油氣集輸管線內(nèi)防腐蝕技術(shù)

(陜西宇陽石油科技工程有限公司，陜西 西安 710018)

隨著油田長期大規(guī)模開發(fā)，特別是油田開發(fā)到中后期,采出液氧含量高、氯離子含量高和礦化度高，導(dǎo)致集輸管線內(nèi)腐蝕加劇，已嚴重制約了集輸管道的使用壽命和安全運行。另外,油氣田生產(chǎn)面臨嚴峻的環(huán)保壓力，特別是集輸管道因內(nèi)腐蝕造成原油泄漏導(dǎo)致的環(huán)境污染，是油田生產(chǎn)的難題。不論從延長管道服役壽命還是從安全環(huán)保角度都應(yīng)對管道采取內(nèi)防腐措施。

集輸管道內(nèi)腐蝕控制措施常采用內(nèi)防腐蝕層、復(fù)合管線管及一體化防腐蝕技術(shù)。內(nèi)防腐蝕層技術(shù)主要解決焊口內(nèi)補口問題，分為工廠預(yù)制和風(fēng)送擠涂兩種。復(fù)合管線管技術(shù)主要為雙金屬復(fù)合管，一體化技術(shù)主要為內(nèi)環(huán)氧噴涂+管口內(nèi)襯不銹鋼。該文主要對這些技術(shù)的應(yīng)用特點及施工要求進行了介紹，包括補口機補口、風(fēng)送擠涂、復(fù)合管線管、內(nèi)環(huán)氧噴涂及管口內(nèi)襯一體化防腐蝕技術(shù)等。

1 補口機補口技術(shù)

目前，內(nèi)防腐蝕涂層在管道防腐蝕、減阻等方面的重要作用已得到油氣田行業(yè)的認同，同時隨著機械化、自動化水平的不斷提高和新型環(huán)保生產(chǎn)線的研發(fā)，內(nèi)防腐蝕涂層已實現(xiàn)工廠內(nèi)噴丸、涂敷自動化，能滿足相關(guān)標準的質(zhì)量要求。補口機主要適用于工廠預(yù)制防腐蝕涂層的現(xiàn)場補口，該技術(shù)由兩步完成：一是在防腐蝕工廠對單管進行內(nèi)壁除銹和涂敷施工；二是在現(xiàn)場采用內(nèi)涂層補口機對鋼質(zhì)管道焊接接頭內(nèi)表面進行液體涂料涂敷施工。由于防腐蝕涂層完全由專業(yè)化的生產(chǎn)線預(yù)制完成，因此對生產(chǎn)線不做贅述，僅介紹補口機補口工藝。

1.1 補口機工作原理

內(nèi)涂層補口機是用于現(xiàn)場對鋼質(zhì)管道焊接接頭內(nèi)表面進行表面處理、涂敷液體涂料以及對內(nèi)涂層質(zhì)量進行檢測的專用設(shè)備[1]。

管道內(nèi)涂層補口機是集成化設(shè)備，具有行走、定位、除銹、除塵、噴涂和檢測等功能，一般由管內(nèi)作業(yè)小車和管外監(jiān)控部分組成[2]。其中管內(nèi)作業(yè)小車由除銹車、噴涂車和主機構(gòu)成，小車之間通過活扣連接，可在一定幅度內(nèi)擺動，便于整機拐彎；管外監(jiān)控系統(tǒng)包含控制系統(tǒng)、圖像監(jiān)視器及工作電源等。工作時，通過控制器操控管內(nèi)作業(yè)小車完成“行走—定位—除銹—噴涂—退出”的工作流程。

1.2 補口機工作流程

管段探測→補口機安裝調(diào)試→加注涂料→啟動行走→定位→表面處理→除銹質(zhì)量檢驗→第一遍涂敷→涂層質(zhì)量檢驗→根據(jù)設(shè)計或厚度要求進行后續(xù)涂敷→涂層質(zhì)量檢驗。

內(nèi)補口前先使用檢測機對管段內(nèi)部進行探測，及時清除影響內(nèi)補口施工的因素,然后對補口機管內(nèi)作業(yè)小車、管外監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試,下一步涂敷,最后進行外觀檢查、厚度檢測和漏點檢測。

1.3 補口機技術(shù)特點

(1)由于受補口機結(jié)構(gòu)、機載涂料用量及現(xiàn)場地形等條件限制，內(nèi)補口最大連續(xù)管段長度一般不超過300 m(150 mm<公稱直徑≤200 mm)，管道分段過長，將無法采用補口機進行補口，影響管道的整體防腐蝕效果。

