李國民 顏臘紅 宋兆軍 王偉 李文

中國石油冀東油田分公司

冀東陸上油田作業(yè)區(qū)緊鄰渤海灣，自然環(huán)境敏感，井場周邊遍布蝦池、魚塘，區(qū)域內(nèi)有3條較大河流（溯河、青龍河、雙龍河）和1條干渠直通入海。油田主要采用鋼質(zhì)管道進(jìn)行密閉集輸，產(chǎn)出液綜合含水率達(dá)到90%，介質(zhì)中含有CO2、H2S、SRB等腐蝕性物質(zhì)，隨著管道投用時間增長，管道內(nèi)表面出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢問題，造成流體輸送壓力增大，能耗增加，管道失效的風(fēng)險(xiǎn)在逐年遞增[1]。管道腐蝕失效給油田造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，并影響油田的正常生產(chǎn)。

1 集輸管道腐蝕概況

冀東陸上油田作業(yè)區(qū)地面集輸系統(tǒng)主要采用三級布站方式，原油從單井輸送至計(jì)量站，再混輸?shù)睫D(zhuǎn)油站，最后輸至聯(lián)合站，單井集輸采用雙管摻水密閉集輸工藝。管道按照使用類型分為單井油、單井水、計(jì)量間外輸、計(jì)量間主摻水、轉(zhuǎn)油站外輸?shù)裙艿?，管徑從DN40 mm至DN300 mm，材質(zhì)主要為20#無縫鋼管，無內(nèi)涂層。外防腐采用聚丙烯冷纏帶，保溫層采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫，防護(hù)層采用QXJ改性聚乙烯黃夾克。

自2012年在柳贊地區(qū)出現(xiàn)較大范圍管道穿孔后，陸上作業(yè)區(qū)集輸管道總穿孔次數(shù)和內(nèi)腐蝕穿孔次數(shù)均呈現(xiàn)較大幅度增長。至2016年集輸管道穿孔數(shù)達(dá)到了頂峰，每公里管道年穿孔達(dá)到了0.538 9次。分析近5年的腐蝕數(shù)據(jù)，管道以內(nèi)腐蝕失效為主，內(nèi)腐蝕穿孔占70%以上。

2 集輸管道腐蝕因素及對策

由于采用CO2吞吐采油工藝，大量的液態(tài)CO2被注入地層，其中一部分又經(jīng)過油井以氣態(tài)形式隨產(chǎn)出液產(chǎn)出，通過摻水系統(tǒng)管道到達(dá)非CO2吞吐井，最終在集輸系統(tǒng)全面覆蓋，各轉(zhuǎn)油站天然氣中CO2含量見表1。從表1可以看出，所有轉(zhuǎn)油站天然氣中均含有CO2，平均含量達(dá)到33.4%（體積分?jǐn)?shù)）。

表1 轉(zhuǎn)油站天然氣中CO2含量（體積分?jǐn)?shù)）Tab.1 CO2content of gas in transferring stations

CO2是一種易溶于水的氣體，溶于水后對鋼鐵有極強(qiáng)的腐蝕性，在相同的pH值下其總酸度比鹽酸高，因此它對油氣管材的腐蝕比鹽酸更嚴(yán)重，CO2溶腐蝕最典型的特征是呈現(xiàn)局部的點(diǎn)蝕[2]。從現(xiàn)場切割管道宏觀分析結(jié)果來看，腐蝕穿孔多發(fā)于管道內(nèi)壁中下部、彎頭、焊縫附近，穿孔附近多有垢層，表面覆蓋一層相對致密的腐蝕產(chǎn)物，局部腐蝕極其嚴(yán)重，呈現(xiàn)明顯的局部腐蝕特征（圖1、圖2）。

圖1 某轉(zhuǎn)油站外輸管道內(nèi)腐蝕形貌Fig.1 Internal corrosion morphology of the pipeline in a transferring station

