油气田用复合材料管材的水压试验.pdf

2 01 0拄 第 4期 管 技 木 P i p e l i n e Te c hn i q u e 2 01 0 No ． 4 油气 田用复合材料管材的水压试验 丁楠 ， 戚 东涛， 蔡 雪华， 傅佳佳 中国石油集团石油管工程技术研究院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 摘要 文中 介绍了国内外油气田使用的复合材料管材的水压试验方法。通过对国内外有关标准中 规定的短时水压失效试验 、 静 水压试验和循环压力试验方法的分析和比较 ， 阐述 了水压试验对复合材 料 管材质量控制的意义， 并对复合材料 管材质量控制 中采用的水压试验方法提 出了建议。 关键词 水压试验 ； 复合材料 ； 管材； 油气田 中图分类号 T B 3 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 0 o 4 0 0 5 l 一 0 4 Hy dr a ul i c Te s t s o f Co mp o s i t e Pi pe Us e d i n Oi l a n d Ga s Fi e l ds D I N G N a n ， Q I D o n g t a o ， C A I X u e h u a ， F U J i a - j i a C NP C T u b u l a r G o o d s R e s e a r c h I n s t i t u t e ， X i ’ a n 7 1 0 0 6 5， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e h y d r a u l i c t e s t s o f c o mp o s i t e p i p e u s e d i n o i l a n d g a s fi e l d s ． T h e t e s t i n g me t h o d s a n d t h e s i g n i fi c a n c e o f s h o r t - t i me h y d r a u l i c p r e s s u r e ， t h e c o n s t a n t i n t e rn a l p r e s s u r e a n d t h e c y c l i c p r e s s u r e o f d i ff e r e n t s t an d a r d s a r e c o rn‘ p a r e d ． S u g g e s t i o n s o n h y d r a u l i c t e s t s f o r q u a l i t y c o n t r o l are g i v e n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c t e s t ； c o mp o s i t e ma t e r i a l ； t u b u l ar g o o d s ； o i l a n d g a s fi e l d 0引言 由于复合材 料管材 具有 耐蚀 、 承压 能力 高 的特 性 ， 目前 已经在国内油气田油气集输 、 污水输送 和注 醇注水等管线上得到了大量应用， 并取得 了令人满 意 的效果 J 。国内油气田使用的复合材料管材种类很 多 ， 常用的主要有玻璃纤维管 即通常所说的“ 玻璃钢 管” 、 钢骨架塑料复合管 、 增强热塑性塑料复合管 包 括柔性高压复合管 和塑料合金 复合管等 ， 而且复合 材料管材生产厂家也很多 ， 但是与之相对应的检测标 准体系则相对滞后 ， 特别 是新材料、 新产品、 新检测方 法的标准制定滞后 ， 管道的设计 、 施工 、 验 收、 使用及 维护的过程中没有统一的规范 ] ， 亟需建立统一的行 业标准 ， 对管材性能进行控制 ， 规范油气 田复合材料 管材市场。 油气 田的使用条件 特殊 ， 如 高温 、 高压 、 高流速 、 多相流 、 腐蚀性介质等 ， 为了保证管材 的服役可靠性 ， 必须对复合材料管材的力学性能进行严格的控制。 由于复合材料本身的非均质性和管道结构的复杂性， 依靠小型试样的力学试验无法准确预测实际管材的 承压能力。因此， 只有对复合材料管材进行实物试样 的内压强度测试， 才能合理地对其力学性能进行评 收稿 日期 2 0 0 90 9 2 5 价 ， 进而为复合材料管材 的产品设计 、 质量检验和失 效分析等提供数据基础。 