(2)彎頭、陡坡處補口機無法行進，固定對接口(俗稱“死口”)無法采用補口機補口，需采取其他方法補口。

(3)不同管徑管道匹配適合型號的補口機，各補口機爬坡能力各異，一般適用于DN80以上管道，坡道工作能力小于等于15°。當80 mm≤公稱直徑<150 mm時，可使用補口機完成補口施工，但由于管徑較小，受操作空間限制，厚度檢測往往無法進行，不能滿足涂層質(zhì)量的檢測要求。

(4)焊縫質(zhì)量對內(nèi)涂層質(zhì)量影響較大，當存在裂紋、氣孔、夾渣、焊瘤和毛刺等缺陷時，涂層易出現(xiàn)漏點，造成補口處較早腐蝕。

(5)除銹系統(tǒng)對環(huán)焊縫及熱影響區(qū)進行鋼絲除銹以及搭接拉毛等處理，錨紋深度不足，影響了涂層附著力。由于涂層固化后才可進行質(zhì)量檢驗，制約了施工進度。

(6)涂裝質(zhì)量無法保證是采用補口機的普遍問題，主要表現(xiàn)在：首先漆膜厚度不均勻、系統(tǒng)不穩(wěn)定；其次作業(yè)時管道中第一道涂層固化狀態(tài)不易判斷，多道涂裝時易造成對上道未固化完全漆膜的破壞；最后行走機械受管道不均勻度和焊縫余高的影響，穩(wěn)定性較差，使該分段管道補口位置漆膜均勻性受到影響。

2 風(fēng)送擠涂技術(shù)

為克服噴涂、內(nèi)補口機補口技術(shù)在小口徑管道上應(yīng)用的瓶頸，研發(fā)了在公稱直徑≥50 mm的集輸管線上風(fēng)送擠涂技術(shù)，正、反雙向擠涂。該技術(shù)是在管道組焊埋地后，對管道內(nèi)壁進行防腐蝕，其擠涂工藝示意如圖1所示。待涂管道通球清掃并試壓合格后，對管道內(nèi)壁在線噴砂除銹，然后將液體涂料用泵打入管道，利用空壓機的高壓氣動力推動擠涂球行進，在管道內(nèi)壁形成均勻、連續(xù)的涂層，從而將管道內(nèi)壁與腐蝕介質(zhì)有效隔離[3]。該工藝目前已在長慶油田大面積應(yīng)用，形成了特有的纖維增強復(fù)合防腐蝕內(nèi)襯技術(shù)(以下簡稱“HCC”)，解決了小口徑管線對接焊縫補口車無法進入進行補口作業(yè)的難題，可對高含水原油管道提供有效防腐蝕保護。

圖1 管道涂層擠涂工藝

2.1 擠涂材料

HCC是以環(huán)氧樹脂為主要成膜物，添加了包含玻璃纖維在內(nèi)的助劑，具有較強的耐磨性和厚涂性能的防腐蝕涂料。涂料中環(huán)氧樹脂固化后形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)[4]，涂料中加入玻璃纖維是為了增強涂層整體性能，涂層固化后收縮小，玻璃纖維在襯層中分散疊合、分散了應(yīng)力，減小了各接觸面的殘余應(yīng)力，增強了附著力,使涂層具有良好的機械性能,保證管道在強腐蝕性環(huán)境下依然具有良好的耐腐蝕性能。

2.2 HCC施工工藝

2.2.1 工藝流程

第一步：材料機具的準備。第二步：施工現(xiàn)場的準備,包括技術(shù)交底、管道通球、清掃、試壓、待涂管段無關(guān)組件封堵等。第三步：管道內(nèi)壁在線噴砂除銹。第四步：管道噴砂除銹質(zhì)量檢查。第五步：內(nèi)壁風(fēng)送擠涂(根據(jù)設(shè)計要求，多道涂敷)。第六步：管道內(nèi)涂層質(zhì)量檢查。

2.2.2 噴砂除銹

采用在線噴砂除銹工藝，保證了管線內(nèi)壁的除銹等級不低于GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定 第1部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級和處理等級》中規(guī)定的Sa2.5級，確保內(nèi)防腐蝕層的附著力，防止防腐蝕層脫落。管道噴砂除銹前，應(yīng)清除管壁上的油垢、結(jié)蠟和腐蝕產(chǎn)物等；除銹使用的磨料應(yīng)符合SY/T 0407—2012《涂裝前鋼材表面處理規(guī)范》的規(guī)定，空氣壓縮機的壓力應(yīng)控制在0.6～0.8 MPa。

管道噴砂除銹的時間可按式(1)[5]計算:

(1)

