基于事故树法的玻璃钢管线失效评价

来源:用户上传      作者:梁苗

　　摘 要：玻璃钢管线因其优异的耐腐蚀性被广泛用于石油开采业，但使用中常发生失效现象。首先全面分析了玻璃钢管线的结构、性能、成型工艺。然后，着重阐释了玻璃钢管线失效的主要影响因素、影响方式，据此绘制了玻璃钢管线失效的事故树。最后，根据所绘事故树进行定性分析求出最小割集、径集和结构重要度，发现界面粘结力和高温高湿环境对管线失效的影响最大，然后是耐腐蚀性力学性能等其他因素影响，从而提出具体改善措施。
　　关键词：玻璃钢管线;事故树;风险评价;失效
　　0 引言
　　玻璃钢即玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP），一般是指用玻璃纤维或其成品作为增强材料来加强合成树脂基体的复合材料。玻璃纤维增强塑料的主要成分是玻璃纤维增强材料、树脂基体和固化剂，树脂常用的类别有聚酯树脂、酚酞树脂及环氧树脂等，而玻璃纤维又可以分为无碱、中碱和高碱玻璃纤维等。玻璃钢的结构单元为纤维、基体、界面三个部分。玻璃钢的原材料易得，且能良好地抵抗酸、碱、盐等各类腐蚀介质的腐蚀，具有轻质高强、耐高温、性能稳定及可设计性能好的优点。
　　如今，玻璃钢已成功发展出玻璃钢罐、玻璃钢管和玻璃钢塔器等多种产品类型。其中玻璃钢管（Glass Fiber Reinforced Plastic Pipe，GFRPP），其成型工艺主要有手糊法、离心铸造法和纤维缠绕法。一般玻璃钢管的管壁是由功能层（内衬层和外保护层）和结构层（承载层）组成，从里向外的管壁结构依次为内衬层、缠绕层、树脂砂浆层、缠绕层和外防腐层。外防腐层起防外介质腐蚀和摩擦碰撞的作用，内衬层起防内介质腐蚀和渗漏的作用，内衬层为纯树脂，内表面厚度不小于0.5mm，内表面和次内层厚度不小于1.2mm;树脂浆砂层两侧的以纤维缠绕的结构层含有多达超过70%的玻璃纤维，保障了玻璃钢管的强度;最中间的树脂夹砂层是低应力区，此层加入石英砂，可以提高刚度且并降低制造成本 。玻璃钢管道因它独特的优异性在石油、供水及化工等各行各业的发展十分迅速。特别是在石油方面，国内外已进入二次和三次采油阶段，不得不运用高压注水的方式来补充地层的能量，但注入水含大量H2S、CO2及Cl-会加剧对钢管道的腐蚀，造成水质二次污染且使铁离子降解易使管道结垢，严重影响石油的开采，因此传统金属管线的腐蚀结垢问题日益突出。而玻璃钢管与常见的碳钢管、不锈钢管相比有耐腐蚀强、不发生电化学腐蚀、不会造成二次污染、不结垢、流体阻力小且使用年限长等优点，开始在石油工业中广泛应用，成为解决国内外油田腐蚀的新型产品。玻璃钢管线虽然较传统管线相比有良好的耐腐蚀性、水力学性和化学结构稳定性，可以有效解决国内外油田开发中的腐蚀性问题，但随着玻璃钢管线的大量应用和应用范围的扩大，玻璃钢管线也逐渐暴露出一些弊端，出现失效现象，导致重大财产损失，严重影响社会安全稳定。
　　因此，首先，全面分析了玻璃钢管线的结构、性能、成型工艺。然后，着重阐释了玻璃钢管线失效的主要影响因素、影响方式，据此绘制了玻璃钢管线失效的事故树。最后，根据所绘事故树进行定性分析求出最小割集、径集和结构重要度，发现界面粘结力和高温高湿环境对管线失效的影响最大，然后是耐腐蚀性力学性能等其他因素影响，从而提出改善措施。
　　1 玻璃钢管线失效行为研究
　　根据GFRP管线失效的相关资料分析研究发现，造成其失效的主要影响因素为：管线使用环境的温度和湿度、运行压力、土壤腐蚀、输送介质腐蚀、玻璃钢的界面粘结力、原材料选择、管线的成型工艺、接头连接方式、第三方破坏和误操作等。
