油氣集輸管線內防腐蝕技術

(陜西宇陽石油科技工程有限公司，陜西 西安 710018)

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

集輸管道內腐蝕控制措施常采用內防腐蝕層、復合管線管及一體化防腐蝕技術。內防腐蝕層技術主要解決焊口內補口問題，分為工廠預制和風送擠涂兩種。復合管線管技術主要為雙金屬復合管，一體化技術主要為內環氧噴涂+管口內襯不銹鋼。該文主要對這些技術的應用特點及施工要求進行了介紹，包括補口機補口、風送擠涂、復合管線管、內環氧噴涂及管口內襯一體化防腐蝕技術等。

1 補口機補口技術

目前，內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的認同，同時隨著機械化、自動化水平的不斷提高和新型環保生產線的研發，內防腐蝕涂層已實現工廠內噴丸、涂敷自動化，能滿足相關標準的質量要求。補口機主要適用于工廠預制防腐蝕涂層的現場補口，該技術由兩步完成：一是在防腐蝕工廠對單管進行內壁除銹和涂敷施工；二是在現場采用內涂層補口機對鋼質管道焊接接頭內表面進行液體涂料涂敷施工。由于防腐蝕涂層完全由專業化的生產線預制完成，因此對生產線不做贅述，僅介紹補口機補口工藝。

1.1 補口機工作原理

內涂層補口機是用于現場對鋼質管道焊接接頭內表面進行表面處理、涂敷液體涂料以及對內涂層質量進行檢測的專用設備[1]。

管道內涂層補口機是集成化設備，具有行走、定位、除銹、除塵、噴涂和檢測等功能，一般由管內作業小車和管外監控部分組成[2]。其中管內作業小車由除銹車、噴涂車和主機構成，小車之間通過活扣連接，可在一定幅度內擺動，便于整機拐彎；管外監控系統包含控制系統、圖像監視器及工作電源等。工作時，通過控制器操控管內作業小車完成“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→補口機安裝調試→加注涂料→啟動行走→定位→表面處理→除銹質量檢驗→第一遍涂敷→涂層質量檢驗→根據設計或厚度要求進行后續涂敷→涂層質量檢驗。

內補口前先使用檢測機對管段內部進行探測，及時清除影響內補口施工的因素,然后對補口機管內作業小車、管外監控系統調試,下一步涂敷,最后進行外觀檢查、厚度檢測和漏點檢測。

1.3 補口機技術特點

(1)由于受補口機結構、機載涂料用量及現場地形等條件限制，內補口最大連續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，不能滿足涂層質量的檢測要求。

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

(5)除銹系統對環焊縫及熱影響區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量檢驗，制約了施工進度。

(6)涂裝質量無法保證是采用補口機的普遍問題，主要表現在：首先漆膜厚度不均勻、系統不穩定；其次作業時管道中第一道涂層固化狀態不易判斷，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 風送擠涂技術

為克服噴涂、內補口機補口技術在小口徑管道上應用的瓶頸，研發了在公稱直徑≥50 mm的集輸管線上風送擠涂技術，正、反雙向擠涂。該技術是在管道組焊埋地后，對管道內壁進行防腐蝕，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，在管道內壁形成均勻、連續的涂層，從而將管道內壁與腐蝕介質有效隔離[3]。該工藝目前已在長慶油田大面積應用，形成了特有的纖維增強復合防腐蝕內襯技術(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是以環氧樹脂為主要成膜物，添加了包含玻璃纖維在內的助劑，具有較強的耐磨性和厚涂性能的防腐蝕涂料。涂料中環氧樹脂固化后形成穩定的網狀立體結構[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、分散了應力，減小了各接觸面的殘余應力，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：施工現場的準備,包括技術交底、管道通球、清掃、試壓、待涂管段無關組件封堵等。第三步：管道內壁在線噴砂除銹。第四步：管道噴砂除銹質量檢查。第五步：內壁風送擠涂(根據設計要求，多道涂敷)。第六步：管道內涂層質量檢查。

