油田管道玻璃釉內(nèi)防腐補(bǔ)口新技術(shù)

郭繼銀，方 艷，林 竹，賈福生，張 靖，鄧幫輝，張曉莉

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆庫(kù)爾勒 841000

鋼質(zhì)管道玻璃釉內(nèi)防腐層技術(shù)，是將特制的玻璃釉料熱噴涂到鋼管內(nèi)壁表面，形成玻璃與金屬?gòu)?fù)合防腐層，這種防腐層不僅具有優(yōu)良的防腐性能，同時(shí)還具有不易老化的特點(diǎn)。玻璃釉料可根據(jù)防腐性能要求、金屬膨脹系數(shù)和工藝特點(diǎn)進(jìn)行配制?？蓱?yīng)用于油田、化工、供水、污水處理、電力、造紙、煤礦等行業(yè)地上或埋地的金屬管道防腐及耐磨領(lǐng)域，近年來(lái)該技術(shù)在勝利、江漢等油田得到了工業(yè)化應(yīng)用，具有較好的防腐效果[1-4]。

由于玻璃釉防腐層是在工廠預(yù)制完成的，而管道端口的焊接需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，焊接產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致端口附近的玻璃釉防腐層發(fā)生開(kāi)裂、脫落等，特別是對(duì)于中小口徑管道，由于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)口施工難度較大，致使內(nèi)補(bǔ)口成為制約玻璃釉防腐管推廣應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸。

本文調(diào)研了玻璃釉補(bǔ)口防腐技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)堆焊不銹鋼補(bǔ)口技術(shù)用于玻璃釉防腐管的適用性進(jìn)行了測(cè)試研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試用，證明此種補(bǔ)口技術(shù)與玻璃釉防腐管具有較好的配套性，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 管道玻璃釉補(bǔ)口防腐技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自上世紀(jì)90年代管道玻璃釉防腐技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，配套的補(bǔ)口技術(shù)就一直在不斷發(fā)展完善，經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，用于管道玻璃釉內(nèi)涂層的配套補(bǔ)口技術(shù)主要包括平口焊接補(bǔ)口、承插壓接補(bǔ)口和堆焊不銹鋼補(bǔ)口三種。

1.1 平口焊接補(bǔ)口技術(shù)

平口焊接補(bǔ)口技術(shù)屬于最早的補(bǔ)口技術(shù)，顧名思義就是采用常規(guī)的焊接方式將兩根玻璃釉防腐管直接焊接起來(lái)，內(nèi)壁不再進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)口，由于在焊縫內(nèi)壁沒(méi)有防腐層，因此防腐效果不佳。為了改善補(bǔ)口防腐效果，后期在焊縫部位采用低溫熔融型玻璃釉，依靠焊接熱量將焊縫周圍的玻璃釉防腐層再次熔融并形成一個(gè)整體，但是實(shí)際應(yīng)用效果仍不能令人滿意，因此目前這種補(bǔ)口技術(shù)已經(jīng)被淘汰，或者僅用于部分腐蝕不太嚴(yán)重的管道工程中。

1.2 承插壓接補(bǔ)口技術(shù)

承插壓接法在國(guó)外稱為Zap-Lok，即先把鋼管的一端脹大，再把另一端整形縮小，連接時(shí)把鋼管的小端壓入另一根鋼管的大端，通過(guò)二者的過(guò)盈配合達(dá)到鋼管連接的目的，兩根管道連接的縫隙處采用密封膠進(jìn)行密封和防腐[5-8]。承插壓接補(bǔ)口結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 承插壓接補(bǔ)口結(jié)構(gòu)示意

該補(bǔ)口技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需進(jìn)行焊接動(dòng)火施工，只需要進(jìn)行承插壓接和膠液密封施工即可，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用，也取得了較好的應(yīng)用效果，但是，由于需要對(duì)管道端口進(jìn)行擴(kuò)口處理，這對(duì)于小口徑薄壁管道而言存在一定難度，有可能對(duì)管道強(qiáng)度造成不良影響，因此前期主要應(yīng)用于管徑＞114 mm的管道，而對(duì)于小口徑管道適用性不佳。

1.3 堆焊不銹鋼補(bǔ)口技術(shù)

近年來(lái)，科研人員研發(fā)出一種基于端頭堆焊不銹鋼的補(bǔ)口技術(shù)，利用端頭堆焊技術(shù)生產(chǎn)的防腐管可以現(xiàn)場(chǎng)直接焊接安裝，免除了內(nèi)補(bǔ)口工序，且能實(shí)現(xiàn)管內(nèi)防腐層連續(xù)完好，能夠較好地解決小口徑管道的補(bǔ)口難題[9-11]。

堆焊不銹鋼補(bǔ)口技術(shù)是預(yù)先在管端內(nèi)壁堆焊一定寬度和厚度的不銹鋼層，然后進(jìn)行管體內(nèi)外壁的防腐施工，將防腐管運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，采用相應(yīng)的不銹鋼焊材進(jìn)行焊接，焊接完成后無(wú)需再次進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)口，焊縫周邊部位的防腐功能由不銹鋼堆焊層和不銹鋼焊縫提供[12-13]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 堆焊補(bǔ)口防腐結(jié)構(gòu)示意

