油气田防腐用双金属复合管研究现状

油气田防腐用双金属复合管研究现状
孙育禄;白真权;张国超;魏斌;朱世东
【摘要】本文从耐蚀性及经济性两方面对比分析了油气田用双金属复合管作为防腐措施的优势,并提供应用实例,对双金属复合管的成型方法及国内外应用现状进行了综述,并从基管、衬管以及双金属复合管的连接方面分析了现有标准的不足,这将为双金属复合管的更广泛应用提供技术支持.
【期刊名称】《全面腐蚀控制》
【年(卷),期】2011(025)005
【总页数】4页(P10-12,16)
【关键词】双金属复合管;成型方法;应用现状
【作者】孙育禄;白真权;张国超;魏斌;朱世东
【作者单位】西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安,710065;中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室,陕西西安,710065;中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室,陕西西安,710065;西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安,710065;中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室,陕西西安,710065;中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室,陕西西安,710065;中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室,陕西西安,710065;西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安,710049【正文语种】中文
【中图分类】TG179
0 前言
近年来，随着全球工业时代进程的加快，各国对能源的需求日益增加，能源问题已经成为各国经济发展的关键所在。

然而由于替代能源进展缓慢，各国对石油和天然气的需求持续增长，随着多年的不断开采，现对油气田的开采已向纵深及高腐蚀方向发展[1]。

对于具有强腐蚀性油气田的开采，添加缓蚀剂、采用塑料内涂层、采用耐蚀合金等传统单一的防腐技术及材料，在耐蚀可靠性、经济性指标上都难以平衡，已难以满足油气田发展的需要。

为了提高油气管防腐蚀性能和降低耐蚀合金成本，双金属复合管应运而生，并以优异的机械力学性能和耐腐蚀性能展现出广泛的应用前景[2]。

1 双金属复合管的优势
在油气田开发过程中，常采用的防腐措施主要有添加缓蚀剂、采用涂层防护以及采用耐蚀合金等。

但是，这些常用措施在实际应用中都存在着一定的缺陷和不足。

缓蚀剂防护具有严格的选择性，对某些介质或金属具有良好保护作用的缓蚀剂，对另一种介质或金属不一定有同样的效果。

在缓蚀剂的加注过程中，加注量、加注周期对缓蚀效果具有很大的影响，缓蚀剂性能不够稳定，防腐效果难以保证且存在功能较单一和二次污染等明显不足[3]。

涂层防护与涂层或镀层材料以及技术水平密切相关，一旦出现纰漏可能会加速腐蚀，并且有机涂层能否在腐蚀环境中长期工作，尚未得到可靠论证，因此，不普遍使用 [2]。

采用耐蚀合金在防腐性能方面可靠性较高，然而由于其价格极其昂贵，在很大程度上限制了它的应用，且耐蚀合金抗氢致开裂( HIC) 、硫化物应力腐蚀开裂( SSC)效果差，在应用过程中需求很高的工艺技术水平[4]。

双金属复合管其耐蚀合金层视环境而定，选择空间大，并且基体具有较高的机械力学性能，在强度方面不亚于普通碳钢管，因此，其具有广阔的应用空间，特别是在
高腐蚀性油气田中的应用。

文献[5]通过实例说明了双金属复合管的强耐蚀性能。

2005年，在牙哈凝析气田采气管道和集输管道的改造中设计采用了外管道为20#锅炉钢、内管道为316L的双金属复合管道，工程实施后，分别于2005年9月
10日及2006年4月26日对复合管道的实际运行情况进行检查，结果表明，管
道内壁和焊缝表面光洁、无腐蚀现象。

双金属复合管不仅具有和耐蚀合金同样的强耐蚀性能，在经济方面也很具优势。

文献[7]以徐深1集气站为背景（CO2分压为0.648MPa，CO2平均腐蚀速率为
0.9mm/a，气井平均开发年限20年），通过对碳钢加腐蚀裕量、碳钢、加缓蚀剂、耐蚀合金以及使用双金属复合管4种防腐技术进行了经济对比分析。

结果表明，
当CO2平均腐蚀速率大于0.45mm/a时，采用316L双金属复合管为最经济的防腐措施。

文献[4]以塔中1号凝析气田为背景（CO2分压为0.737MPa，H2S分压为0.319MPa，含凝析水），通过贴现法计算对比分析了X52NS 抗硫碳钢、添加缓蚀剂、2205 耐蚀合金管、2205/X52NS复合管4种防腐技术在20 年内各防腐技术的投资情况，结果表明，采用2205双金属复合管是最经济的防腐措施。

2 双金属复合管成型方法
双金属复合管根据结构类型可分为外包覆和内复合双金属复合管，外包覆复合管制造技术已经成熟并大量用于装饰及结构用管，国内主要引进国外先进技术并加以改进，内复合双金属复合管是一种油气田防腐需要的新型材料，主要用于强腐蚀性介质的输送管道[6]。

双金属复合管根据基层与衬层的结合形式可分为：机械结合[7]和治金结合[8]两大类。

近年来，国内外文献[6,9～11]报导了多种双金属复合管成型方法，有轧制、
挤压、堆焊、爆炸焊等传统成型方法，也有电磁成型、离心铝热剂法等新型成型方法。

各成型方法均有其优缺点，技术成熟并用于实际生产的成型方法见表1。

机械结合的成型方式成本低、工艺简单，但结合力小，界面属于非扩散结合，在高
温情况下易发生分层，导致双金属管失效；冶金结合的方式具有较高的结合强度，但成本高，生产工艺复杂。

