图 1 复合管穿孔部位的内部和外部宏观形貌
分享：某注水柔性复合管穿孔原因
西部油田某注水管线多为柔性复合管，制造执行标准为SY/T 6662.2—2012《石油天然气工业用非金属复合管 第2部分 柔性复合高压输送管》，输送介质为水[1-3]，运行温度约为45 ℃，最高运行压力为22 MPa。该管线于2017年9月26日投入使用，至2023年8月，共发生3次穿孔泄漏[4-7]。笔者对第1个管段进行室内检测，并采用宏观观察，密度、硬度、维卡软化温度、交联度测试，红外光谱分析，差示扫描量热法（DSC）分析和抗拉强度测试等方法分析穿孔的原因，结果可为油田用柔性复合管的生产与应用提供指导。
1. 理化检验
1.1 宏观观察和壁厚测量
复合管穿孔部位的外部和内部宏观形貌如图1所示。由图1可知：穿孔部位外保护层存在长度约为20 mm的孔洞，对应内衬层有穿透性孔洞，且开口朝向外壁方向。测量穿孔管段的壁厚，得到平均值为16.17 mm，可知该管段壁厚不满足SY/T 6662.2—2012标准的要求（17.0~17.6 mm）。
下载: 第1~4层纤维的宏观形貌如图2所示。打开外保护层，发现第1层纤维表面有沙土，第1~3层纤维呈棕褐色，在穿孔部位附近发生断裂。最内层纤维沿轴向发生断裂。图3是最内层纤维打开后的宏观形貌，发现穿孔部位的纤维呈棕褐色，内层断裂部位及其附近纤维硬而脆，且断口齐整，呈脆性断裂特征。图4为内衬层外表面宏观形貌。由图4可知：该内衬层外表面存在一条向下凹陷的轴向斑痕，与内层纤维的断裂形态基本一致，推断该管段发生穿孔泄漏的原因与内衬层存在缺陷有关[8-9]。
图5是穿孔管段内衬层穿孔附近外表面宏观形貌。可见，另外两根管段的穿孔位置内衬层外表面同样存在沿轴向的凹陷斑痕缺陷，具有与上述一样的特征。图6为第1个管段内衬层内、外表面宏观形貌，该管段的树脂缺失最为明显，内、外表面同时向中间凹陷，最小壁厚仅为本体厚度的1/2，而管体并未出现鼓包，说明壁厚减薄不是后期鼓包导致的，而是内衬层原始减薄缺陷或壁厚不足导致的。穿孔管段外保护层宏观形貌如图7所示，对其中两段穿孔管段外保护层喷码，就可以辨识出穿孔处位于管体同一轴线上，说明内衬层缺陷也在同一轴向的方位上。 
密度 硬度、维卡软化温度和交联度测试
依据GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的测定 第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》、GB/T 2411—2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》、GB/T 1633—2000《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》和GB/T 18474—2001《交联聚乙烯(PE-X)管材与管件交联度的试验方法》，采用液体比重瓶法、D型邵氏硬度计测试法和热变形与维卡软化点温度测定仪法（B50法）分别测试穿孔管段完好部位和穿孔部位内衬层的密度、硬度和维卡软化温度，结果如表1所示。由表1可知：该管段的内衬层完好部位和穿孔部位的密度没有变化，且满足GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统 第1部分：管材》中规定的聚乙烯混配料基础树脂密度不低于0.930 g/cm3的要求；穿孔部位的硬度和维卡软化温度均比完好部位偏低；内衬层的交联度平均值为13%，表明其材料为普通聚乙烯。
Table 1. 穿孔管段完好部位和穿孔附近内衬层密度、硬度和维卡软化温度测试结果
| 项目 | 密度/(g·cm−3) | 硬度/HD | 维卡软化温度/℃ | 交联度/% | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 完好部位 | 穿孔附近 | 完好部位 | 穿孔附近 | 完好部位 | 穿孔附近 | 内衬层 | |
| 试样1实测值 | 0.938 1 | 0.938 6 | 57.5 | 53.9 | 73.33 | 72.11 | 18 |
| 试样2实测值 | 0.938 4 | 0.938 5 | 58.1 | 54.1 | 74.9 | 72.69 | 8 |
