徐廣麗，蔣瀟躍，田雨，蔡亮學(xué)

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500； 2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

因增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管(RTP復(fù)合管)較好地解決了鋼管腐蝕問(wèn)題[1]以及普通塑料管耐壓?jiǎn)栴}[2]，在石油工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[3–4]。高密度聚乙烯(PE-HD)耐蝕性良好[5–6]，常用作RTP復(fù)合管的內(nèi)襯材料[7]。PE-HD與管輸介質(zhì)直接接觸可能產(chǎn)生相容性問(wèn)題[8]，從而影響RTP復(fù)合管的性能和使用壽命[9]。

近年來(lái)，PE-HD在介質(zhì)中的相容性已有一系列研究。蔡亮學(xué)等[10]利用反應(yīng)釜模擬油田常溫集輸環(huán)境展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4731B型PE-HD在常溫時(shí)適用性良好，6 MPa范圍內(nèi)壓力對(duì)其性能影響較小。Ghabeche等[11]發(fā)現(xiàn)氯及其衍生物會(huì)使PE-HD硬度降低、粗糙度增加。張冬娜等[12]和戚東濤等[13]發(fā)現(xiàn)H2S和CO2在PE-HD中的滲透率較高，且滲透率與溫度變化呈正比。徐廣麗等[14]發(fā)現(xiàn)PE-HD在油田熱洗集輸工況下服役后拉伸屈服強(qiáng)度降低、在加熱輸送工況下表面產(chǎn)生裂紋[15]。Schoeffl等[16]發(fā)現(xiàn)PE-HD在液態(tài)烴環(huán)境中發(fā)生塑化，導(dǎo)致管道中裂紋緩慢增長(zhǎng)。迄今為止，PE-HD內(nèi)襯與油田加劑(添加破乳劑、緩蝕阻垢劑)集輸介質(zhì)的相容性研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此，有必要對(duì)PE-HD在加劑集輸工況的適用性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

筆者以國(guó)產(chǎn)JHMGC100GW型PE-HD為研究對(duì)象，采用反應(yīng)釜模擬長(zhǎng)慶油田加劑集輸環(huán)境，通過(guò)比較服役前后PE-HD試樣的體積、質(zhì)量、形貌、拉伸性能、沖擊性能、硬度以及維卡軟化溫度的變化，明確國(guó)產(chǎn)JHMGC100GW型PE-HD在加劑集輸介質(zhì)中的適用性。

1 試驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

PE-HD：JHMGC100GW，中國(guó)石油吉林石化公司；

破乳劑：YT-100-Ⅱ型，非離子型嵌段聚醚類，西安奧德石油工程技術(shù)有限責(zé)任公司；

緩蝕阻垢劑：AD43-3型，氨基縮合物，西安奧德石油工程技術(shù)有限責(zé)任公司；

采出油：密度為0.847 5 g/cm3的高含蠟、多膠石蠟基原油，其中蠟含量為11.82%、膠質(zhì)含量為52.91%，中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司；

采出水：重碳酸鈉水型，主要包括Na+、Ca2+、Cl-、HCO3-等離子，中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司。

1．2 主要設(shè)備與儀器

單螺桿擠出機(jī)：UNIEX75-30型，螺桿直徑75 mm，長(zhǎng)徑比30∶1，德國(guó)巴頓菲爾辛辛那提公司；

恒溫干燥箱：DHG 101-2型，溫度控制范圍為室溫～300℃，上虞市滬越儀器設(shè)備廠；

高溫高壓反應(yīng)釜：PARR 4584型，最大工作壓力20 MPa，海安石油科研儀器有限公司；

恒溫水浴箱：CH1015型，溫度控制范圍為10～100℃，上海衡平儀器儀表廠；

電子天平：BSA124S型，量程為120 g，德國(guó)賽多利斯集團(tuán)；

掃描電子顯微鏡(SEM)：Quanta 450型，可在-165～1 500℃環(huán)境溫度下使用，美國(guó)FEI公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WSM-20kN型，試驗(yàn)力測(cè)量范圍為0～20 kN，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司；

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：ZBC-25A型，能量范圍為0～25 J，濟(jì)南科盛試驗(yàn)機(jī)設(shè)備有限公司；

邵氏硬度計(jì)：LX-A型，刻度盤(pán)范圍為0～100(HA)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司；

熱變形維卡溫度測(cè)定儀：MZ-2030型，適用溫度范圍為室溫～300℃，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司。