圖2 內(nèi)腐蝕坑深達(dá)3.5 mmFig.2 3.5 mm depth of internal corrosion pit

解決管道內(nèi)腐蝕的方法之一是將腐蝕性介質(zhì)與管材進(jìn)行隔離。常用的方法有添加緩蝕劑、內(nèi)涂層防腐、PE管內(nèi)襯修復(fù)等技術(shù)，也可采用耐蝕管材、非金屬管材等對腐蝕嚴(yán)重的管道進(jìn)行更換。實(shí)踐表明，采用內(nèi)涂層或襯里使金屬與電解質(zhì)隔離是解決管道內(nèi)腐蝕的有效途徑[3]。涂料選擇范圍廣，具有適應(yīng)性強(qiáng)、施工工藝簡單、價格低廉、表面光滑、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)。對油田舊管道采用內(nèi)防腐修復(fù)，是減少投入、縮短停產(chǎn)時間、延長管道使用壽命、降低勞動強(qiáng)度的最佳選擇[4]。

3 管道修復(fù)技術(shù)

3.1 旋轉(zhuǎn)氣流法管道內(nèi)涂層防腐技術(shù)

旋轉(zhuǎn)氣流法管道內(nèi)涂層技術(shù)屬于一種原位管道內(nèi)涂層技術(shù)，在管道鋪設(shè)完成或投入使用后，在不移動管道或分段拆除的情況下，采用空氣動力學(xué)原理及物理方法，通過專利設(shè)備人為在管道內(nèi)制造“龍卷風(fēng)”，以非開挖的方式對管道內(nèi)壁進(jìn)行清垢除銹、涂層防腐的技術(shù)[5]。

旋轉(zhuǎn)氣流法管道內(nèi)涂層防腐技術(shù)主要施工工序如圖3所示，最主要的施工工藝是管道內(nèi)壁清垢除銹和涂層防腐。

技術(shù)特點(diǎn)：

（1）針對在役管道，可在不開挖或少量開挖條件下完成內(nèi)壁除銹防腐。

（2）適用管徑范圍大，從DN32 mm至DN500 mm。

（3）可施工管道長度較長，一次作業(yè)可達(dá)200～1 000 m。

（4）涂膜厚度可控，一次涂膜厚度約0.5 mm，多次可達(dá)2 mm以上。

關(guān)鍵工序及質(zhì)量控制：

（1） 施工管道作業(yè)分段。測量管道施工總長度，根據(jù)銹垢厚度與管道口徑的比值(k)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定一次性施工管段長度（表2），對施工管道進(jìn)行作業(yè)分段[6]。

圖3 旋轉(zhuǎn)氣流法管道內(nèi)涂層防腐技術(shù)施工工藝流程Fig.3 Construction process flow of the internal coating anti-corrosion technology with swirling flow in pipelines

表2 一次最佳施工長度Tab.2 Optimum construction length for once m

（2） 管道除銹。分次向磨料計(jì)量罐內(nèi)加入適量磨料，向冷卻潤滑計(jì)量罐內(nèi)加入適量冷卻潤滑液，操控旋流發(fā)生器制造旋轉(zhuǎn)氣流，夾帶物料持續(xù)撞擊、研磨管道內(nèi)壁，徹底清除內(nèi)壁附著的油蠟、銹垢，直至內(nèi)壁表面除銹等級達(dá)到GB/T 18923.1中規(guī)定的Sa 2.5級的標(biāo)準(zhǔn)，通過管道內(nèi)窺檢測的實(shí)時視頻對內(nèi)壁清垢效果進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)證。

（3）管道噴涂。管道噴涂共分以下四步：

每一步：噴涂前閉氣試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力0.6 MPa，保壓時間不少于30 min。

第二步：水洗作業(yè)。每個作業(yè)管段除銹等級達(dá)標(biāo)后，用適量清水對作業(yè)管段進(jìn)行清洗，排除管內(nèi)殘留的磨料碎末。

