[发明专利]一种高阻隔多层复合热塑性塑料管及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高阻隔多层复合热塑性塑料管及其生产方法，本发明可用于油田地面油气输送管线非开挖修复领域，用于防止气体小分子渗透后管线负压坍塌。

背景技术

在石油行业的地面油气输送生产管线的使用过程中，对于服役时间长、腐蚀严重、泄漏事故频发、无法进行及时更换的地面油气输送生产管线，通常采用高密度聚乙烯(High density polyethylene，简称为“HDPE”)管内穿插修复技术将HDPE管经过等径压缩后由牵引机拉入待修复管道内，形成“管中管”的复合结构，达到有效延长管线使用寿命目的。在这类管线使用过程中，若输送介质中含有较多的CH₄、CO₂和H₂S等小分子气体，小分子可通过渗透进入内穿插管和钢管之间的夹层，夹层内压力等于管线内压力时达到平衡状态。当管线在停输时，夹层内压力大于管线内压力，HDPE管坍塌失效，带来安全生产隐患。

HDPE结构式为〔-CH₂-CH₂-〕_n，是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，也包括乙烯与少量α-烯烃的共聚物；其熔点约为130℃，相对密度为0.94g/cm³～0.96g/cm³。研究表明：热塑性树脂的聚合物普遍存在气体渗透性，即在一定压力作用下小分子气体(CH₄、CO₂和H₂S等)向聚合物内部移动，再从聚合物的另一侧表面离开聚合物；微观上气体渗透过程是由于聚合物中的分子存在孔穴，在压力条件下，气体小分子在浓度梯度的驱动下由一个孔迁移到另一个孔穴，最终从聚合物中渗透过去。

原钢管管线采用HDPE管内穿插修复后，若输送介质中含有较多CH₄、CO₂和H₂S等小分子气体时，在运行压力工况下，小分子可通过渗透进入内穿插管和原钢管管线之间的夹层，当管线停输时，在夹层渗透压力大于管线内压，负压条件下HDPE内穿插管存在坍塌风险。国外油田已存在HDPE内穿插管失效，导致整个管道变形、不能继续使用的案例。

为降低HDPE管的小分子气体渗透率，避免HDPE内穿插管负压条件下坍塌失效，有效提高HDPE聚乙烯树脂的气体阻隔性能，降低渗透速率是关键。

目前，EVOH(乙烯/乙烯醇共聚物Ethylene-vinyl alcohol copolymer)和HDPE的共混成为高阻隔材料研究的热点之一。陈永芬等研究认为EVOH/HDPE共混体系中，当采用EVOH/增容剂为4/1的阻隔母粒，所得材料的结构为大而均匀的片状形态，具有优异的阻隔性。李连贵等采用HDPE接枝马来酸酐(MAH)或甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)作为增容剂，当质量比HDPE∶EVOH∶HDPE-g-GMA＝80∶20∶8时，共混物氧气透过率比HDPE降低约96％。孟俊等细致考察了EVOH/HDPE共混生产工艺参数对管材阻隔性能的影响。

由于EVOH与HDPE的在热力学上具有不相容特性，无论是二者简单共混体系还是加入相容剂的共混体系都呈两相结构，管材较难实现稳定的阻隔性能质量控制，因此解决EVOH阻隔树脂与HDPE聚乙烯树脂的有机结合是关键。

如何研发一种阻隔性能稳定，适用油田腐蚀严重的天然气集输管线PE内穿插修复专用管材是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

目前常用层状共混技术制备高阻隔管，层状共混技术是通过控制聚合物共混物的形态结构，使材料的阻隔层与基体形成多层状的结构，从而获得层状结构聚合物复合材料的方法。研究表明：层状共混技术阻隔性能依赖于共混物中各相的形态结构，当阻隔性树脂在基体聚合物中形成层状分散，则能大大提高共混物的阻隔性能；若阻隔性树脂在基体中呈球状或纤维状形态分散，则不能提高共混物的阻隔性能。EVOH树脂在HDPE基体聚合物中形成层状分散受挤出机转速、牵引速度、加工温度、增容剂等生产条件影响较大，较难实现稳定的产品质量控制。

故此，为满足现场油田现场生产需要，消除内穿插管坍塌失效带来安全生产隐患，改进生产工艺获得稳定质量的高阻隔管势在必行。

发明内容