1．3 試樣制備

將PE-HD粒料放入恒溫干燥箱，在80℃下干燥4 h。將干燥后的PE-HD粒料通過(guò)供料系統(tǒng)抽取加入單螺桿擠出機(jī)，擠出溫度為200℃。經(jīng)擠出、冷卻、牽引、切割后得到所需板材。

參考GB/T 11547–2008將PE-HD板材加工成50 mm×50 mm×5 mm正方形試樣，用于測(cè)量浸泡前后試樣的體積、質(zhì)量、形貌、硬度及維卡軟化溫度的變化，平行樣3個(gè)。依據(jù)GB/T 8804.3–2003加工成類型2拉伸試樣，用于測(cè)量試樣的拉伸性能，平行樣4個(gè)。按照GB/T 1043.1–2008加工成V型單缺口沖擊試樣，用于測(cè)量試樣的沖擊性能，平行樣4個(gè)。

1．4 試驗(yàn)方案

將試樣分為5組進(jìn)行掛片試驗(yàn)，1#為初始樣，2#，3#為未加劑對(duì)照組，4#，5#為加劑試驗(yàn)組，2#～5#的具體掛片試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。加劑試驗(yàn)環(huán)境與油田加劑集輸現(xiàn)場(chǎng)一致，介質(zhì)為井口采出油、采出水，溫度為25℃，壓力為0.8 MPa，利用高溫高壓反應(yīng)釜進(jìn)行密閉浸泡。前期研究發(fā)現(xiàn)6 MPa以內(nèi)壓力對(duì)測(cè)試結(jié)果影響極小，為方便試驗(yàn)進(jìn)行，對(duì)照組壓力取0.1 MPa，利用恒溫水浴箱進(jìn)行密閉浸泡。通過(guò)掛片試驗(yàn)分析這兩種環(huán)境條件下試樣在試驗(yàn)介質(zhì)中浸泡前后的性質(zhì)變化。

表1 掛片試驗(yàn)方案

1．5 性能測(cè)試與表征

耐液體化學(xué)試劑性能測(cè)試：分別利用溢水法和電子天平測(cè)量正方形試樣在試驗(yàn)介質(zhì)中浸泡前后的體積與質(zhì)量。浸泡前后試樣均在室溫下?tīng)顟B(tài)調(diào)節(jié)5 h后測(cè)量其體積與質(zhì)量，由浸泡后與浸泡前的體積和質(zhì)量變化除以其初始體積和質(zhì)量，分別得到體積變化率及質(zhì)量變化率(變化率數(shù)值前的-表示減少，+表示增加，下同)。

SEM表征：將試樣放在液氮中脆斷，噴金后利用SEM在20 kV加速電壓下觀察試樣的表面及斷面形貌。

力學(xué)性能測(cè)試：按GB/T 2918–2018，將初始樣及浸泡后試樣在室溫下?tīng)顟B(tài)調(diào)節(jié)5 h后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。根據(jù)GB/T 8804.3–2003測(cè)試試樣的拉伸性能，拉伸速率為50 mm/min，記錄應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)直至試樣斷裂。按照GB/T 1043.1–2008測(cè)試試樣的缺口沖擊強(qiáng)度，保證試樣缺口中央處于沖擊平面上。

硬度測(cè)試：依據(jù)GB/T 2411–2008測(cè)量試樣的硬度，每個(gè)樣品取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，試樣與壓座接觸后1 s內(nèi)讀數(shù)。

維卡軟化溫度測(cè)試：根據(jù)GB/T 1633–2000采用A120法測(cè)量試樣的維卡軟化溫度。

ISO 23936-1:2009與GB/T 34903.1–2017中規(guī)定了熱塑性塑料管道襯里(內(nèi)襯)相容性試驗(yàn)合格性技術(shù)指標(biāo)：目測(cè)試樣表面無(wú)溶解、開(kāi)裂、鼓泡或物理變形；質(zhì)量變化率±5%；體積變化率-1%～+5%；拉伸強(qiáng)度變化率±20%；斷裂伸長(zhǎng)率變化率±30%。

2 結(jié)果與討論

2．1 體積變化與質(zhì)量變化

計(jì)算試樣在不同條件介質(zhì)中浸泡后與浸泡前的體積差(質(zhì)量差)與浸泡前初始試樣的體積(質(zhì)量)之比，進(jìn)而得到的試樣體積變化率(質(zhì)量變化率)見(jiàn)表2。

