油氣田用復(fù)合管非金屬內(nèi)襯材料性能分析

蔡雪華，李厚補(bǔ)，戚東濤，張冬娜，丁 楠

(石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

·試驗研究·

油氣田用復(fù)合管非金屬內(nèi)襯材料性能分析

蔡雪華，李厚補(bǔ)，戚東濤，張冬娜，丁 楠

(石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

普通鋼管在油田使用壽命短、腐蝕穿孔、結(jié)垢嚴(yán)重,影響和制約了油田的生產(chǎn)和開發(fā)。非金屬內(nèi)襯復(fù)合管具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，可以應(yīng)用在已發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的鋼管內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，且不改變普通鋼管的連接和作業(yè)方式。介紹了非金屬內(nèi)襯復(fù)合管選用的非金屬內(nèi)襯種類，并評價了多種典型非金屬內(nèi)襯材料的性能。通過對非金屬內(nèi)襯材料耐熱、耐腐蝕性、抗機(jī)械性能等綜合性能的測試，為油氣田合理進(jìn)行內(nèi)襯材料的選材提供了科學(xué)的適用性評價。

復(fù)合管，非金屬內(nèi)襯材料，性能評價

0 引 言

石油管道的腐蝕和結(jié)垢，一直是困擾石油工業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重問題，給石油工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決油田的防腐和防垢問題，非金屬及其復(fù)合材料管道正得到越來越廣泛的應(yīng)用。其與傳統(tǒng)的金屬管道相比，非金屬內(nèi)襯復(fù)合管主要耐腐蝕、防結(jié)蠟，內(nèi)壁光滑等優(yōu)點，可降低管道操作成本和介質(zhì)輸送阻力，它的使用壽命比純鋼管要長4倍以上，社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯[1-3]。非金屬管內(nèi)襯修復(fù)油管技術(shù)節(jié)約了社會成本。油田開展修舊利廢, 降低原油生產(chǎn)成本, 提高經(jīng)濟(jì)效益是一條切實可行的技術(shù)途徑。

在非金屬內(nèi)襯復(fù)合管中，金屬管道是載荷的主要承載體，可保證管道強(qiáng)度。非金屬內(nèi)襯與傳輸介質(zhì)直接接觸，主要起防腐作用。非金屬內(nèi)襯主要有橡膠內(nèi)襯復(fù)合管、陶瓷樹脂內(nèi)襯復(fù)合管、玻璃鋼內(nèi)襯復(fù)合管以及熱塑性塑料內(nèi)襯復(fù)合管等[1]。目前橡膠內(nèi)襯復(fù)合管、陶瓷樹脂內(nèi)襯復(fù)合管油氣田用量較少，玻璃鋼內(nèi)襯復(fù)合管與熱塑性塑料內(nèi)襯復(fù)合管使用數(shù)量較多。玻璃鋼內(nèi)襯復(fù)合管氣密性好，能抵抗CO2、H2S腐蝕，適應(yīng)油田工況環(huán)境要求。其具有內(nèi)表面光滑、摩阻系數(shù)低、傳熱系數(shù)小、材質(zhì)比重小、連接方便等優(yōu)點[4]。熱塑性塑料內(nèi)襯復(fù)合管主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、聚氟塑料等內(nèi)襯材料。聚氯乙烯具有優(yōu)異的耐腐蝕性和電絕緣性, 但耐溫性能差, 一般使用溫度不超過60 ℃[5-6]。聚氟塑料幾乎能低抗任何化學(xué)介質(zhì)的侵蝕。高密度聚乙烯管壁光滑, 不結(jié)垢,其耐磨性能是鋼管的4 倍以上，可降低介質(zhì)在管道內(nèi)的沿程阻力損失。超高分子量聚乙烯材料具有摩擦系數(shù)小，磨耗低，耐化學(xué)性優(yōu)良，耐沖擊、耐壓性、自潤滑性、抗結(jié)垢性、耐應(yīng)力開裂等特性。

內(nèi)襯防腐方案很多,關(guān)鍵是防腐材料的選擇,不同的材料有不同的防腐性能，各種內(nèi)襯材料的性能和使用范圍具有大的差異性。因此在選用內(nèi)襯材料時，需要根據(jù)具體的工況條件進(jìn)行科學(xué)性選材與評價。本課題通過對非金屬典型內(nèi)襯材料基本性能與耐腐蝕性能的適用性評價，為廠家和油田用戶提供了非金屬內(nèi)襯復(fù)合管內(nèi)襯材料選材的可靠依據(jù)與方案。

1 非金屬內(nèi)襯材料性能試驗評價

1.1 材料選擇

選取聚乙烯(PE)、 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、 改性聚乙烯(PE-M)、 聚氯乙烯(PVC)和玻璃鋼(FRP)等6種常用的內(nèi)襯管材料進(jìn)行試驗研究。