1 水压试验方法 在各种内压强度测试方式 中， 由于水压试验相对 安全 ， 对设备要求也 比较低 ， 因此被广泛采用。 目前 ， 国内外油气 田用复合材料管的产品标准中都包括了 水压试验的相关要求 ， 见表 1 【 6 。 表 1 油气 田用复合材料管材水压检测 低压 玻璃 纤 维 管／ S Y ／ T 6 2 6 6等 同 A P I S P1 5 L R 高压玻璃纤维 管 ／ S Y／ T 6 2 6 7等 同 A P I S P1 5 HR 柔性复 合高压输送 管／ S Y ／ T 6 7 1 6 增强热 塑性塑料 复 合ff／ A P J R P1 5 S 塑料合 金 复合 管／ HG ／T 4 08 7 钢骨架增强聚 乙烯 复合管／ S Y ／ T 6 6 6 2 As T M D 1 5 9 9 AS TM D 2 9 9 2 AST M D 21 3 4 AS TM D 1 5 9 9 AS TM D 1 5 9 9 GB ／ T 5 3 51 AS T M D 2 9 9 2 一 GB ／ T 61 I 1 一 AS T M D 2 9 9 2 一 GB／ T 6 1 1 1 一 从表 1中可以看 出， 不同类型的复合材料管材的 水压实验要求并 不一致 ， 而 且对 于一些 比较新 的产 5 2 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t J u 1 ．2 01 0 品， 如柔性复合高压输送管 可归类于“ 增强热塑性塑 料复合管” ， 国内外的标准要求也不相 同。复合材料 管材常用的水压试验 的主要形式有 3类 ， 即短时水压 失效试验 、 静水压试验和循环压力试验。文 中以表 1 中列出的标准为主要依据， 分别对这 3类试验进行介 绍。 1 ． 1 短时水压失效试验 短时水压失效试验 S h o r t ． T i m e H y d r a u l i c P r e s s u r e T e s t 也称为水压爆破试验 ， 是 目前生产厂家和油气 田 在产品测试中最常使用的一种检测方法 ， 即在试样 内 部连续增加水压使其在短时 内失效的试验。通过这 种试验可获得失效压力 、 “ 压力 一 形变” 曲线等数据。 目前 ， 油气田用复合材料管的水压爆破试验主要 是参照标准 G B ／ T 5 3 5 l “ 纤维增强热 固性塑料管短时 水压失效压力试验方法” l 】 和 A S T M D 1 5 9 9 “ 塑料管 及管配件的短时间破裂强度试验方法” l 】 进行的， 其 中 G B ／ T 5 3 5 12 0 0 5是 参 考 A S T M D 1 5 9 98 8 1 9 9 5 制定的， 因此这两个标准的最新版本 中对试验 细节的规定基本相同。值得注意的是 ， 两个标准 中均 要求 以均匀 、 连续的方 式增加试样 内部水压 ， 而且试 样的失效时间 即试 验时间 必须在 6 0～7 0 S之间。 当试样容积大或易膨胀时 ， 为了保证有足够的升压速 率使试样在 7 0 s 内失效， 要求试验设备单位时间内必 须提供足够 的注水量 ； 而 当试 样容积小 或不易 膨胀 时， 为了保证试样不会 过早发生失效 ， 要求试验设备 单位时间内的注水量要少 。因此 ， 试验设备应具有增 压能力充足的增压泵和能够调节升压速率 的控制阀 ， 以及准确测量试验压力的装置。 目前 ， 国内产品化的复合材料管材水压试验装置 多是针对低压试验 ， 无法满足油气 田用复合材料管材 的高压试验需要 有些管材常温时的爆破压力甚至超 过 1 0 0 MP a ， 因此需要定做专用的试验设备。由于试 验压力高 ， 设备 的管阀需要采用进 口配件 ， 加之压力 调节装置 的结构复杂 ， 所 以设备的制造成本也较高 ， 因此国内的管材生产厂家很少配置。 目前 ， 国内复合材料管材生产厂家多是 自行组装 简易的水压爆破装 置， 通过手控阀门来调节进水量 ， 观察压力表的示数来确定试验压力， 因此升压速率 和 失效时问难以保证符合标准的规定。 1 ． 2 静水压试验 静水压试验 C o n s t a n t I n t e r n a l P r e s s u r e T e s t ， 即在 规定的温度下 ， 保持试样 内部恒定的水压直至发生失 效或达到规定时间的试验 。静 水压试验 可分 为长期 试验和短期试验 ， 在复合材料管材的设计 阶段采用长 期静水压试验 ， 而在现场施工验收时使用短期静水压 试验。