表2 2#～5#試樣的體積、質(zhì)量變化率 %

由表2可以發(fā)現(xiàn)，試樣由于介質(zhì)滲透而體積增大；采出水中試樣體積增率大于采出油，說(shuō)明采出水由于分子量小比采出油更易滲透；加劑后采出油中試樣體積增率降低63.0%、采出水中試樣體積增率降低43.4%，說(shuō)明破乳劑、緩蝕阻垢劑對(duì)集輸介質(zhì)向試樣的滲透均有抑制作用。試樣浸泡168 h后的最大體積增率為7.9%，超過(guò)了GB/T 34903.1–2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的體積變化范圍(-1%～+5%)，而添加破乳劑、緩蝕阻垢劑后試樣的體積增率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

同時(shí)，由表2可見(jiàn)，試樣在集輸介質(zhì)中浸泡后質(zhì)量增加，說(shuō)明在采出油、采出水中PE-HD試樣產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象；由于油分子量遠(yuǎn)大于水，采出油中試樣質(zhì)量增率顯著高于采出水；加劑后采出油中試樣質(zhì)量增率較未加劑時(shí)僅減小3.5%、采出水中試樣質(zhì)量增率較未加劑時(shí)增大500%，可以認(rèn)為破乳劑、緩蝕阻垢劑阻礙采出油、采出水向試樣滲透的同時(shí)，自身也向PE-HD試樣內(nèi)部滲透。試樣浸泡168 h后的最大質(zhì)量增率為1.15%，遠(yuǎn)小于ISO 23936-1:2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的5%指標(biāo)，滿足PE-HD在介質(zhì)中相容性的要求。

2．2 形貌變化

試樣浸泡前表面為乳白色，未加劑采出水中試樣浸泡后顏色變化不明顯，加劑采出水中試樣略有變黃，說(shuō)明分子量較大的黃色粘稠狀水溶性YT-100-Ⅱ型破乳劑可以滲透進(jìn)入PE-HD材料，采出油中試樣變黃明顯，證實(shí)原油和添加劑均會(huì)經(jīng)PE-HD表面向內(nèi)部滲透、擴(kuò)散。

不同條件下試樣的斷面、表面微觀形貌分別如圖1～圖3所示。由圖1～圖3可知，與初始樣對(duì)比，介質(zhì)中浸泡后試樣斷面交聯(lián)結(jié)構(gòu)分布被破壞，邊緣顏色加深，表明無(wú)論集輸介質(zhì)是否加劑，均會(huì)向試樣內(nèi)部滲透，使試樣表面出現(xiàn)不同程度的老化。加劑條件下，在采出油中試樣表面觀察到了長(zhǎng)度約為4.1 μm的裂紋，這說(shuō)明PE-HD試樣在壓力、采出油介質(zhì)和添加劑共同作用下產(chǎn)生微裂紋，裂紋長(zhǎng)度小于裂紋擴(kuò)展臨界值0.1 mm[17]；采出水中試樣表面出現(xiàn)輕微泛白。實(shí)際集輸過(guò)程中，微裂紋的出現(xiàn)會(huì)加速介質(zhì)的滲透，同時(shí)介質(zhì)滲透使裂紋尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力而進(jìn)一步擴(kuò)展，可能導(dǎo)致介質(zhì)滲透過(guò)PE-HD內(nèi)襯層、進(jìn)入增強(qiáng)層，影響粘膠的粘結(jié)力，引起鋼絲腐蝕，使得RTP管道承壓能力降低。

圖1 1#初始樣的斷面和表面SEM照片

圖2 2#～5#試樣的SEM斷面形態(tài)

圖3 2#～5#試樣的SEM表面形態(tài)

2．3 力學(xué)性能變化

(1)拉伸性能。

圖4為不同條件服役后，PE-HD試樣在拉伸速率為50 mm/min時(shí)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可以看出，試樣經(jīng)過(guò)服役后拉伸性能變差，破乳劑、緩蝕阻垢劑存在時(shí)試樣的拉伸性能降低幅度最大，未加劑集輸介質(zhì)條件下的拉伸性能與初始樣更為接近。

