增强热塑性塑料复合管在油气田的应用及关键性能控制建议

韩方勇 刘柳 刘清

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中油国际管道有限公司；3.中国石油天然气股份有限公司天然气销售黑龙江分公司）

1 增强热塑性塑料复合管在油气田应用情况和存在问题

非金属管材耐腐蚀、摩阻小、施工方便快速、节省工程投资，在油气田地面工程管道建设中已被广泛采用。增强热塑性塑料复合管（RTP）是一种可盘绕式非金属复合管材，国外于1970年开始研发应用，主要用于长距离输气、油气集输等管道工程中。我国于2000年前后开始开发这种管材，作为压力管道用于油气田各类流体的输送，目前应用范围主要为油田注水、注醇、集油、集气等管道工程。

随着产品制造和评定标准的不断完善及制造商技术能力和水平的不断提高，近几年RTP在油气田地面工程中得到了越来越多的应用[1-2]。对国内 13个油气田公司的统计表明，截至2018年底，共应用了RTP管道总长超过7 200 km。随着应用规模的增大，在油气田地面工程应用过程中也出现了多次失效事故，失效原因既有施工问题、质量问题，也有选材不当、生产条件变化超过设计范围等原因[3-4]。金属管道主要通过控制腐蚀速率、定期检查管材有效厚度、核算强度等措施，来预测和保障管道安全运行，保障预期寿命内的使用安全，强化管道的完整性管理；在役非金属管材缺少现场检测和评价手段，加强制管阶段的管材性能评价，是目前较为认可的质量管控措施。

2 RTP的结构

RTP一般采用三层结构，包括内衬层、结构层、外保护层。内衬层一般采用聚乙烯（PE）、交联聚乙烯（PEX）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）等聚合物材料，需根据输送介质和输送条件，考虑内衬材料的机械性能、物理性能、热性能、渗透性、相容性和老化性能。结构层是复合管的承压保障，应具有短期和长期承载能力、耐温能力、流体相容性、抗老化性能。目前，结构层主要采用聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等非金属材料或钢丝、钢带等金属材料。外保护层主要功能是保持管道安装运输过程中以及工作条件下的外部完整性，一般也选用聚合物材料，同内衬层一样，根据管道操作条件和环境条件，考虑材料的机械性能、物理性能、热性能和渗透性，同时，由于接触外部环境，还应考虑耐候性。

3 RTP的制造、评定、检验要求

我国主要有两个用于石油行业的 RTP产品标准，一个是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》，该标准包含结构层为非金属材料及金属材料的复合管；另一个标准是SY/T 6662.4—2014《石油天然气工业用非金属复合管 第4部分：钢骨架增强热塑性塑料复合连续管及接头》，该标准仅是针对增强材料为钢材质的复合管。这两个标准主要规定了管材的分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、储存和安装等要求，用于RTP的生产和出厂检验等。

另外，我国还有适用于 RTP的产品评定标准SY/T 6794—2018《可盘绕式增强塑料管线管》，该标准使用重新起草法修改采用API 15S：2016《可盘绕式增强塑料管线管》。该标准规定了管材及接头的材料、制造、评定、性能、运输及存储等要求，从管材结构、材料选用、设计验证、性能评定等方面给出了管材的评定要求。

同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》和SY/T 6662.4—2014《石油天然气工业用非金属复合管 第4部分：钢骨架增强热塑性塑料复合连续管及接头》相比，SY/T 6794—2018《可盘绕式增强塑料管线管》提出了RTP的评定方法及具体做法。特别是提出了采用 ASTM D2992《玻璃纤维增强热固性树脂管及接头静液压和压力设计基础操作规程》方法 B，通过长期静水压试验确定管材使用寿命下的允许使用压力，完善了增强热塑性塑料复合管的设计评定，是对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》和 SY/T 6662.4—2014《石油天然气工业用非金属复合管 第4部分：钢骨架增强热塑性塑料复合连续管及接头》的重要补充和提升。

另外，SY/T 6770.5—2016《非金属管材质量验收规范 第 5部分：纤维增强热塑性塑料复合连续管》规定了外观与尺寸的检查方法及误差要求、性能指标及要求（包括短时静水压强度、爆破压力、径向压缩性能、弯曲性能、轴向拉伸性能、提高温度性能、存活试验等）、试验检验方法及检测规则。同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》和 SY/T 6662.4—2014《石油天然气工业用非金属复合管 第4部分：钢骨架增强热塑性塑料复合连续管及接头》相比，该标准规定了提高温度性能和1 000 h存活试验的要求，但对于按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》和SY/T 6662.4—2014《石油天然气工业用非金属复合管 第4部分：钢骨架增强热塑性塑料复合连续管及接头》生产的 RTP，由于产品标准中未规定长期性能评定的要求，在无管材长期静水压试验回归置信下限（LCL）的情况下，无法确定 LCL下1 000 h的对应压力。

4 RTP关键性能指标测试

油气田应用非金属管材要确保工程设计寿命内不发生失效事故，就需要保证RTP在使用条件（压力、温度、寿命）下的强度。短时爆破强度试验可以测试RTP的短时强度性能，评价管材的承压能力；长期静水压试验可以测试管材不同压力下的失效时间，预测管材的寿命。这两个参数也是 SY/T 6794—2018《可盘绕式增强塑料管线管》评价RTP的主要内容，是评价管材的关键性能指标。为此，针对不同增强材料的 RTP，开展了短时爆破强度和长期静水压试验。

针对聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维3种增强材料的 RTP，进行了常温（25 ℃）和 65 ℃下爆破强度的对比测试。测试结果表明，当温度从25 ℃升高至65 ℃后，3种增强材料的复合管材，其管材承压能力均明显下降，下降幅度为17.4%～21.2%，具体见表1。

表1 不同温度下增强热塑性塑料复合管短时爆破强度变化

管材短时爆破强度随温度升高而降低，表明采用常温下的爆破强度作为产品评定指标具有一定的风险，在现场使用温度高于测试温度的情况下，存在承压能力不足导致现场管道失效的隐患。以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》和SY/T 6662.4—2014《石油天然气工业用非金属复合管 第4部分：钢骨架增强热塑性塑料复合连续管及接头》规定的常温下的短时爆破强度作为应用依据存在适用条件不当的问题，采用SY/T 6794—2018《可盘绕式增强塑料管线管》推荐的65 ℃长期静水压试验评定管材允许使用压力作为管材选型依据更为可靠。

按照ASTM D2992方法B的要求，管材的长期静水压试验点应不少于18个，且试验点的分布应满足表2的要求。

表2 ASTM D2992长期静水压试验点要求

按表2要求对某增强热塑性塑料复合管进行了长期静水压试验，置信下限回归曲线见图1。

由图1可以看出，该管材试验压力的对数和试验时间的对数具有很好的线性，回归出的置信下限可用于测算预期寿命下的失效压力。

5 认识及建议

短时爆破强度和长期静水压是评价RTP的关键性能指标，应作为工程应用的重要依据。RTP的短时爆破强度能够在一定程度上体现管材的承压能力，但常温下的测试结果不足以指导工程设计选用，工程选用应以工程设计温度下的强度作为依据。因此，对以短时爆破强度作为设计依据的管材，建议制造商通过试验提供管材不同温度下的允许使用压力，为工程应用提供依据。

工程建设的集中采购和招投标中应重视RTP性能评定。近几年，油气田企业开始对非金属管材进行集中采购管理，为了保障工程选用管材的长期稳定安全运行，应重视管材的长期性能评价要求，更好地做好供应商的评价和分级，从根本上控制好RTP的质量。