　　1.1 环境温度和湿度的影响
　　高温和高湿的给合会对降低玻璃钢的性能。在高温高湿环境下，树脂基体比玻璃纤维受到影响更大，高温高湿会导致树脂聚合物基体内存留水分，不仅使其重量增加，而且使聚合物体基材料膨胀，产生湿热应变，即湿热效应。分析发现同一种树脂基体在温度一定时，含水量高的树脂基体强度刚度都会下降，而且使转化温度也明显减低。如图1树脂基体的强度、刚度随温度和湿度变化曲线所示。
　　1.2 运行压力和管道连接方式的影响
　　玻璃钢管线所受的压力超过其自身的服役条件时，就会发生失效问题。油管经常会受交变压力的的作用，外压、内压分别和轴拉、轴压复合载荷联合过大是造成井下管失效的主要因素，对于玻璃钢管线的内压和轴载的影响，英国曼彻斯特大学进行了相关研究发现，内压和轴载作用下玻璃钢管的失效表现为渗透的初次失效和断裂的最终失效且渗透应力比断裂极限应力低，此外不同原材料的选用对内压引起渗透和断裂失效的影响也不同。
　　管道系統中往往是接头处最易发生失效，玻璃钢管线也不例外。管道的使用温度、载荷、输送介质等因素的特性将决定管道的连接方式。接头方式有无约束接头、有约束接头和螺纹接头三种，其中前两中接头方式适用于玻璃钢管道的自流管和压力管线，而螺纹接头适用于玻璃钢油管、套管和高压管线管连接。我国油田的平均井深达2000m，可使用玻璃钢螺纹直接连接，但超过这个范围应考虑其他连接方式。
　　1.3 输送介质和土壤的影响
　　近几年玻璃钢管线也出现了腐蚀问题，分为内腐蚀和外腐蚀。内腐蚀介质主要为玻璃钢管线输送的原油，我国油气田输送的介质绝大多数为酸性，主要是CO2、H2S、Cl-等且不同油田的主要腐蚀介质也不同，腐蚀过程首先是输送介质渗透扩散到玻璃钢复合材料的内部，然后引起树脂基体的溶胀，产生界面应力，并溶解掉部分的小分子，同时与玻璃钢材料中的部分分子发生化学反应，破坏玻璃钢复合材料的整体结构，引起玻璃钢管线的外观、物理性能和机械性能的变化最终导致玻璃钢的失效。
　　土壤腐蚀主要是指土壤中水分、含盐量、总酸度及微生物等单独起作用或几种结合共同侵蚀管线导致腐蚀破坏。油管的沿线大部分地段地面和地下土壤为弱酸性，部分有水河谷边的土壤如沼泽土为中等酸腐蚀性，管线穿越河流地段的土壤为强酸腐蚀性，也有少数的碱性土壤如盐碱土。土壤中的酸性盐离子主要为HCO3-、Cl-、SO2-3等。一般来说土壤的酸性蚀性越强腐越强。 　　1.4 玻璃钢管线的成型工艺和界面粘结力的影响
　　玻璃钢管线的成型工艺的三种成型法中手糊成型法的生产周期长、机械化程度低、制得的管线质量不稳定，易发生失效，适用于要求较低的工程但其需要的设备简易，投资少，因此仍在玻璃钢管线的成型工艺中占一定的比例。我国油田用玻璃钢管线的成型方法主要是纤维缠绕法和离心铸造法。纤维缠绕成型法能够很好的发挥玻璃纤维的强度，制得的管质量稳定且生产的效率高，但是生产成本高，机械化程度高，需要高技术水平。离心铸造法原材料耗损小，综合造价低，特别适用于需要承受较大外压的大口径排污管。
　　界面作为玻璃纤维增强材料和树脂基体的连接桥梁，需要具备较好的粘结力，界面破坏是玻璃钢失效的引發点，因为树脂材料并不含有活性官能团，使界面粘结力较弱，同时，由于增强纤维和基体的热膨胀系数及弹性模量不同，复合过程中会出现界面热应力和界面应力效应等界面特征导致界面粘结力减弱，使界面成为玻璃钢复合材料的最易破坏部位。若界面结构本身带有如杂质、细微裂纹、空洞等缺陷将严重影响界面的粘结力，使玻璃钢的力学性能下降，容易发生剪切破坏。
　　1.5 玻璃钢管线原材料的选择和其他因素的影响
