庄贵涛，樊学华，杨 阳，许立宁，谷 丰，路民旭

（1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京100085；2.北京科技大学新材料技术研究院，北京100083）

高含盐CO2工况下环氧玻璃钢管的环境兼容性

庄贵涛1，樊学华1，杨 阳2，许立宁2，谷 丰1，路民旭2

（1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京100085；2.北京科技大学新材料技术研究院，北京100083）

采用DN100芳胺固化环氧玻璃钢管材为试验研究对象，在实验室条件下进行模拟高盐度、不同温度下CO2介质环境中的老化试验，并通过测定分析玻璃钢管材老化前后的环向拉伸断裂强度、巴氏硬度等性能的变化，研究了不同的盐度及温度对玻璃钢管材物理力学性能的影响。结果表明，温度、盐度等因素对于玻璃钢的拉伸强度和巴氏硬度影响不大。

玻璃钢管道；环境兼容性；环向拉伸断裂强度；巴氏硬度

环氧玻璃钢管（Glass Reinforced Epoxy，缩写为GRE）是玻璃纤维增强塑料的一种，是指用玻璃纤维增强特定的树脂而形成的复合材料［1］，玻璃钢管道质量轻、强度高、耐蚀性好、绝缘耐温性能优良，具有良好的工艺性和可设计性等特点，在供水、储油、输油等领域得到广泛应用［2-6］，在部分油田的采出系统管道也得到推广和应用，取得了显著的经济效益。

但玻璃钢在油田系统中应用，也出现了各种问题，造成失效［7-12］。GRE是高分子复合材料，具有易老化的缺点，因长期在高温、高潮湿状态下工作，其强度下降很快。因此关于GRE管材在高盐度、不同温度的CO2介质环境中的抗老化能力的研究具有十分重要的意义。

本工作采用DN100芳胺固化环氧玻璃钢管材为试验研究对象，在实验室条件下进行模拟高盐度、不同温度下CO2介质环境中老化试验，并对老化前后的环氧玻璃钢管材进行拉伸强度、巴氏硬度分析测试，研究玻璃钢管的抗老化能力。

1 试验

1.1 试验材料和设备

选用DN 100 mm芳胺固化环氧玻璃钢管作为试验材料，材料主要结构如图1所示。

其中R代表：

图1 DN 100 mm芳胺固化环氧玻璃钢管材主要结构Fig.1 The main structure of GRE pipe（DN100）cured by aromatic amine

根据NACE TM0298标准［13］，将玻璃钢管段切割成7根600 mm长的管段（如图2），作为环境兼容（老化）试验试样；并将每段管段相毗邻处切割200 mm长的管段7段，作为对比（未老化）试样。环境兼容试验完成后，根据ASTM D2290标准［14］将每段已老化以及未老化的管段切割成圆环试样（如图3），作为环向拉伸试验试样。

图2 环境兼容试验管段Fig.2 Test pipes of environmental compatibility experiment

图3 环向拉伸强度试样Fig.3 Test specimen of tensile strength

环境兼容试验装置采用自制密封装置，装置分为三部分，包括上下两端堵头和螺旋拉杆（如图4、图5）。试验温度参数由热电偶和温度控制箱控制，试验过程中压力参数控制由加压泵和减压阀实现。环境兼容试验后，DN100芳胺固化环氧玻璃钢管老化前后力学性能损失测试设备为万能拉伸试验机以及巴氏硬度计。

1.2 试验条件及方法

环境兼容试验条件列于表1，试验溶液成分列于表2，pH=5.2，通过NaCl调节盐含量。

图4 自制试验装置上下堵头Fig.4 The upper and under plugs of experimental device

图5 试验装置通气Fig.5 Ventilating to experimental device

表1 环境兼容试验条件Tab.1 Test parameters of environmental compatibility experiment

表2 试验溶液的主要成分Tab.2 Composition of test solution

环境兼容试验后，进行环向拉伸强度测试和断口分析。环向拉伸测试加载速率为2 mm/min。拉伸试验夹具根据ASTM D2290标准［14］制作，如图6。试验结束后，观察断口形貌。测试腐蚀前后试样的巴氏硬度变化，巴氏硬度计型号为HBA-1。

图6 拉伸试验夹具模型Fig.6 The model of tensile test fixture

2 结果与讨论

2.1 玻璃钢管材的性能分析

2.1.1 环向拉伸断裂宏观形貌

环向拉伸强度是玻璃钢管道力学性能的重要参数。按照ASTM D2290标准［14］的方法采用万能拉伸试验机以2 mm/min的加载速率测定老化前后芳胺固化玻璃钢管材的拉伸强度，拉伸试样断裂如图7所示。由图可知，未腐蚀试样与各种工况下腐蚀试样的断裂形式基本相同，试件均在开始断裂前发生了外圆表层的脱粘和剥落现象。

