张秉乾，张正棠

油气集输玻璃钢管道力学性能实验研究

张秉乾，张正棠

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050）

油气集输用玻璃钢管道在地下使用过程中经常发生螺纹连接接头渗漏、脱扣、管体表面机械划伤、管壁磨损、内外部裂纹、老化分层、夹渣、孔隙、脆断开裂等失效事故。为了找出玻璃钢管道运行中可能存在的失效原因，采用差式扫描量热仪、水压试验机、材料试验机等试验设备，分别在现场截取了2009年投用的DN50、DN65、DN100、DN150、DN200以及新生产尚未投用的DN65玻璃钢管试样，利用上述试样对玻璃钢失效断口形貌、拉伸强度、硬度、玻璃钢转变温度、树脂质量分数、不可溶分质量分数进行测量。结果表明：玻璃钢管树脂质量分数与玻璃钢管道接头连接性能有关，树脂质量分数偏低导致树脂对纤维胶合作用降低，使得玻璃钢管力学性能降低，最终导致接口失效。

玻璃钢；力学性能；实验

目前，石油化工行业中采用管道运输介质大多采用金属管道，金属管道在使用中最大的问题是金属腐蚀，据统计由金属腐蚀给企业带来的经济损失、环境破坏、人员伤亡、资源浪费都是不可估量的[1]。玻璃钢管材料主要是树脂为基层材料，玻璃纤维作为增强材料，这样的设计具有可以耐内外壁腐蚀、材料密度小、内壁摩阻系数小流通效率高等一系列优点，因此玻璃钢被广泛应用于石油化工行业、市政排水、热力等领域。它与金属管道比较具有很多缺点，如玻璃钢管与金属钢相比强度低、不耐高温、易脆断等。

在众多玻璃钢研究当中发现，玻璃钢管道出现问题最多的地方是在螺纹连接接头处。连接接头主要承受着多种力，目前，国内学者大量研究主要都是基于有限元法利用ANSYS软件进行模拟以及实验室采用力学性能实验设备对力学性能、弯曲试验研究，而对玻璃钢检验检测方面除了一些单一的检测手段外尚无研究[2-6]，在玻璃钢管的连接方面今后需要考虑更可靠的连接方式，不仅能承管道内压引起的环向、轴向拉伸载荷，还要能受外部作用剪切载荷。

随着经济技术的快速发展，金属管道在工业等各个领域中使用时越来越多的缺陷暴露出来，这就迫使金属钢管道在这些领域需要不断地更新换代以找到合适的代替材料。目前，世界发达国家都在探索找到一种非金属管道材料来替代金属管材。欧、美、德等国家早在20世纪40年代就开始对非金属管道进行了大量研究，并制造了玻璃钢管道进行试验[7]。目前，国际上对非金属管道的研究越来越深入，而且近年来发展很快，年产量逐渐增加。我国的玻璃钢管道起步较晚，20世纪80年代末首次进行玻璃钢研究并引进玻璃钢管道制造装置，从此我国正式进行非金属管道的研究，非金属管道在工业应用领域开始了快速的发展。而玻璃钢管道在众多非金属管道中尤其在油气田大规模的应用脱颖而出，这在油气田管道使用中对减轻腐蚀、延长管道寿命、提高输送能力起到了不可估量的作用。

1 实验部分

1.1 现场取样

某油田因季节交替原因正在进行管道维修及更新过程，将出现问题的管道全部挖出进行替换，在失效管道中按照《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005）、《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》（GB/T 2577—2005）、《纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法》（GB/T 2576—2005）、《纤维增强塑料巴柯尔硬度试验方法》（GB/T 3854—2005）、《塑料 差示扫描量热法DSC》（GB/T 19466.2—2004）等标准分别截取2009年投用的DN50、DN65、DN100、DN150、DN200的失效管道试样，这些管道到目前为止正好已投用10年，现场取样如图1所示。在现场失效件取样中每种规格管道拉伸试验取5组试样并进行标记，硬度检测试验取2组试样并做好标记，玻璃钢转变温度试验取3组试样并做好标记，树脂质量分数检测试验取3组试样并做好标记，不可溶分质量分数检测试验取3组试样并做好标记。

图1 现场失效件取样

1.2 失效原因分析

所截取的5种不同规格的试样都发现有原油已经渗漏，如图2所示。

在清理渗漏周围原油后进行开挖，直至挖出泄漏的失效管道，从现场失效管道可以看出有管道螺纹脱扣、机械损伤、基体腐蚀、分层、裂纹、管本体被磨通，由于失效管被挖出后除了个别能清理出来用于实验研究，大多失效管表面被污染及损坏已无法清晰辨认伤口，只能依据被破坏的状态简单分析，具体造成可能泄漏的原因有如下：

