柔性复合管内衬材料耐介质性能研究.pdf
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1、结构与性能CHINASYNTHETICRESINANDPLASTICS合 成 树 脂 及 塑 料,2023,40(4):39油气管道是油气开采和运输的“血管”,随着主力油藏进入中后期,油气田工况的环境越来越复杂,原油含水率、黏稠度、矿化度不断提高1,采出油中同时含有H2S,CO2,Cl-,NO2等酸性介质,金属管道腐蚀问题日益严重2。其中,管道内腐蚀占腐蚀事故的50%以上,是油气管道最常见柔性复合管内衬材料耐介质性能研究张阿昱1,2,3,刘德俊1,2,3,梁 航1,2,3,解 析4,孙文盛1,2,3,刘亚明1,2,3,赵苗苗1,2,3(1.宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡 721008;2.
2、国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡 721008;3.陕西省高性能连续管重点实验室,陕西宝鸡 721008;4.长庆油田公司第一采油厂,陕西延安 716000)摘 要:研究了耐油聚乙烯(PE)和PE100级高密度聚乙烯(简称PE100)的相对分子质量及其分布、结晶度、氧化诱导时间、力学性能、微观组织形态等。使用70%(w)正庚烷、20%(w)环己烷和10%(w)甲苯组成的有机混合液浸泡24h,对比分析了浸泡前后两种材料的结构与性能。结果表明:耐油PE的相对分子质量低,呈相对分子质量分布为11.63的宽峰分布,且高相对分子质量部分含量更高,PE100的相对分子质量高,呈双峰分布;耐油P
3、E的结晶度为49.53%,氧化诱导时间为52.46min;浸泡后,耐油PE晶区占比有所升高,尺寸变化率仅为PE100的50%,平均质量变化率增加0.97%,屈服应力从22.41MPa增至22.44MPa,增加了0.13%,断口形貌兼具韧窝和层状结构,浸泡后耐油PE保持更好的完整性,表现出更优的耐介质侵蚀性能。关键词:聚乙烯 分子结构 组织形态 有机溶剂 溶胀性能 耐介质性能中图分类号:TQ325.1+2 文献标志码:B 文章编号:1002-1396(2023)04-0039-05Dielectric resistance of lining material of flexible compo
4、site pipeZhang Ayu1,2,3,Liu Dejun1,2,3,Liang Hang1,2,3,Xie Xi4,Sun Wensheng1,2,3,Liu Yaming1,2,3,Zhao Miaomiao1,2,3(1.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,China;2.National Petroleum and Gas Tubular Goods Engineering Research Center,Baoji 721008,China;3.Shaanxi Key Lab of High Performance
5、 Coiled Pipe,Baoji 721008,China;4.No.1 Oil Production Plant,Changqing Oilfield Company,Yanan 716000,China)Abstract:Therelativemolecularmassanditsdistribution,crystallinity,oxidationinductionperiod,mechanicalpropertiesandmicrostructureofoil-resistantpolyethylene(PE)andhighdensitypolyethylenePE100were
6、investigated.Thestructureandpropertiesofthematerialswerecomparedbeforeandaftersoakinginorganicmixtureofthemassfrationof70%ofheptane,20%ofcyclohexaneand10%oftoluenefor24h.Theresultshowthatthemolecularmassofoil-resistantPEislower,presentingawidepeakdistributionwithanindexof11.63,andtheproportionofhigh
7、molecularmasscomponentsishigher.ThemolecularmassofPE100ishigher,presentingabimodaldistribution.OilresistantPEhasahighercrystallinityof49.53%andalongeroxidationinductionperiodof52.46min.Theproportionofoil-resistantPEcrystalareaincreasesaftersoaking,whosesizechangerateisonly50%ofthatofPE100,whoseavera
8、gemasschangerateincreasesby0.97%,whoseyieldstrengthincreasesby0.13%from22.41MPato22.44MPa,whosefracturemorphologyisbothdimpleandlamellarstructure.Theoil-resistantPEkeepsbetterintegrityaftersoaking,representingbetterresistancetodielectricerosion.Keywords:polyethylene;molecularstructure;morphology;org
