页岩气开采过程中存在多种腐蚀性物质，目前以硫酸盐还原菌（SRB）为主的微生物腐蚀会对管材产生较大的影响[1-4]，且管线在排污过程中长期处于湿热和高含CO2、Cl−环境，更易产生腐蚀失效，排污管道的腐蚀控制逐渐成为研究热点[5-8]。与传统金属管道相比，非金属复合管道具有许多优点，如：成本低、耐腐蚀、质量轻、摩阻系数较小、绝热/绝缘等[9-11]。
近年来，徐广丽等[12]研究了钢丝缠绕增强聚乙烯复合管在油田集输环境服役后的极限承压，利用复合管爆破压力公式预测了爆破压力。刘红卫等[13]通过数学模型对钢骨架增强塑料复合管的长期性能进行了分析，根据模型预测钢骨架复合管在20 ℃、11.9 MPa的状态下寿命可达50年。林宝清[14]利用浸泡实验研究了油田介质对聚乙烯材料和钢骨架聚乙烯复合材料性能的影响，发现钢骨架复合管对油田介质有很好的耐受性，且介质在实验初期对钢骨架复合管性能有影响，在6个月的实验后影响趋于稳定。司红涛等[15]分析了钢骨架塑料复合管在石油领域的耐腐蚀应用。齐国权等[16]的研究表明服役温度和承受的内压仍是制约非金属管使用的主要因素，材质耐温性能和承压性能是其适用性评价的重点。
目前，针对页岩气田排污工况下非金属管的性能研究还鲜见报道。为了评估非金属复合管在页岩气田输水环境下的老化机理及性能衰减规律，本研究选择目前使用较多的非金属复合管：纤维增强复合管（fiber-reinforced composite pipe，PFP）和钢骨架复合管（steel skeleton reinforced composite pipe，PSP）作为研究对象，采用加速老化的实验方法模拟页岩气田的排污腐蚀环境，分析管材相关性能的变化，并建立寿命预测模型对长时间服役管道的性能变化进行预测。
实验所用PFP为管道外径111 mm，壁厚11 mm，纤维增强层厚度接近0.5 mm，公称压力为6 MPa的管道。PSP为管道外径90 mm，壁厚10 mm，增强钢丝直径1.5 mm，压力4 MPa的管道。
实验前将管段切成长约110 mm的短节，短节两端面采用耐高温环氧树脂密封，避免介质从端部渗透进入管体内部造成损伤。
实验条件参考川南某页岩气区块工况，管线集输压力5 MPa，服役温度约30~40 ℃，CO2摩尔分数普遍低于1%，不含H2S，地层污水pH为6.0~7.5，含SRB等腐蚀细菌，矿化度高（10000~50000 mg/L）。
实验采用高温高压釜模拟页岩气田场站排污管线服役环境，对PFP和PSP进行水热加速老化（工况：温度为90 ℃，CO2分压为0.5 MPa，总压为5 MPa，模拟返排液及SRB参数见表1）浸泡实验，实验周期分别为15天、30天和45天。由于非金属管具有非均质性，各类指标众多，为系统反映管材性能损伤变化，主要从管材形貌、硬度、红外光谱/氧化诱导（化学稳定性）和力学性能等关键指标开展综合评价。
用扫描电子显微镜（德国ZEISS Sigma 300）观察实验前后两种管材内壁的微观形貌变化；用邵氏硬度计（荷兰INNOVATEST FALCON507）对试样的内壁硬度进行测定；用傅里叶红外光谱仪（德国布鲁克INVENIO R）分析试样的分子链结构，扫描范围为500~4000 cm−1；用热分析系统（瑞士梅特勒−托利多TGA/DSC2）对每组试样进行氧化诱导实验，测试得出氧化诱导时间（oxidation induction time, OIT）；按ASTM D2290:2024《塑料或增强塑料管表观坏向拉伸强度的标准试验方法》制备环向试样，用电子万能材料实验机（Instron 5985）进行环向拉伸强度测试。
在模拟页岩气田排污腐蚀介质环境、90 ℃高温加速老化实验工况下，实验后试样宏观、微观形貌如图1~图4所示。从图1和图2可知，除管道在加工运输过程中产生的初始外壁划痕损伤外，PFP和PSP在尺寸、材质宏观及微观形貌等方面均无显著变化，未发现明显的孔隙、裂纹、鼓胀等损伤缺陷。
实验前后试样邵氏硬度测试结果如图5所示。从图5可知，水热老化后两种管材的邵氏硬度值约63~66 HD，总体变化不明显，表明管材整体结构和内外保护层聚乙烯相对分子质量没有产生大的变化。
内壁材质红外光谱分析结果如图6所示。从图6可知，两种管材实验后的红外光谱图与初始的基本一致，主要峰位无明显变化，在波数730 cm−1附近为—CH2—平面摇摆振动峰，1470 cm−1附近为—CH2—弯曲振动峰，2850 cm−1附近为—CH2—对称伸缩振动峰，2920 cm−1附近为—CH2—反对称伸缩振动峰，HDPE本身所具备的结晶性正是引起摇摆振动吸收峰分裂成多重峰的主要因素。聚乙烯长分子链未发生断裂，对比发现纤维增强复合管水热老化30天后在1100 cm−1附近出现较明显的 C—OH 伸缩振动峰，表明老化过程中水分子通过扩散进入试样并形成了羟基，且钢骨架复合管更早出现老化迹象。随着时间推移，在1700 cm−1附近出现的C=O特征峰强度存在升高的趋势。这两种新官能团的出现，表明老化进行的过程中存在旧链的断裂以及新的官能团羟基、羰基的引入[17-19]。