1.2 基本性能測試

性能測試包括耐沖擊性能、耐磨性能、縱向回縮率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和維卡軟化溫度，見表1。溫度對非金屬內(nèi)襯材料的力學(xué)性能有很大的影響，為了了解溫度對非金屬內(nèi)襯的材料強(qiáng)度的影響，采用維卡軟化溫度測試儀，測量了壓針針入深度隨溫度的變化，這可以說明內(nèi)襯材料硬度隨溫度的變化趨勢。熱性能采用了縱向回縮率(熱收縮性能)與維卡軟化溫度(或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)測試的分析方法。

1.3 耐腐蝕性能測試

通過模擬油田工況對內(nèi)襯材料的耐腐蝕性能進(jìn)行測試，對該材料適用范圍進(jìn)行了評價。參考了“NACE TM0298-2003 玻璃鋼管及其管材與油田環(huán)境相容性評估測試方法”，對不同的工況條件下幾種聚合物內(nèi)襯材料進(jìn)行了評價，主要包括常溫常壓環(huán)境、高溫高壓環(huán)境和模擬現(xiàn)場工況條件等5種腐蝕環(huán)境。對于常用的聚合物內(nèi)襯材料而言，本研究將50℃以上定義為高溫環(huán)境，試驗設(shè)備為高溫高壓釜。檢測指標(biāo)為腐蝕前后形貌、硬度、重量變化；腐蝕前后表觀拉伸強(qiáng)度變化。研究中選用了5種不同的試驗環(huán)境，分別是飽和CO2、高含CO2、飽和H2S、高含H2S和模擬某油田工況環(huán)境。為了研究溫度對腐蝕速率的影響，在飽和CO2和飽和H2S環(huán)境中4種不同的溫度條件下進(jìn)行了腐蝕試驗。具體試驗條件見表2。

表1 非金屬內(nèi)襯材料的基本性能測試項目

表2 非金屬內(nèi)襯腐蝕評價試驗條件

2 性能測試結(jié)果與分析

2.1 非金屬內(nèi)襯管基本性能檢測結(jié)果

非金屬內(nèi)襯管基本性能檢測結(jié)果表明，PVC和FRP的抗沖擊性比較差，經(jīng)過增韌改性PE-M抗沖擊性能最好。聚烯烴的耐磨損性能優(yōu)于PVC，通過增韌改性的PE耐磨性能也得到了改善。PVC的熱穩(wěn)定性優(yōu)于聚烯烴材料。PVC維卡軟化點最高，改性PE的維卡軟化點較小。各類非金屬內(nèi)襯管基本性能對比如圖1所示。

圖1 內(nèi)襯管基本性能測試結(jié)果

2.2 溫度對內(nèi)襯材料性能的影響

在內(nèi)襯材料的使用溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，熱塑性塑料內(nèi)襯材料的硬度逐漸下降。因此，復(fù)合管必須在內(nèi)襯材料的適用范圍內(nèi)使用才能保證它應(yīng)有的力學(xué)性能(耐磨、耐沖擊等)。PVC材料的耐熱性能最好，在70 ℃以下材料硬度基本保持恒定。聚烯烴材料的硬度下降速度要高于PVC。其中，經(jīng)過增韌改性的PE材料耐溫性低于普通PE材料，這是由于增韌劑的添加引入了新的基團(tuán)，改變了PE的材料分子鏈結(jié)構(gòu)，從而降低了材料的耐溫性能。內(nèi)襯材料隨溫度的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 內(nèi)襯材料耐溫性能評價

2.3 內(nèi)襯耐腐蝕性能的變化

2.3.1 重量變化

多數(shù)管樣在浸泡H2S試驗后重量增加，由于高分子材料在浸泡過程中會發(fā)生吸脹現(xiàn)象，因此管樣的重量發(fā)生了輕微的增加。

2.3.2 外觀形貌變化

通過微觀與宏觀方法對管樣的外觀進(jìn)行觀察，沒有觀察到明顯的形貌變化。管樣在經(jīng)過苛刻的H2S、CO2、Cl-的腐蝕條件下，表現(xiàn)出了良好的抗腐蝕能力。部分試樣在浸泡后顏色發(fā)生變化，通過已有的試驗手段分析原因可能是高分子材料的吸脹作用及其高分子材料發(fā)生了老化現(xiàn)象造成的。腐蝕前后宏觀形貌變化見表3。不同非金屬管樣浸泡H2S前后外觀照片如圖3所示。