9、anicsolvent;swelling;dielectricresistance收稿日期:2023-01-27;修回日期:2023-04-26。作者简介:张阿昱,女,1984年生,工程硕士,工程师,2014年毕业于西安石油大学材料工程专业,现主要从事非金属管材的研究工作。E-mail:。基金项目:宝鸡石油钢管公司项目(BSG-KZ-2021-10);中国石油集团公司重大科技专项(2020E-2801(JT);陕西省重点研发项目计划(2022GY-143)。DOI:10.19825/j.issn.1002-1396.2023.04.09合 成 树 脂 及 塑 料2023年第40卷.40.的失效
10、形式,管道的安全可靠性及其完整性问题日益突出3-4。柔性复合管是内衬材料和外护层均为聚合物挤出成型的复合管,具有耐腐蚀、管道摩擦阻力小、不易结垢结蜡、导热系数较小、维护成本低5-7等特点,具有可连续成型、快捷安装和运输等优点,广泛应用于油田注水、注醇,油田采油,地面输油等领域8-10。柔性复合管的内衬材料直接与输送介质接触,其在介质作用下的完整性和机械稳定性决定了管道能否长期稳定运行。目前,内衬材料包括高密度聚乙烯(HDPE)、交联聚乙烯(XLPE)、耐热聚乙烯、聚酰胺、聚偏二氟乙烯等。其中,聚乙烯(PE)具有较低的成本和较好的柔韧性而得到广泛应用。研究PE在有机溶剂浸泡作用下的性能表现具有重
11、要意义,可以为集输油用柔性复合管内衬的选料选型设计提供理论方向。全娇娇11通过高温高压釜试验对集输油用柔性复合管的环境适用性进行了评价,发现柔性复合管在集输系统应用中具有耐腐蚀性好、承压能力强、不易泄漏、抗拉伸等优点,可以作为石油输送管道。徐广丽等12通过模拟油井热洗工况(68,0.8MPa),对国产内衬材料用HDPE的适用性进行了评价,两种牌号的HDPE均发生溶胀行为,采出油处理后,力学性能降低,硬度降低,热性能良好。刘青山等13通过高温高压釜模拟中国石油化工股份有限公司西北油田分公司所属塔河油田苛刻的工况条件(高温、高压,以及高含量H2S,CO2,Cl-的原油等),对两种复合管的适用性进行
12、了评价,发现随时间增加PE复合管和XLPE复合管的质量增加,拉伸强度和维卡软化温度降低。本工作研究了耐油PE和PE100级HDPE(简称PE100)的分子结构、微观组织形态、结晶动力学,并分析有机介质浸泡前后PE100和耐油PE的尺寸稳定性、力学性能和组织完整性变化。1 实验部分1.1 主要原料与设备PE100UHXP-4808,中国石油天然气股份有限公司(简称中国石油)独山子石化分公司;耐油PEJHMGC100GW,中国石油吉林石化分公司。PL-GPC220型凝胶渗透色谱仪,美国安捷伦公司;DSC1型差示扫描量热仪,瑞士梅特勒-托利多公司;SAXSpoint2.0型小角X射线散射仪,奥地利安
13、东帕公司;AGS-10KN型万能拉伸试验机,日本岛津公司;S-3400N型扫描电子显微镜,日本日立公司。1.2 测试与表征 相对分子质量及其分布:流动相为1,2,4-三氯苯,流量为1.00mL/min,温度为150。介质浸泡:按GB/T115472008测试,液体介质为70%(w)正庚烷、20%(w)环己烷和10%(w)甲苯组成的混合液。浸泡温度为(232),浸泡时间选用短期标准24h。小角X射线散射(SAXS):将样条用刀片切成5mm5mm至10mm10mm、厚度小于1mm的薄片,用无水乙醇清洗并烘干,扫描速率为2()/min。力学性能:按GB/T1040.22006测定,拉伸速度为50mm
14、/min。断面形貌:经介质浸泡的试样置于液氮中冷冻,时间不超过12h。冷冻前表面切出划痕以便试样断裂。冷冻完成后迅速掰断试样,挑选断面平整的试样贴于铜板上,经60s喷金后进行扫描电子显微镜观察。2 结果与讨论2.1 结晶度与氧化诱导时间耐油PE的结晶度为49.53%,略高于PE100(49.25%),PE是半结晶聚合物,晶区和非晶区并存,耐油PE的结晶度更高,表明其晶区占比较PE100更高,致密度更高,有机介质越不易进入材料内部,因此在介质浸泡后相对更稳定。耐油PE的氧化诱导时间(52.46min)远大于PE100(44.27min),表明耐油PE抗氧化性能更好,可能耐油PE优化了抗氧剂等其他
15、助剂的抗抽提性能。2.2 相对分子质量及其分布从图1看出:耐油PE相对分子质量分布呈宽峰,PE100相对分子质量分布呈双峰。耐油PE和PE100的数均分子量(Mn)分别为1.49104和3.29104,耐油PE的Mn较低,主要是其相对分子质量分布较宽造成的。耐油PE的相对分子质量分布指数为11.63,较PE100(6.23)宽,这与其链结构有关,既有长链又有短支链,分子链之间差异大。从图1还看出:耐油PE高相对分子质量部分明显占比更高。其高相对分子质量上共聚单体的含量较高,有利于材料的加工性能,而相对分子质量分布对耐受环境因素有较大影响,高相对分子质量部分含量高有利于表现出更好的耐有机介质性能
16、。第 4 期.41.2.3 SAXS分析从图2可以看出:PE100浸泡前后特征峰基本没变,晶区和非晶区比例变化不明显。耐油PE晶区占比略升高,介质处理时,耐油PE的分子链因柔性大和分子链间作用力较小而更易运动重排,使结晶度有所升高。有机介质在PE中的扩散主要影响因素包括结晶度、密度、相对分子质量及外部温度、介质等。通常,结晶度、密度、相对分子质量等越高,以及与其他极性聚合物制成层状结构的聚合物合金等,则耐油性能越好。在观察期内,有机介质可渗透进入PE中,进而影响其表面聚集态结构。a 耐油PEb PE100图1 耐油PE与PE100的相对分子质量及其分布Fig.1 Molecularmassan
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