谭川江 ，燕自峰 ，吕戈 ，丁晗 ，许新武 ，王鹏 ，孔鲁诗 ，张兆 ，李厚补

(1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；2.中国石油集团工程材料研究院有限公司，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安 710077)

目前，我国油气的输送主要依靠金属管道来实现，不足之处在于金属管道容易遭受硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2)等腐蚀性介质的侵蚀，造成管线穿孔失效及油气泄漏。在引起酸性油气田设施腐蚀的众多因素中，H2S会导致金属管道发生硫化物应力腐蚀开裂(SSC)，且H2S的毒性也威胁着人身安全[1-5]。增强热塑性塑料管(RTP)具有耐腐蚀性能优异、连接接头少、便于运输、安装和维修、弯曲性能好、低水力摩阻、耐磨、延缓结蜡结垢等优异特点，在西部油田输水输油领域得到了大量的应用[6-11]。基于多方面考虑，西部某油田部分区块，例如：油气田高压、高含H2S区域开始考虑采用RTP管，代替同等规格的抗硫碳钢管线[12]。2000年，德国一家油气储运公司将芳纶纤维增强的RTP管作为燃气输送管道修复工程中，应用在压力10 MPa、介质为含硫化氢的湿天然气的输送[13]。2003年，RTP管在长庆靖边气田进行首次应用试验，被应用于单井注醇管道。2006年，苏里格气田大面积开发，小口径、低压力RTP管作为单井管道得到大胆尝试，取代了同口径无缝钢管，并取得成功。截止2008年，苏里格气田共计铺设RTP管63.8 km，运行正常[14]。随着煤层气田发展进入新的阶段，世界各国均着力开发更适宜煤层气田的非金属材料管材，例如：澳大利亚Surat，Bowen盆地煤层气田采气管线应用高密度聚乙烯(PE-HD)管材，国内山西沁水盆地煤层气田也对PE-HD管进行了推广使用并取得了良好效果[15]。

ISO/TS 18226-2006规定了RTP管用于输送气体燃料(轻烃)时，最大工作压力不超过4 MPa，工作温度范围为-50～120℃。加拿大CSA Z662-2007中规定RTP管用于输气输送压力不应高于9.93 MPa，且H2S分压应控制在50 kPa以内。GB/T 34903.1-2017 (等 同ISO 23936-1-2009)规定，在0～60℃范围油气集输环境中H2S对聚乙烯(PE)应无影响。国外RTP管主要应用于输送多相流体、气态烃、液态烃、油田化学品和非饮用水(API SPEC 15S-2016)，最高输气压力为9.93 MPa、适用的H2S分压最高为50 kPa (CSA Z662)。西部油田RTP管作为集输气管线运行温度不高，但高压、高含H2S管线占比高，其中输气管线运行压力高于9.93 MPa的占比达73.7%，H2S分压＞50 kPa的管线数量占比达50%，存在较大安全风险，亟需针对标准要求范围之外的含硫工况开展RTP管关键构件——PE-HD内衬层的适用性评价研究，为指导现场应用提供支撑。

1 实验部分

1.1 主要原料

RTP管材：RFY-I，RTP管为三层结构，内衬层为PE-HD，增强层为涤纶纤维工业长丝，外保护层为低密度聚乙烯，河北恒安泰油管有限公司；

H2S，CO2和N2：工业品，陕西亚泰气体有限责任公司。

1.2 主要设备与仪器

高温高压釜腐蚀测试系统：CORTEST型，美国Cortest公司；

超景深显微镜：Smart Zoom 5型，德国蔡司公司；

数码相机：SX620HS型，日本佳能公司；

电子密度计：ET-120SL型，北京仪特诺电子科技有限公司；

万能试验机：AGS-X10KN型，日本岛津公司；

邵氏硬度计(D型)：TIME5410型，北京时代之峰科技有限公司；

维卡软化温度测试仪：RV-300FW型，承德精密试验机有限公司；

傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪：NICOLET iS50型，美国Thermo Fisher公司。

