油气田非金属管道失效预测及防控技术研究进展

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非金属油气管道概述

国内常用的非金属油气管道分类如图1所示，主要应用于油田地面集输系统，占比超过油田非金属管应用总量的95%[1]。近些年，非金属管在天然气输送、井下和海洋石油开采中均有应用[2]。

非金属管道的失效类型包括管体失效、接头失效、机械损伤等。非金属管道失效的具体原因可概括为制造缺陷、施工缺陷、外力损坏、外部环境或输送介质引起的树脂或纤维老化、材料降解、管材使用不当等。

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非金属管道探测定位及无损检测技术

对非金属管道的失效预测建立在对管道进行检测的基础之上。简要介绍一些常用的埋地非金属管道的探测定位方法以及常用、新型无损检测技术，其特点如表2、表3和表4所示。

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非金属管道失效预测技术

3.1 非金属管道风险评估方法

非金属管道风险评估方法包括一些地方标准、二级模糊综合判别法、模糊评价法与小波神经网络相结合的方法等依靠专家经验进行预测的方法，以及将知识图谱（KG）、决策试验与评估实验室（DEMATEL）和贝叶斯网络（BN）相结合的脱离专家评价的以数据驱动方式分析事故的方法等。

3.2 非金属管道失效预测技术

在管内压失效预测方面，王桂英提出一种基于Tsai-Wu失效准则的高压玻璃钢管功能逐渐失效的刚度退化方法，用于预测高压玻璃钢管道失效强度；Roham Rafiee 等人开发了一种在恒定内压作用下评估非连续纤维缠绕技术生产的GFRP管道蠕变和预测蠕变引起破坏的计算机程序；为避免深海非粘结柔性管的内压失效，高博等人提出了考虑层间间隙影响的抗内压分析方法，并验证了该方法的准确性；张亚等人基于弹性力学理论，采用三维Hashin-Yeh失效准则，建立柔性管三维渐进失效模型，用于进行内压作用下柔性管的失效预测。

为了解决玻璃纤维增强环氧树脂（GRE）复合管利用静水压力加载试验进行质量检验耗时长且成本高的问题，A J Yi提出在应用实验方法之前，使用系统识别方法建立线性时不变参数模型和人工神经网络模型来预测GRE管的初始损伤失效。此外，还基于人工神经网络模型对GRE管在多轴载荷作用下的失效问题进行预测。

Khaled S. Al-Athel等人提出了一种将热成像、计算和人工神经网络（ANN）相结合的方法来预测和表征复合材料表面下缺陷的深度和尺寸，这种多技术相结合的方法具有不依赖实验数据和预测损伤形状、大小的优点。

3.3 非金属管道寿命预测技术

在寿命预测方面，吴君提出了基于可靠性理论和极值分布的两种非金属管道腐蚀寿命预测方法；聂亚楠等基于海盐条件下的加速老化实验预测了海水自然老化条件下2mm厚的189不饱和聚酯玻璃钢的抗Cl ^- 渗透的寿命；齐国权等针对地面油气输送用柔性复合管提出了一种基于线性回归采用静水压剩余强度法来预测服役时间的寿命预测方法，该方法只需将寿命耐压强度值带入静水压与爆破试验数据作出的拟合直线，即可计算管材的寿命时间。

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非金属管道失效防控措施

4.1  管道制造、施工方面

应提高对非金属管道专业人员的施工要求，保证管道严格按照施工要求进行安装、敷设，避免因施工不规范造成不必要的管道损伤或者埋下安全隐患。注意避免管道搬运过程中遭受外力损伤，保证埋地敷设管的管沟平整，对于抗外力冲击能力较差的非金属管道，还需要外加保护套管。此外，施工过程中应做好管道应用长度、种类等数据的记录 ^{[ 3 ]} ，便于今后的维修和保养工作顺利进行。

4.2  管道选择、运行、维修方面

在管道安装敷设之前，做好对非金属管道的适应性分析工作，明确油气输送所需管道特点，有针对性的选取非金属管，保证管道具有较好的适应性，并进行蠕变建模、应力建模和风险评估分析，尽可能提高管道的使用寿命并减少事故发生率 ^{[ 4 ]} 。

在管道运行阶段，需做好管道日常检查、保养工作，并做好相关记录；注意进行静电的预防和消除作业  ^{[ 5 ]} ，避免管道发生刷形放电或火花放电造成爆炸等安全事故。

在管道维修方面，油田可以建立专业的非金属管道抢修作业团队，降低管道维修成本，提高维修效率，避免错过最佳抢修时间，或建立一套完善的管道维修标准规范。

4.3 加强管道关键技术研发

加快非金属油气管道失效机理研究，建立管道针对不同应用条件的失效及寿命预测模型；记录、储存管道运行过程和最终失效的数据信息以建立数据库，构建风险预测模型，实现管道风险评估和损伤预警 ^{[ 6 ]} 。同时，加快研发满足非金属管道应用现场的快速失效修复技术及其修复质量检测标准，保证修复质量及其有效性。

当下，应积极开展在介质老化、温度、压力等多因素共同作用下的管道失效预测和防控技术研究。针对油气田非金属管道进一步推广应用，以下几个主要问题需要深入探究和完善：

（1）非金属油气管道失效原因复杂多样，建立油气田用非金属管道失效案例分析体系，为用户提供管道失效相关资料，对避免不必要的管道失效尤为重要。

（2）目前的非金属管道探测定位方法均存在一定局限性，对大埋深、小管径类型管道探测更为困难，可作为今后一个重点研究方向。

（3）我国在非金属管道失效预测方面研究还不成熟，预测方法大多集中在PE管、玻璃钢管及柔性复合管，未形成系统的预测手段，有待进一步完善和发展。

（4）针对各类型非金属管建立完善的设计、施工等规范，形成科学、系统的维修规范是当务之急。

[1]   张冠军, 齐国权, 戚东涛. 非金属及复合材料在石油管领域应用现状及前景[J]. 石油科技论坛, 2017, 36(2): 26-31, 37.

[2]   尚娟, 鲁仰辉, 郑津洋, 等. 掺氢天然气管道输送研究进展和挑战[J]. 化工进展, 2021, 40(10): 5499-5505.

[ 3 ]   刘华 .  非金属管道及技术在油田中的应用现状及对策分析 [J].  当代化工研究 , 2018(10): 51-52.

[ 4 ] BOBBA Sujith, LEMAN Z, ZAINUDDIN E S, et al. Failures Analysis of E-Glass Fibre reinforced pipes in Oil and Gas Industry: A Review[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, 217: 012004.

[ 5 ]   黄鑫 ,  霍富永 ,  杜鑫 ,  等 .  非金属输油管道静电起电及防护研究 [J].  石油化工高等学校学报 , 2019, 32( 6 ): 1-7.

[ 6 ]   张杨 .  探究油田埋地非金属管道完整性管理技术 [J].  中国石油和化工标准与质量 , 2022, 42( 8 ): 191-193.

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