金钢8.01 280160A3钢7.8540050铝合金2.8420160铸铁7.424032聚酯玻璃钢1.8290160环氧玻璃钢1.73500280酚醛玻璃钢1.82901601.2.3良好的耐热和抗老化性能玻璃钢管道可在-4080 环境下长期使用，胺类玻璃钢管道最高耐受温度为 135，使用温度可达到 93.3。当前，中国已具备生产耐热温度达 230 的玻璃钢管道的能力，通过添加高温树脂，能将玻璃钢管道的使用温度提升至160170 4。对于长期暴露使用的管道，可通过外层添加紫外线吸收剂的方式，延缓紫外线辐射引发的管道老化问题。1.2.4优异的水力学性能玻璃钢管道表面光滑，粗糙度远低于其他金属材质，是钢管的2.65%5.3%、铸铁管的1.77%（表2）。金属管道因内壁较为粗糙，摩阻系数较大，容易沉积污染物，进一步加快了腐蚀。而玻璃钢管相对光滑，水力摩阻较小，既不利于运输介质中菌类、污垢、蜡等杂质沉积，也减少了运输中的能量消耗，提升了油气运输的效率。有研究表明，玻璃钢管道输油能耗为普通钢管的 47.2%，平均每年节能约 1.93108 kWh3。1.2.5保温性能佳玻璃钢管道的热导率仅为 0.4 W/(mK)，约为普通钢管或铸铁管的1/100，保温性能较为优秀5。丁琦：玻璃钢管道的性能特点及其在油气田中的应用塑料助剂2023 年第 2 期（总第 158 期）56表2不同材质管道的粗糙度比较Tab.2Roughness comparison of pipes made from different materials材质粗糙度/mm新旧钢管0.10.20.2铸铁管0.30.85塑料合金复合管0.001约0.001玻璃钢管0.0053约0.00531.2.6耐磨性强在相同条件下，对不同材质管道进行 250 000次循环耐磨测试，结果表明，钢管磨损约8.4 mm，石棉水泥管磨损约5.5 mm，陶土管磨损约2.2 mm，而玻璃钢管仅磨损0.3 mm1。因而在正常使用情况下，运输介质对玻璃钢管道的磨损几乎可忽略不计。1.2.7加工性能良好玻璃钢管道可按照使用条件、运输介质等的不同，选择适宜的原料和工艺进行加工设计，从而生产出满足不同温度、压力及强度需求的产品5。1.2.8成本较低玻璃钢管道相比金属管道质量较轻，在安装运输上较为方便，节省了一定的人力成本。而且施工较为便捷，无须进行防锈保温等处理，在后期维护时也节省了检修费用。2玻璃钢管道在油气田中的应用2.1玻璃钢管道在油田集输上的应用油田集输包括集油、输油、注水、供水、注聚合物等方面。其中，集油管道以输送油井产出的油气水混合液为主，供水管道主要输送清水及含油污水，它们对管道压力没有明确要求；为提升油田采收率，通常采用井下注水方式以保持一定的油藏压力，因此对注水管道耐压能力有明确的要求，根据油田自身地质环境差异，输送管道压力维持在 1625 MPa。当前，油田普遍采用微生物驱、二氧化碳驱、油聚合物驱、三元复合物驱等采油方式提升出油率，这些化学试剂无形中加大了对钢质管道的腐蚀，而钢质管道中的铁离子会与介质中的聚合物发生反应，也降低了管道的驱油效果4。在油田输送中使用玻璃钢管道，不仅能维持注水管道压力，也能减少输送介质发生降解。随着各大油田进入二次及三次采油阶段，原油含水量激增，加剧了钢质管道的腐蚀和结垢问题。胜利油田调查研究发现，原油含水量达 90%以上，且溶有大量的氧气、硫化氢、二氧化碳、硫酸盐还原菌等，对钢质管道的腐蚀速率约为11.7 mm/a，局部可达 4 mm/a，钢质管道投产平均约 3 个月就会出现穿孔，一年后便会报废，即使有涂层等防腐处理和频繁的维修，管道寿命问题仍未得到根本解决。1994 年油田将原有钢管道更换为玻璃钢管道，不但管道压力和输送能耗有所下降，而且在连续运行 13 年期间并未发生自然穿孔。即使原油含沙量达 0.042%，玻璃钢管道仍可连续正常运行 19 年，甚至更长时间，改变了原有钢质管道耐砂磨冲刷能力差，投产不足半年就穿孔，不到一年就报废的状况1。玻璃钢管道虽然解决了传统管道不耐腐蚀的问题，但其在油田集输中仍会因管道性能下降而造成爆管或泄漏。