式中：t——噴砂所用時間，min；

D0——管道外徑，m；

N——管道壁厚，m；

L——施工管道長度，m；

Q——不同規(guī)格管線每平米所用時間，s，取5～10 s；

K——噴砂系數(shù)，取1～1.25；

n——管道長度，km，取整數(shù)。

整體噴砂除銹后，應(yīng)用清潔、干燥、無油的壓縮空氣將管道內(nèi)部的砂粒、塵埃和銹粉等清除干凈，并對管端密封。

2.2.3 內(nèi)壁擠涂

采用負壓風(fēng)送擠涂工藝，一次涂敷可達1～3 km，施工效率高，可形成連續(xù)均勻涂層，整體性好。

管道涂敷前，應(yīng)按式(2)[6]計算涂料用量:

(2)

式中：G——涂料計算用量，kg；

K′——裕度系數(shù)，取1.5～1.8；

Di——管道內(nèi)徑，m；

L——施工管道長度，m；

T——涂層濕膜厚度，m；

ρ——涂料密度，kg·m-3；

A——涂料固體質(zhì)量分數(shù)，%。

應(yīng)根據(jù)管道尺寸選擇合適的擠涂器，按照風(fēng)送擠涂操作規(guī)程加壓擠涂；夾注段在運行過程中應(yīng)保持速度穩(wěn)定；當夾注段到達管道末端，應(yīng)根據(jù)排出涂料的數(shù)量測算涂層厚度；每道擠涂完成后，應(yīng)通入潔凈干燥的壓縮空氣或臨時封閉管端；下道涂敷應(yīng)在上道涂層表面干固化前進行。

2.3 存在問題

HCC技術(shù)一次可完成數(shù)千米的施工，除銹在現(xiàn)場完成，因受地形環(huán)境、管道工況和人為因素的影響，僅可從始末端進行除銹質(zhì)量檢查，表面處理質(zhì)量不受控，會對涂層質(zhì)量造成不良影響。擠涂完成后內(nèi)涂層的檢測只能通過管端或隨機預(yù)埋的短接進行，無法保證管道整體內(nèi)涂層施工質(zhì)量，涂層效果跟蹤評價困難。

3 復(fù)合管技術(shù)

復(fù)合管是以增加防腐蝕措施的可靠性、降低耐蝕合金管道的成本為出發(fā)點設(shè)計的一類管道，基體層作為主體滿足管道的力學(xué)性能指標并且價格低廉，復(fù)合層與介質(zhì)接觸，滿足防腐蝕需求。復(fù)合管主要是雙金屬復(fù)合管和鋼塑復(fù)合管兩類。鋼塑復(fù)合管主要適用于給水、排水和消防水管道，在集輸管線上無應(yīng)用實例。

3.1 技術(shù)簡介

雙金屬復(fù)合管是在碳鋼管內(nèi)壁襯一薄層耐蝕合金，復(fù)合管的基層和復(fù)合層通過機械結(jié)合和冶金結(jié)合兩種形式制造而成，端部采用封焊連接。耐蝕合金可根據(jù)油田腐蝕環(huán)境選擇，常選用316L,304不銹鋼、超級13Cr,22Cr和鎳基合金等。雙金屬復(fù)合管的耐蝕性與整體耐腐蝕鋼管基本相同，強度不低于普通碳鋼管，但價格不到耐蝕鋼管的50%[7]，主要適用于高腐蝕性油氣田地面集輸管線，如新疆塔里木油田的牙哈凝析氣田和迪那2氣田。

3.2 制造工藝

雙金屬復(fù)合管按基層和覆層的結(jié)合方式，可分為機械式復(fù)合管和冶金式復(fù)合管兩大類[8]。機械式復(fù)合管主要有：液壓、爆炸以及滾壓機械復(fù)合管；冶金式復(fù)合管主要有熱軋、離心鋁熱法、熱擠壓、釬焊以及爆炸冶金復(fù)合管。

3.3 焊接工藝

由于異種鋼形成的焊縫與母材(基層與覆層)理化性能差異較大，而復(fù)合管的耐腐蝕性主要取決于焊接部位，因此焊縫的耐腐蝕能力是雙金屬復(fù)合管能否大規(guī)模應(yīng)用于油氣田集輸系統(tǒng)的關(guān)鍵[9]。

國內(nèi)復(fù)合管主要是機械結(jié)合，未達到冶金結(jié)合，基層、復(fù)合層之間存在一定的間隙，其結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致焊接時易產(chǎn)生主要合金元素?zé)龘p、熔池金屬塌陷形成焊瘤、背面氧化成型不良和焊縫周圍形成碳遷移過渡層等焊接缺陷[10-11]。從力學(xué)和耐腐蝕性兩個方面考慮，以基層L245N+復(fù)合層316L機械式復(fù)合管為例，為提高焊縫和熱影響區(qū)的耐腐蝕性能，常規(guī)的焊接方法為手工鎢極氬弧焊+焊條電弧焊，焊接順序為封焊—根焊—過渡焊—填充焊—蓋面焊。