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》中規定的Sa2.5級，確保內防腐蝕層的附著力，防止防腐蝕層脫落。管道噴砂除銹前，應清除管壁上的油垢、結蠟和腐蝕產物等；除銹使用的磨料應符合SY/T 0407—2012《涂裝前鋼材表面處理規范》的規定，空氣壓縮機的壓力應控制在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——不同規格管線每平米所用時間，s，取5～10 s；

K——噴砂系數，取1～1.25；

n——管道長度，km，取整數。

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

2.2.3 內壁擠涂

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

管道涂敷前，應按式(2)[6]計算涂料用量:

(2)

式中：G——涂料計算用量，kg；

K′——裕度系數，取1.5～1.8；

Di——管道內徑，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——涂料固體質量分數，%。

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

2.3 存在問題

HCC技術一次可完成數千米的施工，除銹在現場完成，因受地形環境、管道工況和人為因素的影響，僅可從始末端進行除銹質量檢查，表面處理質量不受控，會對涂層質量造成不良影響。擠涂完成后內涂層的檢測只能通過管端或隨機預埋的短接進行，無法保證管道整體內涂層施工質量，涂層效果跟蹤評價困難。

3 復合管技術

復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點設計的一類管道，基體層作為主體滿足管道的力學性能指標并且價格低廉，復合層與介質接觸，滿足防腐蝕需求。復合管主要是雙金屬復合管和鋼塑復合管兩類。鋼塑復合管主要適用于給水、排水和消防水管道，在集輸管線上無應用實例。

3.1 技術簡介

雙金屬復合管是在碳鋼管內壁襯一薄層耐蝕合金，復合管的基層和復合層通過機械結合和冶金結合兩種形式制造而成，端部采用封焊連接。耐蝕合金可根據油田腐蝕環境選擇，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

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

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合管能否大規模應用于油氣田集輸系統的關鍵[9]。

國內復合管主要是機械結合，未達到冶金結合，基層、復合層之間存在一定的間隙，其結構的特殊性導致焊接時易產生主要合金元素燒損、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]。從力學和耐腐蝕性兩個方面考慮，以基層L245N+復合層316L機械式復合管為例，為提高焊縫和熱影響區的耐腐蝕性能，常規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，現場組對焊接。根部焊是復合管焊接質量要求最高的工序，目的是保證復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焊縫的合金元素稀釋以及焊縫增碳可能出現裂紋等問題，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

一體化防腐蝕技術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展起來的新型防腐蝕技術，即“內環氧噴涂+管口內襯不銹鋼”小口徑管道一體化防腐蝕技術，簡稱內環氧涂襯技術。該技術最大的優點是現場免除了內補口工序且能實現管內防腐蝕層連續完好，能夠較好地解決制約小口徑管道的內防腐蝕補口難題。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

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

圖3 小口徑管道防腐蝕

4.2 工藝流程

內環氧涂襯技術工藝流程為：鋼管內表面噴砂除銹→鋼管外表面拋丸除銹→表面處理質量檢驗(內、外)→內襯不銹鋼(機械復合、封焊、質檢)→環氧粉末內噴涂→環氧粉末外噴涂→涂層質量檢驗(內、外)。

4.3 技術特點

(1)可實現小口徑管道內外防腐蝕(內外防腐蝕+保溫)的一體化生產，所有工序均在工廠預制完成，質量可控、可檢。

(2)內防腐蝕層選用改性環氧粉末涂料，涂層耐熱性、耐磨性突出，成膜均勻，內涂層表面光滑，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，現場免補口施工，提高了施工效率。

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

(5)工廠預制與現場施工緊密結合，為保證焊縫的耐腐蝕性，避免合金元素稀釋，應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)能滿足油氣田內部集輸、單井、注水和污水管線的內防腐蝕技術要求，適用于DN50及以上的管線防腐蝕。

5 結 語

目前常用的幾種內防腐蝕技術都有各自的技術特點，在某些工程中得到了實際應用，但每種技術都存在一定的局限性。內環氧涂襯一體化防腐蝕技術將工廠預制和現場施工緊密結合，防腐蝕管質量可檢可控，現場免內補口施工，可以有效控制防腐蝕質量、減緩內壁腐蝕，尤其在小口徑管道內防腐蝕方面具有推廣價值。