荆炀和赵康比较了在役玻璃钢管道与未投用管道的性能，结果发现，在役 10 年的玻璃钢管道其拉伸强度、环向刚度、轴向拉伸模量、不可溶分含量、巴氏硬度等指标均有所下降，但均在正常使用范围内；但部分样本的树脂含量降低至临界值，导致对玻璃纤维的胶合能力变弱，基体与纤维层之间彼此分离，玻璃钢管道出现腐蚀及老化问题；而玻璃化转变温度与新的管道相比显著降低，表明玻璃钢管道在使用中受输送介质影响，分子间距离增大，树脂发生老化降解，最终造成管道失效6。张秉乾和张正棠对失效玻璃钢管道进行力学性能分析，发现玻璃钢管道中树脂质量分数降低，是造成管道力学性能降低、接口处失效的根本原因，综合分析造成管道泄漏的原因如下：其一，原油中含大量的砂石硬块和复杂成分，尖锐硬块和污染物在运输中不断磨损或腐蚀管壁，长此以往造成管体穿孔、开裂。其二，玻璃钢管道在制作过程中缺乏统一标57准，致使细小缺陷难以被检测出来，在腐蚀作用下慢慢发展为裂纹。其三，玻璃钢管道接口处会因地层温度变化或山体滑坡、地壳运动而发生脱扣，引发原油泄漏事故7。2.2玻璃钢管道在气田输送中的应用天然气是优质的清洁能源，其自身的特点决定了管道是最合适的输送途径。四川是重要的天然气产区，但气田中含硫量较高，其中川西北气田硫化氢含量为6.67%7.53%，川中气田为1.25%2.19%，川东气田为0.02%0.57%，这些酸性气体对金属管道具有腐蚀性。而且在气田开采后期，由于天然气储量下降，气田水产出会增加，气田水的高温环境及水中的硫根、氯根及硫化氢等酸性物质，会对钢质管道及设备造成不可逆的腐蚀。因四川气田频繁发生管道破裂、穿孔等事故，自 1992 年起蜀南气矿将管道更换为玻璃钢。张昆等比较了玻璃钢管道与无缝钢管的输气状况，发现玻璃钢管道水力摩阻较小，在输送腐蚀性天然气方面有明显的优势；在相同压力下，玻璃钢管道的输气量比钢管高 5%35%，且随着输气压力的增加，输气量增加率呈增大趋势，表明玻璃钢管道在输气方面的高效性2。但涛等为探究玻璃钢管道在富含硫化氢输气环境下的稳定性，对在役 164 个月的玻璃钢管道进行取样检测，结果表明管道外观未发现明显的变化；管道拉伸强度保留率为 88.1%，纤维拉伸强度保持较好；玻璃化转变温度和硬度结果显示，当前在役玻璃钢管道虽然在安全使用范围内，但玻璃钢基体树脂性能在缓慢下降，出现老化现象8。2.3玻璃钢管道在油气田应用中存在的不足2.3.1玻璃钢管道质量参差不齐影响玻璃钢管道运行效果的主要因素是原材料和加工工艺。玻璃钢管道由不同树脂和玻璃纤维制成，原材料的种类和配比决定了最终管道的质量。而且不同管道生产企业因设备和工艺水平的差别，难以保障管道的运行质量9。2.3.2玻璃钢管道缺乏完善质检当前，仅部分油气田或科研机构具备玻璃管材检验资质，对管道市场而言，缺乏统一的监管和检测机构，造成市场上的管道性能和质量各异，给管道安全运行留下了安全隐患。2.3.3玻璃钢管道施工验收不规范玻璃钢管道对施工环境及田间要求较高，部分施工队伍对产品特点不熟悉，硬物及重物硌压在施工中对管道造成了一定程度度的损坏。还有部分施工队在施工中拖拉管道，改变了管道的扭曲应力，长时间的扭曲状态极易造成管道爆破10。3展望玻璃钢管道在油气田安全运输中得到广泛应用，除提升油气采收量外，也降低了油气田频繁更换管道的经济损失，为油气产业做出了重要贡献。随着玻璃钢管道在市场中逐渐得到认可，其不足之处也逐渐被正视。在未来生产和施工各环节，需重视玻璃钢管道的质量把关，严格监督施工环节，减少人为失误造成的管道失效。参考文献1 陶佳栋,卢明昌,曾万蓉.玻璃钢管道在油气田的应用与发展J.石油管材与仪器,2017,3(5):1-4,8.2 张昆,夏永波,练章华,等.玻璃钢管道在四川气田的应用J.石油工程建设,2006,32(3):59-61,8.3 朱树兵,崔永峰,于兴龙,等.玻璃钢管线在英买力潜山原油集输中的应用J.油气田环境保护,2011,21(5):34-36,70.4 王浩,王宁.高压玻璃钢管道的性能特点及应用J.石油和化工设备,2021,24(4):82-84.5 李晓平,李愚,王茀玺,等.非金属复合材料管道综述J.石油工业技术监督,2017,33(10):1-4.6 荆炀,赵康.油田集输用在役玻璃钢管道性能测试及失效分析J.塑料工业,2021,49(3):118-121,125.7 张秉乾,张正棠.油气集输玻璃钢管道力学性能实验研究J.辽宁化工,2021,50(6):766-771.8 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