目前油气 田用复合材料管材 的静水压试验主 要是参照标准 A S T M D 2 9 9 2和 G B ／ T 6 1 1 1 进行的。 标准 A S T M D 2 9 9 2 “ 玻璃纤维 增强 的热 固树脂 玻璃纤维 管及配件用液体静压设计基础标准实施规 程” ， 适用于产品设计阶段 ， 试验 目的是为 了获得管 体的“ 静水压设计基础 ” H D B 或是“ 压强设计基础 ” P D B 。其中 H D B适用于 “ 外径／ 壁厚 ” 比值 ≥1 0的 中空圆柱形的直管， 而 P D B则适用于形状复杂的产品 或是系统 因为在此种情 况下 ， 复杂 的应力场使得环 向应力不再适用 。标 准中规定 了“ 规程 A ” 和“ 规程 B ”两种试验方式可供参考 ， 两种规程分别 以循环压 力强度试验和长期静水压强度试验为基础 ， 将试验得 到的数据进 行数学处 理， 就 可以评价 管材 的耐压 性 能。因为 2个规程的差别主要在试验方式上 ， 所 以在 此仅 以规程 B为例进行介绍 。 规程 B中规定了以长期静水压强度试验为基础 的设计方法 在每一个选定的温度条件下至少获得 l 8 个失效点 即试样发生失效的时间 ， 这些失效点的分 布必须满足一定的时间区间， 如 1 01 0 0 0 h内必 须 至少有 4个失效点， 而且要求必须有 1个失效点 出现 在1 0 0 0 0 h以后。将这些失效点对应的环 向应力 或 失效压强 和失效时间作对数处理后进行线性回归分 析并绘制曲线 ， 再通过外推曲线法获得预计 服役寿命 时 N l O O 0 0 0 h g 4 3 8 0 0 0 h 的 L T H S 或 L T H P 。将 得到的 L T H S 或 L T H P 对照标准中给出的“ 分类表” 中的范围进行分类 ， 即可得 到 H D B 或 P D B 。H D B 或 P D B 乘以“ 服役设计因子” 即得 H D S 或 H D P 。 标准中对上述英文简写的定义为 L T H S 长期静水压强度 ， 是一 个预计的管壁环 向方 向上所承受的拉仲应力 ， 此应力由管体 内部静水 压力引起 ， 而且此应力将造成服役 的管体于指定的时 间发生失效。 L T H P 长期静水压压强 ， 是一个预计 的管体 内 部的静水压压强， 而且此压强将造成服役 的管体 于指 定的时间发生失效。 HD B 静水压设计基础 ， 由此标准中的试验方法 获得的用于玻璃纤维管的环向应力。 P D B 压强设计基础 ， 由此标准 中的试验方法获 得的用于玻璃纤维管的内部压强。 第4期 丁楠等 油气田用复合材料管材的水压试验 H D S 静水压设计强度 ， 预计的管壁环向方 向上 所能承受的最大拉伸应力 ， 此应力 由管体 内部静水压 力引起 ， 而且在此应力作用下服役 的管体 发生失效 的 可能性很小。 H D P 静水压设计压强 ， 预计的管体所能承受的 最大 内部静水压强， 在此压强下服役的管道组件发生 失效的可行性很小。 此外 ， 当已存在 H D B或是 P D B的产 品改变 了原 材料、 制造工艺、 结构或是内衬厚度等因素时， 按照 A S T M D 2 9 9 2的规定还 需要 对此 产 品的 H D B或 是 P D B进行“ 再确认 ” 。依照标准要求 ， 对 2组试样 每 组至少 3个试样 分别施加不 同的静水压 ， 获得规定 数量的且满足时间范 围要求 的失效点。将 这些 失效 点对应的数据同原有 的回归曲线进行 比较 ， 如果新测 定的失效点在原有 回归 曲线上 的分布满 足标 准中的 规定 ， 则认 为再确认 的数据是原有数据集 的一部分 ， 将新旧两部 分数 据 汇总重 新绘 制 回归 曲线 并 测定 H D B或是 P D B ； 如果分布不满足标 准中的规定 ， 则认 为因素变更对产品的影响显著， 需要重新建立回归曲 线， 此时可根据 标准中的规定使用临时 的 HD B或是 PDB． 由此可见 ， 一种 复合材料管材承压 能力的确定 ， 需要大量 的试验和对数据 的科学分析 ， 绝不是一两次 水压爆破试验或是短期静水压试验就能代替的。 标准 G B ／ T 6 1 1 1 等同采用 I S O 1 1 6 7 是描述静水 压试验方法的， 而 A S T M D 2 9 9 2中静水压试验的具体 方法主要 是参照 A S T M F 9 4 8和 A S T M D 1 5 9 8进 行 的 ， 这 3个试验方法标准的特点如下。 