采用差示扫描量热法（DSC）测定复合管保护层聚乙烯材料氧化诱导时间（等温OIT），结果见图7。
从图7可知，水热老化对于试样的氧化诱导温度影响较大，在老化15天、30天和45天后，氧化诱导时间降低明显，表明试样抵抗氧化的能力有所减弱，开始出现了分子链交联结构的破坏，链段的活性提升导致氧化诱导时间缩短[18-20]，这与红外光谱分析结果相吻合。
材质各项性能的损伤影响会总体反映在管体结构整体强度的变化上。现场非金属管的失效形式主要为破损或破裂，其服役安全与管体抗内压强度密切相关。为了进一步评估水热老化对两种复合管力学性能的影响，对老化前后的管材进行了力学性能检测。选择测试环向拉伸强度的方式来表征复合管的环向强度。拉伸后宏观照片如图8所示，拉伸结果如图9所示。结果表明：PFP强度和塑性整体高于PSP；随着水热老化时间的延长，复合管环向拉伸强度和等效抗内压强度降低，PFP等效内压降低约12.7%，PSP等效内压降低约20.4%，PSP强度性能衰减更显著，且在老化后出现了弹性模量降低的趋势。
按照GB/T 6111—2018 《流体输送用热塑性塑料管道系统 耐内压性能的测定》使用环向强度计算管体等效抗内压强度，计算公式见式（1），计算结果见表2。
式中：p为实验压力，MPa；σ为由实验压力引起的环应力，MPa；en为管材自由长度部分的公称壁厚，mm；dn为试样的公称外径，mm。
为了预测长时间服役环境下非金属管道强度，对不同老化/服役时间下的等效内压力进行曲线拟合，结果如图10所示。
PFP的等效内压力随时间变化的拟合曲线方程见式（2）。
PSP的等效内压力随时间变化的拟合曲线方程见式（3）。
式中：x为90 ℃下加速老化时间，天；y为对应老化时间后等效内压力，MPa。
目前，结合时温等效原理，即用高温、短时间的模拟实验预测低温度下材料的长期性能，已应用于橡胶、热塑性材料和复合材料等长期寿命预测。
时温等效原理方程见式（4）[21]。
式中：Δt为实验温度−服役温度，℃；tL为预测寿命，年；α为时温等效系数；tT为实验时间，天。
α取值0.075（依据API15S可缠绕增强塑料管线管），得出的复合管寿命预测方程见式（5）和式（6）。
PFP：
PSP：
式中：t为服役温度，℃；p1、p2为设定的管材内压力阈值，MPa。
根据管道的压力、强度安全系数，预测不同服役温度下管道的安全寿命。如取强度安全系数为1.2，即内压力阈值为1.2倍公称压力，对于PFP，压力为6 MPa，内压力阈值为7.2 MPa。由式（5）可计算出60 ℃服役环境下寿命为28年。对于PSP，压力为4 MPa，内压力阈值为4.8 MPa，由式（6）可计算出60 ℃服役环境下的管道预测寿命为23年。
加速老化工况下复合管虽然在微观分子层面出现了老化损伤迹象，但其未表现出明显的与排污工况介质环境的不适应性，由于其性能衰减是一个缓慢的过程，故理想情况假设在服役工况下仍具有较长的安全寿命。一般而言，由于非金属管良好的化学惰性，自然老化过程周期较长，有必要设置加速老化实验，同时，因其非均质特性，为有效评价管材性能，基于本研究的认识，建议可从材质尺寸形貌、化学稳定性、耐温性能和力学性能等关键指标开展评价，重点关注材质的强度和整个管体结构的强度变化，综合分析管材−介质−工况的适应性。
1） 模拟排污工况加速老化实验后，试样表面宏观、微观形貌未见明显孔隙、裂纹、鼓胀等损伤缺陷。邵氏硬度变化不明显，表明材质相对分子质量和结构未产生较大变化，总体上非金属管对排污工况下的CO2、细菌、高矿地层水等介质具有良好的耐蚀性能。
2） 随着在90 ℃高温下服役时间的延长，性能损伤主要表现材质分子结构的变化、氧化诱导时间和强度指标的降低，内在机理为分子链交联结构的破坏以及新的官能团羟基、羰基的引入。
3） 基于强度随时间衰减曲线拟合和时温等效原理构建了非金属复合管的寿命预测模型，在60 ℃服役环境下，PFP的预期服役寿命为28年，PSP的预期服役寿命为23年。综合评价结果表明，PFP对于页岩气排污工况具有更好的适用性能。
2024, Vol. 53 Issue (6): 74-79 2024, Vol. 53 Issue (6): 74-79