這種補(bǔ)口技術(shù)目前已較為成熟，前期主要用于熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層和液體無(wú)溶劑環(huán)氧防腐層的內(nèi)補(bǔ)口，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

為考察堆焊不銹鋼補(bǔ)口方式用于玻璃釉防腐管的可行性，開(kāi)展了相關(guān)的系列試驗(yàn)研究，包括對(duì)堆焊補(bǔ)口防腐材料的篩選、補(bǔ)口防腐層耐蝕性能測(cè)試和補(bǔ)口焊接工藝評(píng)定等，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)證明了實(shí)際的應(yīng)用效果。

2 補(bǔ)口防腐層材料篩選

為確定適宜的堆焊材料，開(kāi)展了堆焊不銹鋼材料的篩選研究，主要針對(duì)不同品種的不銹鋼耐蝕性能進(jìn)行了測(cè)試研究，一共選取了3種不銹鋼，包括316L奧氏體不銹鋼、2205雙相不銹鋼和Ni625鎳基不銹鋼，對(duì)這三種耐蝕合金材料的腐蝕速率進(jìn)行測(cè)試分析。

2.1 腐蝕速率測(cè)試

（1） 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：NACE TM-01-71 《金屬在高溫水中的高壓釜腐蝕試驗(yàn)》、NACE RP-0775-99《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析》、GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》。

（2）測(cè)試儀器：美國(guó)CORTEST高溫高壓釜，最高溫度350℃，最高壓力70 MPa。

（3）試樣要求：材質(zhì)分別為三種不銹鋼，試片加工尺寸為：50 mm×10 mm×3 mm。

（4）試驗(yàn)條件：5% NaCl溶液，80℃、168 h、14 MPa。

（5）測(cè)試結(jié)果：見(jiàn)表1。

從表1可以看出，三種不銹鋼材料在5% NaCl溶液介質(zhì)中的腐蝕速率從大到小排序?yàn)?16L＞2205＞Ni625，且均能滿足＜0.024 5 mm/a的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 不同種類不銹鋼的腐蝕速率測(cè)試結(jié)果

2.2 點(diǎn)蝕速率測(cè)試

由于實(shí)際工況（含CO2和Cl-）條件下發(fā)生的腐蝕主要是不均勻的點(diǎn)蝕，而且與均勻腐蝕相比，點(diǎn)蝕的發(fā)展速度更快，危害更大，因此對(duì)三種不銹鋼材料的點(diǎn)蝕速率進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。

（1） 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17897—2016《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》。

（2）測(cè)試儀器：恒溫水浴鍋、密封瓶、激光三維形貌儀。

（3）試樣要求：材質(zhì)分別為三種不銹鋼，試片加工尺寸為：50 mm×10 mm×3 mm。

（4） 試驗(yàn)條件：6% FeCl3溶液，50℃、常壓、24 h。

（5）測(cè)試結(jié)果：不同類型不銹鋼試樣點(diǎn)蝕速率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同類型不銹鋼試樣點(diǎn)蝕速率測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，三種不銹鋼材料在FeCl3溶液介質(zhì)中的點(diǎn)蝕速率以316L最高，2205和Ni625較輕，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的點(diǎn)蝕腐蝕率≤0.13 mm/a的要求，除316L外，其他兩種類型的不銹鋼的點(diǎn)蝕率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

同時(shí)，為了能清楚看到試件的微觀腐蝕狀況，利用奧林巴斯三維激光形貌儀對(duì)試件表面微觀形貌進(jìn)行了掃描，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 Ni625試件點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后三維激光掃描表面形貌

圖4 2205試件點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后三維激光掃描表面形貌

圖5 316L試件點(diǎn)蝕試驗(yàn)前后三維激光掃描表面形貌

通過(guò)微觀形貌可以看出，316L試件腐蝕最為嚴(yán)重，表面腐蝕坑最深；2205試件表面也出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，但是相對(duì)較淺，腐蝕較輕；Ni625試件的微觀形貌比較平整，幾乎沒(méi)有較大點(diǎn)蝕坑，說(shuō)明腐蝕傾向較小。經(jīng)過(guò)微觀形貌分析可以得出：三種耐蝕合金的耐點(diǎn)蝕性能由強(qiáng)到弱依次為Ni625＞2205＞316L。

通過(guò)對(duì)以上三種不銹鋼材料的腐蝕速率和點(diǎn)蝕速率的測(cè)試，結(jié)合對(duì)腐蝕后表面的微觀掃描，可以確定2205和Ni625的綜合耐蝕性能可以滿足現(xiàn)場(chǎng)防腐要求，綜合考慮成本因素，推薦采用2205作為堆焊不銹鋼材料。

3 玻璃釉補(bǔ)口防腐層性能測(cè)試

為考察玻璃釉補(bǔ)口防腐層的綜合性能，對(duì)采用雙相不銹鋼焊接的焊縫進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，并對(duì)玻璃釉補(bǔ)口防腐層的耐蝕性能進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。