第三步：風(fēng)干作業(yè)。水洗作業(yè)后，用壓縮空氣或熱風(fēng)吹掃管內(nèi)水氣，使管內(nèi)相對濕度低于80%。

第四步：涂層防腐作業(yè)。風(fēng)干結(jié)束后立即向系統(tǒng)內(nèi)注入攪勻的涂料，開始涂層防腐作業(yè)，在尾部觀察無涂料液滴噴出后結(jié)束。

由于旋轉(zhuǎn)氣流法防腐技術(shù)在油田首次應(yīng)用，結(jié)合SY/T 0457《鋼制管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和Q/TDL 1001—2013《“旋轉(zhuǎn)氣流法”管道非開挖修復(fù)再造工程技術(shù)規(guī)程》，驗(yàn)收涵蓋以下幾項(xiàng)：①涂層外觀，要求表面光滑、無氣泡，可見螺旋狀細(xì)小波紋，涂層厚度達(dá)到合同要求，涂層覆蓋率≥99.9%；②針孔試驗(yàn)，在1 500 V電壓下不發(fā)生電火花擊穿現(xiàn)象；③硬度測試，用2H鉛筆在漆膜表面以45°角斜劃，表面無劃痕（不拉毛），附著力試驗(yàn)用劃格法測試，涂層不發(fā)生剝離等6個方面的內(nèi)容。

3.2 等徑壓縮HDPE內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)

等徑壓縮HDPE內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)是使用一種外徑比原管道內(nèi)徑稍大的改性HDPE管，經(jīng)多級等徑壓縮，暫時減小改性HDPE管的外徑，以非開挖的方式，經(jīng)牽引機(jī)將HDPE管拉入清洗除瘤合格的主管道內(nèi)，經(jīng)過一段時間后，改性HDPE管慢慢恢復(fù)并與原管道內(nèi)壁緊緊地結(jié)合在一起，形成“管中管”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，達(dá)到防腐和提高原管道承壓能力、延長使用壽命的目的。其施工示意圖見圖4。

圖4 HDPE管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)施工工藝示意圖Fig.4 Construction process schematic of HDPE pipeline liner restoration technology

等徑壓縮HDPE內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)主要施工工序如圖5所示。

技術(shù)特點(diǎn)：

（1）修復(fù)距離長，速度快。單段施工長度距離可達(dá)1 km，內(nèi)穿插時間約1 h。

（2）適用管徑范圍大，從DN100mm至DN1200 mm。

圖5 HDPE內(nèi)襯修復(fù)施工工序Fig.5 Construction procedure of HDPE liner restoration

（3）HDPE管材化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，防結(jié)垢，耐磨性能優(yōu)異，摩擦阻力系數(shù)低。

（4）原位修復(fù)最大限度地減小了對環(huán)境的破壞，在不便于開挖的地段技術(shù)優(yōu)勢明顯。

3.3 免補(bǔ)口熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)

結(jié)合地面工程鋼質(zhì)管道管徑小的特點(diǎn)，冀東油田采用了免補(bǔ)口熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)。在碳鋼管兩端預(yù)先焊接長為150 mm的316L不銹鋼短節(jié)，然后再做管線內(nèi)涂層，內(nèi)涂層管道經(jīng)過質(zhì)檢合格后，運(yùn)到現(xiàn)場進(jìn)行組對焊接，主要用于重要管道的更換。

施工工序：材料入廠檢驗(yàn)→管道兩端加工坡口→管道兩端焊接不銹鋼短節(jié)→焊縫無損檢測→管道外壁拋丸→管道內(nèi)壁拋丸→內(nèi)壁噴涂環(huán)氧粉末→管道外壁防腐→制作防腐冷場帶→制作黃夾克保溫層→成品管下線。