图7 DN 100芳胺固化环氧玻璃钢试样老化前后断裂形貌Fig.7 The fracture macro-morphology of GRE specimens（DN100）cured by aromatic amine before and after ageing

2.1.2 环向拉伸断裂强度

未老化试样的环向拉伸断裂强度结果如表3所示，老化试样在不同温度并四种不同盐度的CO2饱和溶液中老化后测定的环向断裂强度如表4所示。由表3可知，未老化试样的拉伸断裂平均值为383.79 MPa。表4中各种工况下测试的三个试样的平均环向拉伸强度值相差很小。由老化及未老化试样的拉伸断裂强度结果可知，两者的数值差异很小。因此，在该CO2介质中，温度、盐度的工况对玻璃钢环向拉伸强度影响很小。

2.2 巴氏硬度分析

根据国家标准GB/T 3854［16］，使用HBa-1型巴氏硬度计测试老化前后芳胺固化环氧玻璃钢管材的内表面巴氏硬度。未老化试样的巴氏硬度试验结果见表5。试样在不同温度并不同盐度的CO2饱和溶液中老化后测试的巴氏硬度如表6所示。由表6可知，温度对芳胺固化环氧玻璃钢的巴氏硬度影响很小，同时，盐度对芳胺固化环氧玻璃钢管的巴氏硬度的影响也很小。这一结果与玻璃钢试样环向拉伸断裂宏观形貌、拉伸断裂强度结果相吻合。

2.3 讨论

在40℃、盐度300 g/L，55℃、盐度300 g/L，70℃、盐度300 g/L，90℃、盐度300 g/L以及85℃、盐度100 g/L，85℃、盐度200 g/L，85℃、盐度350 g/L，7种试验条件下，在200 kPa的CO2饱和溶液介质中，经过环向拉伸断裂后，宏观断口形貌基本相同，环向断裂强度变化很小，并且老化后及未老化的试样断口形貌也基本相同。老化后玻璃钢管材的断裂强度没有明显减小，断口形貌没有明显差异，说明该玻璃钢管材具备很高的抗老化能力。对试样进行巴氏硬度测试，结果表明，巴氏硬度变化很小，并且老化后及未老化的试样巴氏硬度的变化也很小。老化后玻璃钢管材的巴氏硬度没有明显减小说明该玻璃钢管材具备很高的抗老化能力。

表3 未老化试样环向拉伸断裂强度Tab.3 Tensile fracture strength of specimens before ageing

表4 已老化试样环向拉伸断裂强度Tab.4 Tensile fracture strength of specimens after ageing

表5 未老化试样巴氏硬度值Tab.5 Barcol hardness values of specimens before ageing

表6 已老化试样巴氏硬度值Tab.6 Barcol hardness values of specimens after ageing

3 结论

利用环境兼容性试验，研究了环境温度、盐度等因素对于试验玻璃钢管材老化程度的影响，得到如下结论：

（1）在CO2分压200 kPa，温度85℃，100～350 g/L盐含量范围内进行老化试验，玻璃钢管材的环向拉伸强度、巴氏硬度无明显变化，该玻璃钢管材在高盐度CO2介质环境中的抗老化能力很强。

（2）在CO2分压200 kPa，盐含量300 g/L，40℃～90℃温度范围内进行老化试验，玻璃钢管材的环向拉伸强度、巴氏硬度无明显变化，该玻璃钢管材在高温CO2介质环境中的抗老化能力很强。

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［15］ GB/T 3854-2005 增强塑料巴柯尔硬度试验方法［S］.

Environmental Compatibility of GRE Pipes in High-salty and CO2Conditions

ZHUANG Gui-tao1，FAN Xue-hua1，YANG Yang2，XU Li-ning2，GU Feng1，LU Min-xu2
（1.China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Beijing，Beijing 100085，China；2.Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Glass Reinforced Epoxy（GRE）pipes（DN100）cured by aromatic amine were tested in the ageing environment containing salt of high concentration at different temperatures.By measuring the change of properties before and after ageing，iccluding hoop tensile fracture strength，Barcol hardness etc.，the effects of salt concentration and temperature on the mechanical properties of GRE pipes were studied.The results showed that factors such as temperature and salinity had little effect on the hoop tensile fracture strength and Barcol hardness of GRE.

GRE；environmental compatibility；hoop tensile fracture strength；Barcol hardness

TB332

A

1005-748X（2015）09-0824-04

10.11973/fsyfh-201509006

2014-12-19

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项项目（2011E-2503）

樊学华（1985-），工程师，硕士，从事油田地面工程焊接、材料选择及腐蚀防护方面的研究和设计工作，13811858344，fanxuehua＠cpebj.com