　　材料不适宜也会严重影响玻璃钢在实际使用中的性能。玻璃钢管线的耐腐蚀性、耐温性主要为树脂提供，环氧树脂较聚酯树脂和酚酞聚酯耐温性、耐候性、耐化学性更好，需耐高温时推荐采用环氧树脂，而考虑经济性推荐使用聚酯树脂。玻璃纤维的含量、直径粗细、种类选择也影响着玻璃钢的性能。一般来说，无碱纤维的化学稳定性、耐湿性较有碱纤维好。
　　除上述因素外，还有第三方破坏和人为误操作等因素影响玻璃钢管线失效。第三方破坏除自然灾害和土层运动外，在我国，在输油输气管线上打孔偷油偷气的情况经常发生，造成管线的失效，且造成重大损伤事故，如在2007年，中石化管道储运公司在临邑济南的输油管线被周围的多名农民屡次打孔偷油。
　　2 事故树法评价玻璃钢管线失效
　　2.1 绘制事故树
　　首先选择“玻璃钢管线失效”作为顶事件，开始逐层向下分析原因事件，引起原因则主要是环境破坏、材料自身缺陷、第三方破坏、人的误操作等。再逐层向下分析直至最基本原因事件，最后分析出43个基本原因事件，如表1所示。最终得到的玻璃钢管线失效的事故树图如图2所示。
　　2.2 定性分析
　　根据图2，玻璃钢管线失效事故树的布尔表达式为：
　　若不考虑各基本事件发生的难易程度且假设各基本事件发生的概率相等，可得各基本事件结构重要系数如表3所示。
　　根据基本事件的结构重要度可知在本文所建立的玻璃钢管线失效的事故树中：材料自身缺陷中界面粘结力对玻璃钢管线失效的影响最大;其次是高温高湿环境的影响，高温高湿环境导致玻璃钢管线的性能下降不仅可以直接使管线失效还会加剧其他形式失效，然后是材料自身缺陷中其他因素的影响;最后为环境中腐蚀和运行压力破坏、第三方破坏以及人的误操作的影响。
　　3 对策与建议
　　根据对玻璃钢管线失效事故树的最小割集和结构重要度进行分析，可以明确引起玻璃钢管线失效的主要因素和提出科学的改进措施：（1）需要提高界面粘结力，可以在玻璃钢复合材料中添加改良的玻璃纤维浸润剂更好地保护界面强度，建议根据实际使用情况选择所需的玻璃钢管线类型。此外，加强管材制造监督和健全管线制造标准。（2）在需要高温高湿工作的环境中采用耐湿耐高温的玻璃钢材料和界面粘结力良好的玻璃钢，同时建立温度湿度报警装置，可以及时发现温度湿度变化（3）玻璃钢管线尽量不要使用无内衬层的管线，若输送原油腐蚀性强可以考虑采用三层内衬层的玻璃钢管线，树脂基体和玻璃纤维采用更耐腐蚀的环氧树脂和无碱纤维，提高玻璃钢管线的外防护层的厚度（4）在长期较大的交变压力作用下，选用更稳定的玻璃钢管线的成型工艺，手糊成型法产品质量不稳定，尽量不要使用在高承压管线段，管线的壁厚、直径等尺寸的设计应与其承压能力相匹配，选用力学性能更好的树脂基体和玻璃纤维。此外，设置压力报警装置，当压力超过允许条件时能及时发现采取措施控制。（5）除自然灾害外，管线附近居民对相关法律法规、安全性的了解和政府的干预等都会对管线造成影响，因此应加强人民的法律和保护公共财产意识，建立完善的报警系统，健全法制并保障法律法规的落实。同时，也要做好对自然灾害的预测，加强减灾措施。（6）应建立严格的施工质量检测制度，加强人员的安全和专业培训，完善管理制度。
　　4 结论
　　本文深入研究分析了玻璃钢管线的结构、性能、使用条件和失效的影响因素，在此基础上运用事故树法对玻璃钢管线进行了安全评价，绘制出玻璃钢管线的失效的事故树，进行定性分析并提出相应的改善措施。此外，由于缺少完善的数据信息和详尽的资料，无法对玻璃钢管线失效进行定量分析，这是本文的最大不足之处，还需继续深入研究。
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