技術(shù)特點(diǎn)：

（1）環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層為一次成膜結(jié)構(gòu)。

（2）管線現(xiàn)場焊接是全不銹鋼焊接，不需要補(bǔ)口。

（3）管道內(nèi)涂層施工在工廠內(nèi)，施工環(huán)境好。（4）管道除銹和防腐層質(zhì)量控制更加到位。

4 管道防治技術(shù)的應(yīng)用

三種腐蝕防治技術(shù)在陸上油田都得到了推廣應(yīng)用，不同的技術(shù)適用于不同類型管道的腐蝕防治工作。

旋轉(zhuǎn)氣流法內(nèi)涂層技術(shù)適用于新建未投用、投產(chǎn)時間短且管道未發(fā)生過穿孔或者檢測評價管道內(nèi)腐蝕不嚴(yán)重（局部腐蝕深度≤1 mm）的集輸干線。由于G63轉(zhuǎn)外輸油管道、M10-M30外輸管道和M30-N5外輸管道介質(zhì)含水高，都含有CO2，管道投產(chǎn)時間較短（表3），為了避免3條管道出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)腐蝕問題，延長管道使用壽命，2017年對3條管道進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)氣流法內(nèi)涂層防腐處理，管道涂層檢驗(yàn)符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，管道運(yùn)行正常。管道內(nèi)涂層效果見圖6和圖7。

圖6 涂層外觀質(zhì)量Fig.6 Appearance quality of coating

相比于等徑壓縮HDPE內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)和免補(bǔ)口熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)，旋轉(zhuǎn)氣流法內(nèi)涂層防腐技術(shù)具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）施工費(fèi)用低。以DN100 mm的集輸管道為例，經(jīng)過測算，如果采用旋轉(zhuǎn)氣流法內(nèi)涂層修復(fù)技術(shù)比HDPE內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)節(jié)省費(fèi)用8.45萬元/km，相比應(yīng)用免補(bǔ)口熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)節(jié)省費(fèi)用19.88萬元/km。

表3 管道運(yùn)行參數(shù)Tab.3 Operation parameters of pipeline

（2）減少摩阻，降低能耗。當(dāng)管道內(nèi)壁除去垢層和腐蝕產(chǎn)物，噴涂環(huán)氧內(nèi)涂層后，表面光滑平整，可減少摩阻損失，降低了輸送能耗。

（3）施工效率高。旋轉(zhuǎn)氣流法內(nèi)涂層修復(fù)技術(shù)可在原位實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)涂層施工，只需開挖幾處作業(yè)坑，需要的機(jī)械設(shè)備少，所用工時短，施工效率高。

等徑壓縮HDPE內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)適用于穿跨越河流、干渠、養(yǎng)殖池、上水溝的高后果區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)管段或者工農(nóng)關(guān)系復(fù)雜的集輸干線。2018年分別在兩條D219 mm×7 mm穿越溯河管道上得到了成功應(yīng)用，與定向鉆更換管道相比，大大節(jié)約了腐蝕治理時間和費(fèi)用。

圖7 涂層硬度檢測Fig.7 Coating hardness test

免補(bǔ)口熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)適用于投產(chǎn)時間較長且穿孔次數(shù)大于5次，或者經(jīng)檢測評價管道整體腐蝕程度嚴(yán)重，腐蝕深度達(dá)到50%壁厚以上的集輸干線。2016年以來該技術(shù)主要應(yīng)用到腐蝕嚴(yán)重、多次發(fā)生穿孔的摻水主管道和集油干線，總長度超過80 km。

5 結(jié)束語

油田集輸管道腐蝕性介質(zhì)成分復(fù)雜，隨著油田綜合含水率的升高，油田集輸系統(tǒng)運(yùn)行過程中，因管道內(nèi)腐蝕穿孔造成的生產(chǎn)安全事故和環(huán)境污染事故仍將是油田管理者需要面對的難題之一[7]。冀東陸上油田作業(yè)區(qū)使用旋轉(zhuǎn)氣流法內(nèi)涂層防腐技術(shù)對集輸管道內(nèi)腐蝕進(jìn)行治理，目前已取得了較好的應(yīng)用效果，該技術(shù)具有施工效率高、質(zhì)量可靠、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，適用于腐蝕不嚴(yán)重或者新建設(shè)未投用的無內(nèi)涂層管道，可實(shí)現(xiàn)隔離腐蝕介質(zhì)、延長管道使用壽命的目的。