| 试样3实测值 | 0.939 2 | 0.938 1 | 58.3 | 54.5 | 73.98 | 73.57 | — |
| 试样4实测值 | — | — | 57.1 | 53.5 | — | — | — |
| 试样5实测值 | — | — | 57.7 | 53.3 | — | — | — |
| 平均值 | 0.938 6 | 0.938 4 | 57.7 | 53.9 | 74.07 | 72.79 | 13 |
1.3 内衬层的红外光谱特征
采用红外光谱仪分别分析穿孔部位和完好部位内衬层的结构成分，结果如图8所示。由图8可知：聚乙烯的特征峰非常明显，化学结构没有发生明显变化，表明内衬层的材料是聚乙烯。图8中波数为1 070 cm−1处的特征吸收峰是穿孔部位被介质污染或溶胀作用导致的。
1.4 差示扫描量热法分析
依据GB/T 19466.6—2009《塑料 差示扫描量热法（DSC） 第6部分：氧化诱导时间（等温OIT）和氧化诱导温度（动态OIT）的测定》，采用差示扫描量热仪测试穿孔管段完好部位和穿孔部位的熔点、熔融焓和氧化诱导温度，结果如图9所示。由图9可知：完好部位熔点为133.37 ℃，熔融焓为114.6 J/g，氧化诱导温度为243.64 ℃；穿孔部位熔点为131.99 ℃，熔融焓为97.75 J/g，氧化诱导温度为244.68 ℃。对完好和穿孔部位树脂基体熔融焓的测试结果进行计算，得出完好和穿孔部位树脂基体的结晶度分别为39%和33.4%，即穿孔部位附近聚乙烯树脂的结晶度小于未穿孔部位，因而穿孔部位的韧性较未穿孔部位高。
1.5 热重分析
管段内衬层的穿孔部位、基体减薄部位和完好部位的热失重性能测试曲线如图10所示。由图10可知：穿孔部位内衬层试样在温度为150~450 ℃时出现了第一个失重台阶，这是因为服役后有溶胀作用的油气介质逸出，使材料发生微量失重，导致穿孔部位与减薄、完好部位内衬层的热失重存在较小差异，但内衬层不同部位的热分解温度基本一致，均为450 ℃左右。
1.6 内衬层和增强纤维的拉伸试验
依据GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》，采用超大行程试验机测试内衬层和增强纤维（完好与污染）的抗拉强度及断后伸长率，测试结果如表2所示，完好与污染增强纤维的拉伸试验曲线如图11所示。由表2可知：污染后增强纤维的拉伸性能出现显著降低[10-12]。
Table 2. 内衬层和增强纤维的拉伸试验结果
| 项目 | 内衬层 | 完好增强纤维 | 污染增强纤维 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 屈服强度/MPa | 断后伸长率/% | 最大拉断力/N | 断后伸长率/% | 最大拉断力/N | 断后伸长率/% | |
| 试样1实测值 | 20.66 | 688.09 | 84.49 | 17.28 | 67.57 | 3.76 |
| 试样2实测值 | 20.19 | 730.09 | — | — | — | — |
| 试样3实测值 | 19.80 | 703.50 | — | — | — | — |
| 试样4实测值 | 19.80 | 591.12 | — | — | — | — |
| 试样5实测值 | 20.28 | 688.95 | — | — | — | — |
| 平均值 | 20.15 | 680.35 | — | — | — | — |
2. 结论与建议
（1）该注水柔性复合管穿孔管段的壁厚不满足SY/T 6662.2—2012标准要求，内衬层材料为普通聚乙烯，属于I型柔性复合管，存在局部树脂缺失，在树脂缺失最严重处有开裂穿孔；受污染纤维的颜色变深，发生脆性断裂；外保护层和内衬层的同一位置处有穿孔。
（2）该注水柔性复合管内衬层在树脂缺失最严重处发生开裂穿孔，高矿化度介质渗透并转移至增强纤维层，在高压的情况下，增强纤维层最终不足以承受管体的压力而发生穿孔泄漏。
（3）建议加强柔性复合管生产、出厂和入场等过程的质量控制，严禁不合格产品进入油气生产运行环节。
来源--材料与测试网
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