表3 內(nèi)襯材料腐蝕前后的宏觀形貌變化

圖3 腐蝕前后宏觀形貌

2.3.3 硬度

不同非金屬管樣腐蝕前后硬度變化見表4。根據(jù)浸泡試樣前后硬度值的對比，得出硬度值幾乎一致，所以可以說明試驗過程管樣的材料性質(zhì)沒有發(fā)生明顯的變化。

表4 非金屬管樣腐蝕前后硬度變化

2.3.4 拉伸強(qiáng)度

采用碟分法測得的非金屬環(huán)狀試樣腐蝕前后拉伸強(qiáng)度變化如圖4所示。在幾種不同的腐蝕條件下，聚烯烴材料的耐腐蝕性能都比較好，隨溫度、CO2、H2S分壓的變化沒有明顯的下降現(xiàn)象。但是玻璃鋼的內(nèi)腐蝕性能隨溫度、壓力的變化有一定程度的下降。

圖4 不同CO2、H2S分壓下內(nèi)襯材料的腐蝕前后強(qiáng)度變化

3 結(jié)論

廠家與油田用戶應(yīng)根據(jù)使用的具體環(huán)境(溫度、介質(zhì)條件等)綜合考慮內(nèi)襯的類型。溫度在60℃以下優(yōu)先選用聚乙烯管材，在60℃～80℃時選用聚氯乙烯管材，80℃～ 120℃時可選用合適的玻璃鋼管材(酸酐或胺類固化)。常用的熱塑性塑料的耐腐蝕性能比較好，玻璃鋼材料在H2S和CO2存在的情況下都發(fā)生了一定程度腐蝕，隨著溫度和壓力的升高腐蝕速度增加，且H2S對玻璃鋼的腐蝕性能影響比CO2明顯。因此，在選用玻璃鋼管材時，應(yīng)根據(jù)服役環(huán)境對樹脂材料進(jìn)行選擇。應(yīng)根據(jù)非金屬內(nèi)襯復(fù)合管的連接處是管道的薄弱點，對其進(jìn)行針對性的設(shè)計。熱塑性樹脂的最高使用溫度參考其維卡軟化溫度確定，熱固性樹脂(包括玻璃鋼)的最高使用溫度通常比玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低30℃。

通過對PE、PVC、PP、FRP等六種內(nèi)襯材料的耐磨、沖擊、耐熱和耐腐蝕等性能的對比評價研究，確定了內(nèi)襯材料的基本性能。提供了非金屬內(nèi)襯復(fù)合管在油氣田環(huán)境中應(yīng)用的檢測與評價方法。

[1] 李金偉.技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析在內(nèi)襯玻璃鋼防腐工程中的應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，1998，25(1)：52-57.

[2] 康景峰.改性玻璃鋼內(nèi)襯油管在注水井中的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2008，32(8)：55-56.

[3] 張新站.HDPE 管內(nèi)襯技術(shù)在油田舊管線修復(fù)中的應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2002，19(5)：54-55.

[4] 李海林.非金屬復(fù)合管道的發(fā)展及應(yīng)用[J].化工施工技術(shù)，2000，22(4)：7-10.

[5] 王 兵.抗硫化氫腐蝕管材[J].油氣田地面工程，2008，27(1)：75-77.

[6] 李 波.超高摩爾質(zhì)量聚乙烯內(nèi)襯復(fù)合管應(yīng)用前景展望[J].塑料工業(yè)，2006，34(12)：1-3.

Analysis on Performance of Nonmetallic Liner Material of Composite Pipes Used in Oil and Gas Field

CAI Xuehua, LI Houbu, QI Dongtao, ZHANG Dongna, DING Nan

(StateKeyLaboratoryofPerformanceandStructuralSafetyforPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The situation of short service life, corrosion problem and scale formation of carbon steel pipes is common in oilfield, which influences and restricts the oilfield production and development. With excellent corrosion resistance, nonmetallic lined composite pipe has been applied in the corrosion of steel pipe repairing without changing the connection and operation rules of carbon steel pipe. The types of nonmetallic liner materials used in the nonmetallic lined composite pipe are introduced, and the properties of the materials are evaluated. The test of the heat resistance, corrosion resistance and mechanical properties of the nonmetallic lining materials provides a scientific evaluation of the liner materials selection for the oil and gas field.

composite pipe; nonmetallic liner material; performance analysis

蔡雪華，女，1980年生，工程師，2005年畢業(yè)于西北大學(xué)化學(xué)專業(yè)，碩士研究生，主要從事油氣田常用非金屬與復(fù)合材料管材的性能穩(wěn)定性和可靠性評價研究，以及復(fù)合管材的種類篩選優(yōu)化與油氣田適用性研究工作。E-mail:caixuehua@cnpc.com.cn。

U174

A

2096-0077(2017)02-0028-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.007

2016-08-03 編輯：姜 婷)