3.1 焊接工藝評(píng)定

為驗(yàn)證玻璃釉堆焊耐蝕合金接頭的焊接質(zhì)量，委托中油一建焊接培訓(xùn)中心和中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司焊接實(shí)驗(yàn)室對(duì)采用雙相不銹鋼焊接的焊縫進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定（見(jiàn)圖6），測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用石油行標(biāo)SY/T 0452—2012《石油天然氣金屬管道焊接工藝評(píng)定》。具體的焊接工藝參數(shù)如下：

圖6 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留試驗(yàn)旁通

鋼管尺寸：D60 mm×5.5 mm；鋼管材質(zhì)：20#鋼；打底焊焊材：ER2209，φ2.4 mm；填充及蓋面焊材：E309L-16，φ2.0 mm；焊接方法：SMAW；焊接電流：70～90 A。

按照SY/T 0452—2012《石油天然氣金屬管道焊接工藝評(píng)定》要求，評(píng)定的主要技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，采用上述方式焊接的管道端口焊接質(zhì)量完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 焊縫焊評(píng)主要性能指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果

3.2 耐蝕性能測(cè)試

為考察玻璃釉補(bǔ)口部位防腐層在實(shí)際工況條件下的耐蝕性能，采用高壓釜對(duì)玻璃釉補(bǔ)口防腐層的耐蝕性能進(jìn)行了室內(nèi)加速試驗(yàn)。

（1） 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：SY/T 0442—2010《鋼制管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》附錄H。

（2）測(cè)試儀器：美國(guó)CORTEST高溫高壓釜，最高溫度350℃，最高壓力70 MPa。

（3）試樣要求：試樣截取自防腐管，尺寸為200 mm×75 mm×7 mm，內(nèi)壁帶玻璃釉防腐層、2205雙相不銹鋼堆焊層和焊縫，玻璃釉防腐層與堆焊層邊緣搭接寬度為50 mm。

（4） 試驗(yàn)條件：5% NaCl溶液，80℃、14MPa、168 h。

（5） 測(cè)試條件：5% NaCl溶液，80℃、14 MPa（94% N2+6% CO2，百分?jǐn)?shù)為分壓比），168 h；5% NaCl溶液，100℃、14 MPa（94% N2+1% H2S+5% CO2），168 h。

（6）測(cè)試結(jié)果：見(jiàn)表4。

從以上高壓釜耐蝕試驗(yàn)結(jié)果可以看出，玻璃釉補(bǔ)口防腐層在兩種不同的試驗(yàn)條件下具有較好的耐蝕性能。

4 玻璃釉補(bǔ)口技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為考察不銹鋼堆焊補(bǔ)口技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，在塔里木油田進(jìn)行了實(shí)際工況條件的現(xiàn)場(chǎng)試用，具體做法為：在某井口集輸流程增加旁通，管材采用帶不銹鋼堆焊補(bǔ)口的玻璃釉防腐管段，安裝施工完成后打開(kāi)旁通進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行，以考察玻璃釉防腐管及不銹鋼堆焊補(bǔ)口的實(shí)際使用效果。

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇了某采油作業(yè)區(qū)的單井井口管道。該地區(qū)輸送介質(zhì)為含有CO2和Cl-的含水原油，腐蝕性較強(qiáng)，平均不到1年即發(fā)生一次刺漏。該管道管徑為DN80，壁厚4.5 mm，材質(zhì)為20#鋼，工作溫度20～30℃，壓力1.6～2.5 MPa，輸送介質(zhì)為含水率91.5%的含水原油。用于旁通的管段采取同樣的管徑和材質(zhì)，內(nèi)襯玻璃釉防腐層，管端堆焊不銹鋼，并在現(xiàn)場(chǎng)采用不銹鋼焊接材料進(jìn)行焊接。

試驗(yàn)管段于2019年9月完成安裝并投入運(yùn)行，截止到目前運(yùn)行情況良好。試驗(yàn)管道安裝布置及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見(jiàn)圖6、圖7。

圖7 采用不銹鋼焊材進(jìn)行焊接的試驗(yàn)管段

目前，采用該種補(bǔ)口技術(shù)的玻璃釉防腐管已經(jīng)在勝利油田、塔里木油田得到了工業(yè)應(yīng)用，其中在勝利油田仙河采油廠的管道防腐工程中已經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用，2019—2020年共應(yīng)用278 km，且應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為管道玻璃釉內(nèi)防腐的配套技術(shù)，玻璃釉內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)從最初的平口焊接補(bǔ)口逐步過(guò)渡到承插壓接補(bǔ)口，目前已經(jīng)發(fā)展到堆焊不銹鋼補(bǔ)口，其中，采用2205雙相不銹鋼材料的堆焊不銹鋼補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)室內(nèi)研究測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其綜合防腐性能優(yōu)良，且與管道玻璃釉內(nèi)涂層具有較好的配套性，可以較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要，有望在中小口徑管道內(nèi)防腐工程中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。