機械式復(fù)合管出廠前均采用手工鎢極氬弧焊進行管端封焊，采用多道多層焊接工藝，從根部焊接開始依次向外，現(xiàn)場組對焊接。根部焊是復(fù)合管焊接質(zhì)量要求最高的工序，目的是保證復(fù)合層焊縫顯微組織為鐵素體和奧氏體雙相組織，可選用S316L焊絲。過渡焊主要是為避免出現(xiàn)焊縫的合金元素稀釋以及焊縫增碳可能出現(xiàn)裂紋等問題，可選用S309LMo焊絲。根焊和過渡焊采用手工鎢極氬弧焊，焊接時進行背面氬氣保護,填充焊和蓋面焊采用焊條電弧焊，可選用E4315焊條。焊接接頭如圖2所示。

圖2 焊接接頭示意

4 一體化防腐蝕技術(shù)

一體化防腐蝕技術(shù)是將粉末涂料良好的防腐蝕性能和不銹鋼的耐腐蝕性能集于一體而發(fā)展起來的新型防腐蝕技術(shù)，即“內(nèi)環(huán)氧噴涂+管口內(nèi)襯不銹鋼”小口徑管道一體化防腐蝕技術(shù)，簡稱內(nèi)環(huán)氧涂襯技術(shù)。該技術(shù)最大的優(yōu)點是現(xiàn)場免除了內(nèi)補口工序且能實現(xiàn)管內(nèi)防腐蝕層連續(xù)完好，能夠較好地解決制約小口徑管道的內(nèi)防腐蝕補口難題。目前在長慶油田得到了試驗和推廣，防腐蝕效果良好。

4.1 組 成

內(nèi)環(huán)氧涂襯技術(shù)包括三部分：(1)管端內(nèi)襯不銹鋼管；(2)管道內(nèi)表面環(huán)氧粉末防腐蝕層;(3)管道外表面環(huán)氧粉末或3LPE防腐蝕層(可根據(jù)需要增加保溫層)。不銹鋼管內(nèi)襯解決焊口內(nèi)防腐蝕問題，環(huán)氧粉末內(nèi)噴涂解決管道內(nèi)壁防腐蝕問題。小口徑管道內(nèi)外防腐蝕示意見圖3。

圖3 小口徑管道防腐蝕

4.2 工藝流程

內(nèi)環(huán)氧涂襯技術(shù)工藝流程為：鋼管內(nèi)表面噴砂除銹→鋼管外表面拋丸除銹→表面處理質(zhì)量檢驗(內(nèi)、外)→內(nèi)襯不銹鋼(機械復(fù)合、封焊、質(zhì)檢)→環(huán)氧粉末內(nèi)噴涂→環(huán)氧粉末外噴涂→涂層質(zhì)量檢驗(內(nèi)、外)。

4.3 技術(shù)特點

(1)可實現(xiàn)小口徑管道內(nèi)外防腐蝕(內(nèi)外防腐蝕+保溫)的一體化生產(chǎn)，所有工序均在工廠預(yù)制完成，質(zhì)量可控、可檢。

(2)內(nèi)防腐蝕層選用改性環(huán)氧粉末涂料，涂層耐熱性、耐磨性突出，成膜均勻，內(nèi)涂層表面光滑，可降低磨阻，提高管輸效率。

(3)將粉末涂料良好的防腐蝕性能和不銹鋼的耐腐蝕性能集于一體，現(xiàn)場免補口施工，提高了施工效率。

(4)可根據(jù)腐蝕介質(zhì)類別選擇不同的不銹鋼材質(zhì)，涂層覆蓋內(nèi)封焊部位至少20 mm，進一步增強過渡區(qū)的耐腐蝕性，避免了電偶腐蝕的發(fā)生。

(5)工廠預(yù)制與現(xiàn)場施工緊密結(jié)合，為保證焊縫的耐腐蝕性，避免合金元素稀釋，應(yīng)采用自保護藥芯焊絲鎢極氬弧焊打底+過渡焊，然后采用手工電弧焊填充蓋面。

(6)能滿足油氣田內(nèi)部集輸、單井、注水和污水管線的內(nèi)防腐蝕技術(shù)要求，適用于DN50及以上的管線防腐蝕。

5 結(jié) 語

目前常用的幾種內(nèi)防腐蝕技術(shù)都有各自的技術(shù)特點，在某些工程中得到了實際應(yīng)用，但每種技術(shù)都存在一定的局限性。內(nèi)環(huán)氧涂襯一體化防腐蝕技術(shù)將工廠預(yù)制和現(xiàn)場施工緊密結(jié)合，防腐蝕管質(zhì)量可檢可控，現(xiàn)場免內(nèi)補口施工，可以有效控制防腐蝕質(zhì)量、減緩內(nèi)壁腐蝕，尤其在小口徑管道內(nèi)防腐蝕方面具有推廣價值。