1.3 模拟高压输气环境试验

采用机加工方法制备RTP管PE-HD内衬层拉伸哑铃型拉伸试样及块状试样，开展不同浓度H2S高压输气环境模拟试验，具体模拟试验条件见表1。

表1 模拟高压输气环境试验条件

1.4 性能测试与表征

外观形貌分析：采用数码相机和超景深显微镜分别分析模拟试验前后PE-HD内衬层样品的宏观和微观形貌。

密度按照GB/T 1033.1-2008测试，样品为块状，测试试验前后样品的质量、密度和体积，计算得到质量、密度和体积变化率。

拉伸强度按照GB/T 1040.1-2006测试，拉伸样品为哑铃型，受力方向为管材轴向，样品宽度为10 mm，拉伸速率为10 mm/min。

邵氏硬度(D型)按照GB/T 2411-2008测试。

维卡软化温度(VST)按照GB/T 1633-2000测试，测试方法为B50法(50 N，50℃/h)。

FTIR分析：采用衰减全反射法，以空气为背景，扫描范围400～4 000 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

模拟试验前后PE-HD内衬层样品的宏观形貌如图1所示。由图1可以看出，与原始样品形貌相比，不同浓度的H2S高温高压釜试验后，样品外观形貌整体保持完整，表现出良好的稳定性。但含H2S试验后样品表面呈淡黄色，这可能是由于高压状态下H2S分子通过渗透作用进入材料内部所致。

图1 模拟试验前后PE-HD内衬层样品的宏观形貌

模拟高压输气环境试验前后，PE-HD内衬层样品的微观形貌如图2所示。

图2 模拟试验前后PE-HD内衬层样品的微观形貌

由图2可看出，所有试验样品的微观形貌均保持完整，无溶蚀、起泡、开裂、孔洞等失效特征出现。

2.2 质量、密度和体积分析

模拟试验前后PE-HD内衬层样品的质量、密度和体积变化率见表2。

表2 模拟试验前后PE-HD内衬层样品的质量、密度和体积变化率 %

由表2可以看出，试验前后样品的密度基本无变化，体积和质量变化率也较小(低于1%)。与油介质不同[16]，高压H2S输气条件对PE-HD内衬层的溶胀作用较为有限。

2.3 力学性能分析

模拟试验前后，PE-HD内衬层样品的拉伸性能测试结果见表3。

表3 模拟试验前后PE-HD内衬层样品的拉伸性能测试结果

由表3可以看出，添加H2S气体后，样品的拉伸屈服强度略有下降，断裂伸长率和拉伸弹性模量均有一定程度的降低，表明PE-HD内衬层样品在高压、高含硫环境下的强度保持良好，但刚度和韧性明显下降。

2.4 邵氏硬度分析

模拟试验前后PE-HD内衬层样品的PE-HD内衬层样品的邵氏硬度(D型)测试结果见表4。

表4 模拟试验前后PE-HD内衬层样品的邵氏硬度(D型)测试结果

由表4可以看出，随着H2S浓度的增加，样品的邵氏硬度(D型)稍有增大。

2.5 VST分析

模拟试验前后PE-HD内衬层样品的VST测试结果见表5。

由表5可以看出，H2S的加入使得样品的VST略有增大。

表5 不同模拟试验条件PE-HD样品的VST测试结果 ℃

2.6 FTIR 分析

模拟试验前后PE-HD内衬层样品的FTIR谱图如图3所示。图3的FTIR谱图显示内衬层为PE，其特征峰在 2 917，2 846，1 462 cm-1和 718 cm-1处明显，说明化学结构没有发生明显变化。但2#和3#样品除PE特征峰外，还在797～1 260 cm-1处出现吸收峰，推测与H2S分子渗透进入PE-HD内部有关。

图3 模拟试验前后PE-HD内衬层样品的FTIR谱图

3 结论

(1)在模拟试验后，RTP管PE-HD内衬层样品的外观保持完好，质量、密度和体积变化不大，邵氏硬度和结构成分保持良好。

(2)在模拟试验后，RTP管PE-HD内衬层样品的拉伸屈服强度保持良好，但样品刚性和韧性明显下降。

(3)加入H2S使得样品的VST略有增大。

(4)在不考虑PE-HD气体渗透因素前提下，PE-HD可作为RTP管内衬层用于油气田集输气环境。