1）制造过程存在的缺陷。由于玻璃钢管缺乏制造、安装检测标准规范，致使玻璃钢管在制造完毕后无法检测除了肉眼能看到的表面缺陷之外的内部缺陷，这些内部缺陷应力腐蚀，慢慢拓展为裂纹，进而引发泄漏。

2）由于玻璃钢的制造工艺是将玻璃纤维一层层缠绕到基体上，在输送中原油中腐蚀物渗透到基体与玻璃纤维界面层导致层层之间的黏结力减弱甚至破坏黏结力，这样就会形成孔隙或者裂纹，在应力作用下玻璃纤维脱落、分层，进而导致腐蚀液进一步扩展，直至破坏管本体。

3）因原油成分复杂多样，长期浸泡在原油中的基体会慢慢溶胀，原油的成分不是均匀单一的，被浸泡在原油中的基体所受污染程度也不一样，就会导致受污染严重的基体加速降解，致使基体强度削弱甚至老化，基体被破坏后原油中腐蚀物沿着基体慢慢浸入玻璃纤维层，最终导致管体穿孔、开裂泄漏。

4）原油中含有大量的砂石等尖锐硬块，在输送过程中这些尖锐硬块逐渐与管内壁磨损，磨损严重区域基体开始老化甚至开裂，使得原油中腐蚀物按照上述的机理慢慢向外腐蚀，最终导致管体开裂，出现渗漏、裂纹。

5）螺纹连接接头脱扣。玻璃钢油管螺纹接头处的脱扣失效是由季节性温差引起地温变化而导致的失效。因此必须掌握地温随季节性变化的规律。根据地下温度变化，底壳温度通常划分为4个地温带：温度日常变化带，该带温度受每天气温的影响，深度范围在1～2 m；温度季节变化带，该带温度受季节性气温的影响，深度范围在15～30 m；恒温带，通常用当地常年平均地面温度代替，深度范围在 30 m以下；增温带，在恒温带之下，地层温度随埋深的增加而升高。

由于玻璃钢输油管道埋在山里面，根据该地区的地质形貌，导致螺纹连接接头脱扣还有一个原因就是山体滑坡以及地壳运动，主要是山体滑坡给玻璃钢螺纹接头施加拉伸、剪切、弯曲应力，致使接头脱扣。

6）由于国内尚无统一的玻璃钢施工及验收标准规范，在现场施工中无标准约束，致使管道安装时存在大量的问题。在上述截取的5种规格试样中，其中一个失效管上方有一个直径约30 mm洞，直接导致原油喷出，在该失效件附近发现大量直径 20 mm以上的石子，玻璃钢管道在油田有一部分管道沿路铺设，而在山里行驶的大都是拉油重车，每当车经过都会对路面产生振动，管道就会沿着约束弱的一侧产生位移，时间久了该处就会发生磨损失效。

1.3 试样制备

试样制备按照《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005）、《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》（GB/T 2577—2005）、《纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法》（GB/T 2576—2005）、《纤维增强塑料巴柯尔硬度试验方法》（GB/T 3854—2005）、《塑料 差示扫描量热法DSC》（GB/T 19466.2—2004）标准中要求进行截取，如图3所示。

图3 标准试样

1.4 试验研究

1.4.1 轴向拉伸强度

在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格失效件上取5组试样，在未服役的DN65新管上取5组试样，试样规格：250mm×20mm×3mm；环境条件：温度23.5 ℃，湿度41% RH。依据《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005），利用拉伸试验机测量了玻璃钢管的轴向拉伸强度，结果如表1所示。由表1可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件与未服役新管件的轴向拉伸强度基本相当，试样为胺固化树脂玻璃钢，所有试样的玻璃钢轴向拉伸强度均满足标准要求。

表1 玻璃钢管轴向拉伸强度测量值

图4至图9为轴向拉伸强度实验图。

图4 DN50失效样轴向拉伸试验图

图5 DN65失效样轴向拉伸试验图

图6 DN100失效样轴向拉伸试验图

图7 DN150失效样轴向拉伸试验图

分别在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件上取5组试样，在未服役的DN65新管上取5组试样，试样规格250 mm×20 mm×3 mm，环境条件：温度23.5 ℃，湿度41% RH。依据《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005），利用拉伸试验机测量了玻璃钢管的轴向拉伸模量，结果如表2所示。由表2可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件与未服役新管件的轴向拉伸模量基本相当，试样为胺固化树脂玻璃钢，所有试样的玻璃钢轴向拉伸模量均满足标准要求。

表2 玻璃钢管轴向拉伸模量测量值

1.4.2 树脂质量分数

分别在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件上取3组试样，在未服役的DN65新管上取3组试样，试样规格：25 mm×25 mm×3 mm，环境条件：温度23.5 ℃，湿度41% RH。依据《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》（GB/T 2577—2005），对玻璃钢管的树脂质量分数进行测量，结果如表3所示。由表3可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件与未服役新管件的树脂质量分数均满足要求，DN100失效试样存在分层现象，由此判断树脂质量分数偏低将会使得基体及纤维层出现分层现象，玻璃纤维作为增强剂增强作用也会下降，因此树脂的质量分数将是影响玻璃钢管力学性能的重要指标，树脂质量分数偏低会导致玻璃钢管力学性能降低，树脂层分层引发失效，试样为胺固化树脂玻璃钢。