A S T M F 9 4 8 9 4 2 0 0 6 “ 固定流体 内压下塑料管 道系统和组件失效时间试验方法” 纠使用指定环境条 件下得到的数据建立“ 应力 一失效时间” 关系 ， 用于计 算管件或材料 的静水压 设计基础。要求试样 内部施 加的恒定压力 由流动 的试验介 质产 生。除特殊要求 外 ， 规定试样 内部流体为水 ， 外部环境为空 气。除 了 要求测量试样内部温度外 ， 还要求测量试样 的外部温 度。A S T M D 1 5 9 8 0 2 “ 恒定 内压下 塑料管 的破裂时 间的标准测试方法” 使用指定环境条件下得到的数 据建立“ 应力 ～失效时间” 关 系， 用于计算塑料管材料 的静水压设 计基 础。规定试样 内部流体为水或其他 流体 含气体 ， 并且外部环境为水 或其他液体 或空 气。G B ／ T 6 1 1 1 2 0 0 3 等同采用 I S O 1 1 6 7 1 9 9 6 “ 流 体输送用热塑性塑料管材耐内压试验方法 ” _ 】 ’ 验证产 品在规定的内压和温度条件下， 能否达到要求的服役 时间 ； 试样 内部施加恒定水压 ， 外部恒温环境可 以是 水、 其他液体或者空气。 除去以上几点， 上述 3个静水压试验方法标准在 试样 尺寸、 压力控 制 、 温度控制 、 时间测定 、 试 验前试 样预处理等细节上 的要求也不相同 ， 具体试验时应予 以注意 。 1 ． 3 循环压力试验 循环压力试验 C y c l i c P r e s s u r e T e s t ， 即在规定的 温度下 ， 在试样内部施加循环变化 的水压直至其发生 失效或达到规定循环次数的试验 。标准 A S T M D 2 1 4 3 “ 增强热 固塑料管循环压力强度试验方法” l 1 副中规定 了对管材试样施加不同压力等级的循环压力 ， 测定试 样失效所需的循环次数。此试验可评价温度、 压力对 管材服役寿命的影响 ， 并且获得 的试验数据可用于循 环静水压设计基础的计算 标准 A S T M D 2 9 9 2规程 A 就是参照标准 A S T M D 2 1 4 3进行 。 该标准要求 测试流体为 2 ％的 N a C 1 水溶液或是 城市用水， 循环速率至少为 2 5 2 次循／ m i n ； 此 外 ， 测试流体保障试样维持在试验所需的温度。为了 实现上述要求 ， 该标 准中介绍 了一套试验设备 ， 并对 设备的原理和各部件的要求进行了描述。 就失效形式而言 ， 如果 管材发生管壁破损 ， 其 内 部的流体将快速流失 ， 此时可通过观测压力的迅速下 降来判定失效。但是对于非金属管材而言 ， 有 时管壁 并没有出现直观可见 的破损， 但是试验流体 已经缓慢 的渗透至管壁外 ， 试样表面出现类 似“ 出汗” 的现象 ， 这也是一种失效形式 ， 但此时从压力仪表上很难观测 到压力的下降 ， 这就需要采用其他 的手段判定失效的 发生 。标准 A S T M D 2 1 4 3就介绍 了针对这种失效形 式的检测方式 。例如 ， 检测流体使用盐水 ， 使用导 电 材料沿圆周方向包裹检测试样 ， 使用仪器测量试样 内 部流体和包裹材料之间的电阻 ， 当有流体渗出管壁时 此 电阻值将会下降 ， 当电阻降低至规定的范围时即判 定为失效。由此可见 ， 如果试样外部使用水浴等液体 环境 ， 则不利于检测试样 的微小渗漏 ； 因此 ， 对 于易发 生此类失效形 式 的试样 ， 适 宜在空 气介质 中进行试 验 。 2 分析与结论 根据现有的产品检测标准， 对 比介绍 了油气 田用 复合材料管材的3种水压试验形式， 可见长期静水压 和长期循环压力试 验的复杂程度远高于短时水压失 5 4 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J u 1 ．2 01 0 效试验。但是对于复合材料管材而言 ， 由于存 在蠕变 和老化现象， 一两次简单 的爆破试验结果无法准确地 表征管材的长期使用性能 ， 只有 以大量 的长期试验结 果为基础 ， 才能科学地评价出管材长期使用时的承压 能力。因此虽然长期水压试验 的设备造价和试验成 本都很高 ， 但在产品的设计阶段必须严格按标 准要求 进行这方面的测试 。 由于国内有关 油气 田用 复合材料管 的检测标准 体系尚不健全 ， 管材生产厂家在对产 品性能进行检测 时没有统一的标 准。即使是检测产品的同一项性 能 指标 ， 如果不同的厂家参照不 同的标准进行 ， 那 么最 终结果的权 威性 和可对 比性难 以保证 。