圖4 1#～5#試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)各平行試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到不同條件下試樣的平均拉伸數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，試樣在集輸介質(zhì)中的斷裂伸長(zhǎng)率均增加；未加劑時(shí)，在采出油、水中試樣拉伸強(qiáng)度分別變化-1.08%和+6.72%，斷裂伸長(zhǎng)率分別增加13.50%和12.57%；加劑時(shí)，在采出油、水中試樣拉伸強(qiáng)度分別降低5.79%和4.42%，斷裂伸長(zhǎng)率分別增加28.49%和34.28%。加劑后，采出油、采出水中試樣拉伸強(qiáng)度比未加劑分別降低4.76%和10.43%，斷裂伸長(zhǎng)率則分別提升13.2%和19.3%。這說(shuō)明材料在添加破乳劑、緩蝕阻垢劑的集輸介質(zhì)中浸泡后拉伸性能降低、韌性增強(qiáng)。根據(jù)GB/T 34903.1–2017中拉伸強(qiáng)度變化率±20%、斷裂伸長(zhǎng)率變化率±30%的限定，5#試樣的斷裂伸長(zhǎng)率變化率略微超過(guò)+30%，但PE-HD材料作為管道內(nèi)襯有鋼絲約束，其斷裂伸長(zhǎng)率變化率略微超出限定屬于可接受的范圍，因此，認(rèn)為在集輸添加破乳劑、緩蝕阻垢劑工況下，PE-HD材料與集輸介質(zhì)相容性基本滿足要求。

表3 1#～5#試樣的拉伸性能及變化率

(2)沖擊性能。

沖擊強(qiáng)度可反映材料的抗沖擊能力，不同條件下PE-HD試樣的缺口沖擊強(qiáng)度見(jiàn)表4。由表4可知，試樣服役后缺口沖擊強(qiáng)度均下降，其中未加劑采出油、采出水中服役后分別降低2.81%和8.15%，加劑采出油、采出水中服役后分別降低1.72%和2.64%。加劑后，采出油、采出水中試樣的缺口沖擊強(qiáng)度與不加劑條件相比分別提高1.09%和5.51%。說(shuō)明集輸介質(zhì)中添加破乳劑、緩蝕阻垢劑，能提高試樣的沖擊性能；相同條件下，PE-HD材料在采出水中服役后缺口沖擊強(qiáng)度下降大于采出油。

表4 1#～5#試樣的缺口沖擊強(qiáng)度及降低率

2．4 硬度變化與維卡軟化溫度變化

表5為不同條件下PE-HD試樣的硬度和維卡軟化溫度。由表5可知，PE-HD材料在不同條件下服役后硬度均產(chǎn)生變化，其中未加劑條件下的變化率顯著高于加劑條件。這說(shuō)明破乳劑、緩蝕阻垢劑與集輸介質(zhì)共同向材料內(nèi)部滲透時(shí)，試樣硬度比集輸介質(zhì)單獨(dú)滲透變化更小。加劑后，采出油、采出水中試樣硬度與不加劑條件相比分別降低0.7%和1.88%

表5 1#～5#試樣的硬度、維卡軟化溫度及變化率

另外，由表5可知，PE-HD試樣在不同條件服役后維卡軟化溫度均有一定程度的增大。加劑條件下，試樣維卡軟化溫度由初始的134.1℃增大為最高136.8℃，說(shuō)明材料在油田加劑集輸工況下耐熱性能良好。

3 結(jié)論

通過(guò)模擬油田集輸工況，討論了在集輸介質(zhì)中添加破乳劑、緩蝕阻垢劑對(duì)國(guó)產(chǎn)JHMGC100GW型PE-HD形貌和性能的影響，得到如下結(jié)論。

(1)破乳劑、緩蝕阻垢劑會(huì)抑制集輸介質(zhì)浸入試樣內(nèi)部、降低試樣溶脹程度，同時(shí)也會(huì)向試樣內(nèi)部滲透。與未加劑工況相比，加劑后采出油中試樣體積增率降低63.0%、質(zhì)量增率減小3.5%，采出水中試樣體積增率降低43.4%、質(zhì)量增率增大500%。

(2) SEM表征結(jié)果表明，在采出油、采出水服役后，材料表面出現(xiàn)不同程度老化，產(chǎn)生的微裂紋長(zhǎng)度小于裂紋擴(kuò)展臨界值0.1 mm。

(3)試樣拉伸強(qiáng)度變化率最大為+6.72%、斷裂伸長(zhǎng)率變化率最大為+34.28%，基本滿足標(biāo)準(zhǔn)限定要求。與未加劑相比，加劑時(shí)試樣拉伸強(qiáng)度、硬度降低，斷裂伸長(zhǎng)率、缺口沖擊強(qiáng)度、維卡軟化溫度升高。

(4)國(guó)產(chǎn)JHMGC100GW型PE-HD在加劑條件下滿足性能要求，可以在油田加劑集輸工況使用。