双金属复合管的成型工艺种类繁多，应结合实际服役环境，综合考虑经济性、质量以及技术基础来决策。

3 双金属复合管应用现状
双金属复合管具有很强的综合性能，既具有优异的机械力学性能，又有很强的耐蚀性能，可根据不同服役环境选择基体与内衬的合理搭配，在节省贵重金属的同时又可降低了成本，因此，自1991双金属复合管投入使用以来，经过10余年的发展，得到了广泛的应用，并取得了明显的经济效益和社会效益。

1998年，美国石油协会（API）制定的双金属复合管道规范（API 5LD）更是很大程度上促进了双金属
复合管的应用[11]。

国外双金属复合管应用成果较多，自投入使用以来，目前在油气田应用已近20余万吨，美国墨西哥湾法尔韦油田早已有应用，日本NKK公司采用UOE工艺制造
的Cu-Ni合金复合管（含Ni 10%或30%）具有优良的耐海水腐蚀性和可焊性，
广泛用于海水淡化系统的海水引入管等。

另外，俄罗斯极北部和东部大陆架等油气田也都有应用[7,8]。

国内以316L为内衬的双金属复合管已在塔里木的牙哈气田、吉那气田、吉林的长岭1号、长庆、大庆徐深气田得到应用，已建地面输气管线
里程10公里，在建70公里，主要应用于低含量CO2地面集输管线和污水管线。

表1 双金属复合管成型方法成型方法特点结合方式生产厂家水压法结合力小，
易分层机械结合 Butting热挤压法限于碳钢、不锈钢和高镍合金间的复合，变形抗力小机械结合日本住友爆炸焊接法可实现多种金属间的复合，效率高，覆层金属可厚可薄，界面结合紧密机械结合西安向阳，成都贝根复合板焊接法可制造直径大于300 mm 以上石油天然气输送管道用复合钢管冶金结合 Butting粉末冶金法粉末法＋热等静压＋热挤压冶金结合日本山阳特钢，新日铁低熔点金属层粘结法结合界面之间采用低熔点金属层，再冷轧；结合强度大于300 MPa 冶金结合
美国，日本类无缝钢管法热穿孔，可生产Φ60.3～Φ219.1 mm复合管冶金结合NKK，西班牙挤压成形钢管公司离心铸造法结晶细密，机械性能好，结合面紧密，但内表面质量较差，且限制内衬金属熔点必须低于基材熔点冶金结合新兴铸管喷
射成型法近终形和半固态加工技术，基本成熟冶金结合瑞典AB山德维克钢厂，美国Bebcock & Wileox离心铝热法离心法+铝热反应冶金结合北京科技大学
国内外现有双金属复合管相关标准30余份，然而在实际应用过程中仍存在不足。

基管方面：
（1）现有标准要求基管的采用满足API 5L标准[12]，而API 5L标准是管线钢的
最低要求，在含H2S/CO2环境中，不能保证安全要求。

（2）基管的韧性指标是双金属复合管安全运行的重要影响因素之一，而现有标准对基管无冲击韧性要求，在含H2S/CO2环境中，不能保证安全要求。

（3）在含H2S/CO2环境中，基管易发生HIC和SSC失效，而现有标准对基管
无HIC和SSC性能评价。

衬管方面：
（1）现有标准要求衬管采用API 5LC标准，仅列出了5种材质，没有列入含
H2S/CO2环境中用材质。

（2）衬管的耐蚀性能是决定复合管使用寿命的关键因素之一，HIC/SCC和失重腐蚀是含H2S/CO2环境下的主要失效形式，评价和筛选至关重要，然而现有标准对衬管无HIC/SCC和失重腐蚀评价。

双金属管的连接方面：
在集输管网中应用双金属复合管时，往往需要进行焊接连接，其焊缝处的抗环境开裂能力以及耐蚀性能也是双金属复合管安全使用寿命的重要影响因素之一，而现有标准对焊缝的腐蚀行为以及耐蚀性能评价尚未形成相应的标准[2]。

4 结束语
双金属复合管生产制造技术已基本成熟，以爆炸复合法为例，国内西安向阳公司已处于国际先进水平，但国内对于双金属复合管的应用起步较晚，使用范围有限。

应立足于国内双金属复合管先进生产水平，借鉴国外应用经验，开展双金属复合管在可能使用的油气田腐蚀环境下的腐蚀行为和耐蚀性能研究，补充上面所述的不足，为双金属复合管的应用提供依据，使得双金属复合管得到更好的应用。

参考文献
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[4] 李发根, 魏斌, 邵晓东, 蔡锐等.高腐蚀性油气田用双金属复合管[J].油气储运．2010，29(5):359－362．
[5] 刘勇, 候远盛, 王义, 赵福俊等, 双金属复合管道在牙哈凝析气田的应用[J].油气田地面工程, 2009: 首页.
[6] 凌星中, 内复合双金属管制造技术[J].焊管.2001, 24(2): 43－46.
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[11] 顾建忠.国外双层金属复合钢管的用途及生产方法[J].上海金属.2000, 22 (4) :16－24.
[12] API 5LD-1998.耐蚀合金复合管道钢规范[S].Washington: API Publishing Services, 1998.。