建 议在制定 标准时考虑引用标准体 系的统一性 ， 优先采用 国外的 先进标准 如 I S O标准、 美 国的 A P I 或是 A S T M标 准 等 ， 国内质监部 门和生产厂家在确定各种 产品的检 测试验时也应首先考虑使用这些参考标准 ， 以便提高 试验设备的通用性和检测结果 的可对比性 ， 从而提高 油气田复合材料管材的质量 ， 保证它们的长期有效运 行 。 参 考文献 [ 1 ] 张玉川． 高压增强热塑性塑料管． 国外塑料， 2 0 0 8 ， 1 2 6 1 0 4 2 4 5 ． [ 2 ] 田建峰， 王兴龙， 常永峰， 等． 柔性复合高压注醇软管在长 庆油田的应用． 石油化工应用， 2 0 0 8 ， 2 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s u r e De s i g n Basi s for“ F i b e r g l a s s ” G l ass F i b e r R e i nfo r c e d T h e r mo s e t t i n g R e s i n P i p e a n d F i t t i n g s ． [ 1 5 ] A S T M F 9 4 8 9 4 R e a p p r o v e d 2 0 0 5 S t a n d a r d T e s t Me t h o d for Ti me t o -- Fa i l u r e o f P l a s t i c Pi pi n g S y s t e ms a n d Co mp o ne nt s Un d e r Co n s t a n t I n t e r na l Pr e s s ur e Wi t h Fl o w ． [ 1 6 ] A S T M D 1 5 9 8 O 2 S t a n d a r d Tes t M e t h o d f o r T i m e t o F ai l u r e o f Pl a s t i c Pi pe Und e r Co n s t a n t I n t e r na l Pr e s s u r e ． [ 1 7 ] G B ／ T 6 1 1 1 _ 2 0 o 3 流体输送用热塑性塑料管材耐内压 试 验方 法． [ 1 8 ] A S T M D 2 1 4 3 0 0 R e a p p r o v e d 2 0 0 5 S t a n d a r d T e s t Me t h o d for C y c l i c P r e s s u r e S t r e n g t h of Re i n f o r c e d， T h e r mo s e t t i n g Pl a s t i c Pi p e ． 作者简介 丁楠 1 9 8 l 一 ， 助理工程师， 从事油气田用非金属与 复合材料管材研究工作。 上接 第 5 0页 一 ． 譬 F O r r O r d 一 1 1 2 式 1 2 即为在锥形收缩段 内二元轴对称螺旋流 动的流函数方程 ， 对偏微分方程求解便可得到流 函数 的表达式， 从而得出相应的速度 函数关系表达式． 5 结束语 旋转射流 喷头 内部流体 的运动情况是 典型的螺 旋流动。其 中流槽加旋段流道 内流体的运动可视为 一 元轴对称的螺旋流动 ， 锥形收缩段内流体的运动可 视为二元轴对称螺旋流动。 对于推导出的速度 函数关系式， 必须确定出相应 的定解条件才可求解 ， 因此尚需作进一步的研究。 参考文献 [ 1 ] 刘力红， 刘本立． 冰粒射流表面清洗的试验研究． 管道技 术与设备 ， 2 0 0 7 6 4 0 4 1 ． [ 2 ] 刘力 红 ， 刘本立． 冰粒参数对冰粒射流表面清洗性能 的影 响． 管道技术与设备 ， 2 0 0 8 6 4 4 4 5 ． [ 3 ] 张东速， 刘本立， 贾北华． 前混合磨料射流除锈成套设备 的研 究． 矿 山机械 ， 1 9 9 9 1 0 4 5 4 7 ． [ 4 ] 张东速， 刘本立． 旋转锥形磨料射流钻孔性能的研究． 煤 炭学报 ， 2 0 0 1 4 4 0 9 4 1 3 ． [ 5 ] 董志勇． 射流力学． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 张长高． 水动力学． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 3 ． 作者简介 刘力红 1 9 6 1 一 ， 副教授， 硕士， 主要从事机械原理、 机械设计及高压水射流技术方面的教学和科研工作。