表3 玻璃钢管树脂质量分数测量值

1.4.3 不可溶分质量分数

分别在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件上取3组试样，在未服役的DN65新管上取3组试样，试样规格：（1±0.2）g；环境条件：温度23.5 ℃，湿度41% RH。依据《玻璃纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法》（GB/T 2576—2005），对玻璃钢管的树脂不可溶分质量分数进行测量，结果如表4所示。由表4可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件与未服役新管件的树脂不可溶分质量分数均满足要求，试样为胺固化树脂玻璃钢。

表4 玻璃钢管树脂不可溶分质量分数测量值

1.4.4 硬度

分别在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件上取2组试样，在未服役的DN65新管上取2组试样，试样规格：180 mm×20 mm×3 mm；环境条件：温度23.5 ℃，湿度41% RH。依据《纤维增强塑料巴柯尔硬度试验方法》（GB/T 3854—2005），对玻璃钢管的硬度进行测量，结果如表5所示。由表5可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件与未服役新管件的硬度值基本相当，试样为胺固化树脂玻璃钢，所有试样的玻璃钢硬度均满足标准要求。

表5 玻璃钢管硬度测量值

1.4.5 玻璃钢转变温度

分别在DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件上取3组试样，在未服役的DN65新管上取3组试样，试样规格：9.6 mg；环境条件：温度23.5℃，湿度41% RH。依据《塑料 差示扫描量热法DSC》（GB/T 19466.2—2004），对玻璃钢管的玻璃钢转变温度进行测量，结果如表6所示。由表6可知，DN50、DN65、DN100、DN150、DN200规格的失效件与未服役新管件的玻璃钢转变温度均满足要求，试样为胺固化树脂玻璃钢。

表6 玻璃钢管转变温度测量值

图10至图15为玻璃钢转变温度测试图。

图10 DN50失效试样玻璃转变温度（Tg）测试图

图11 DN65失效试样玻璃转变温度（Tg）测试图

图12 DN100失效试样玻璃转变温度（Tg）测试图

图13 DN150失效试样玻璃转变温度（Tg）测试图

图14 DN200失效试样玻璃转变温度（Tg）测试图

图15 DN65未服役试样玻璃转变温度（Tg）测图

通过上述实验研究分析，玻璃钢管道在地下服役可靠性是比较高的，除第三方破坏之外，正常使用玻璃钢管道在耐腐蚀、抗老化等方面性能还是比较优越的，这也是玻璃钢管道近期被大量推广的原因。

2 结 论

1）玻璃钢管树脂质量分数偏低导致树脂对纤维胶合作用降低，是玻璃钢管力学性能较低、容易失效的重要原因。

2）对于未服役和服役10年之后的玻璃钢管道，他们的玻璃钢转变温度都达不到标准要求，该实验还需进一步研究。

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Experimental Study on Mechanical Properties of FRP Pipes for Oil and Gas Gathering and Transportation

,

（Gansu Province Special Equipment Inspection and Testing Institute, Lanzhou Gansu 730050, China)

Failure accidents such as leakage of threaded joints, trip, mechanical scratches on the surface of the pipe body, wear of the pipe wall, internal and external cracks, aging stratification, slag inclusions, pores, brittle fracture and cracking, are common in the underground use of FRP pipes for oil and gas gathering and transportation. In order to find out the possible causes of failure in the operation of FRP pipes, using differential scanning calorimeter, hydraulic testing machine, material testing machine and other test equipment, intercepting samples of DN50, DN65, DN100, DN150, DN200 that were put into use in 2009 and DN65 glass steel pipe samples that have not been put into use in new production,the failure fracture morphology, tensile strength, hardness, glass fiber reinforced plastics transition temperature, resin mass fraction, and insoluble content mass fraction of FRP samples were measured. The results showed that the resin mass fraction of glass steel tube was related to the connection performance of FRP pipe joints, and the low mass fraction led to the decrease of resin bonding effect on fiber, which led to the low mechanical properties of glass steel tube, and finally led to the failure of interface.

Glass fiber reinforced plastic; Mechanical properties; experiment

2020-08-20

张秉乾（1987-），男，甘肃省兰州市人，工程师，硕士研究生， 2011年毕业于兰州理工大学过程装备与控制工程专业，研究方向：压力管道、压力容器检验检测。

张正棠（1989-），男，工程师，硕士，研究方向：压力管道、压力容器检验检测、非金属管道研究。

TQ050.4+2

A

1004-0935（2021）06-0766-06