張金星，夏曉暉，宋成立，李先明，譚川江，李紀(jì)朋，林冠發(fā)

（1.中國(guó)石油股份公司 塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077）

目前油田隨著深井、超深井的不斷開發(fā)和生產(chǎn)，盡管在井口采取節(jié)流措施，但地面管線還是面臨高溫高壓的腐蝕環(huán)境，對(duì)地面集輸管線的管材提出了更高的要求。21 世紀(jì)初，開發(fā)并應(yīng)用于油田的雙金屬?gòu)?fù)合管得到了大力推廣，對(duì)氣田集輸系統(tǒng)產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也帶來(lái)應(yīng)用過(guò)程中的諸多問題[1-3]。截至2015 年，塔里木油田已使用的超400 km 長(zhǎng)的雙金屬機(jī)械復(fù)合管，就已經(jīng)發(fā)生了66 次失效事件，給油田造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和人力消耗[4-6]。盡管如此，由于機(jī)械復(fù)合管同隨后出現(xiàn)的冶金復(fù)合管相比，其管體的生產(chǎn)成本小，工藝技術(shù)和制造過(guò)程簡(jiǎn)單，因此具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)內(nèi)外各油田得到廣泛的應(yīng)用[7-11]。近年來(lái)，生產(chǎn)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和油田用戶對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的生產(chǎn)與應(yīng)用做了許多試驗(yàn)與研究工作，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題提出了較多的改進(jìn)措施，使得該產(chǎn)品得到了不斷完善。

1 常見制造方法及其比較

從結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)，目前雙金屬?gòu)?fù)合管的耐蝕層與基管的復(fù)合主要有機(jī)械式復(fù)合和冶金復(fù)合2 種。相比較而言，冶金復(fù)合管的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)大于機(jī)械式復(fù)合管，因此目前在油田廣泛應(yīng)用的雙金屬?gòu)?fù)合管就是機(jī)械式復(fù)合管。雙金屬機(jī)械式復(fù)合管主流制造方法的原理與優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 雙金屬機(jī)械式復(fù)合管主要制造方法原理與優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Principles and characteristics of the main manufacturing methods of bimetallic mechanical composite pipes

在塔里木油田應(yīng)用最多的是爆炸復(fù)合法制造的復(fù)合管，其次是機(jī)械旋壓法和液壓脹形法[12]。最初，前者占90%以上，后二者不足10%，但隨著爆炸復(fù)合管失效次數(shù)的增加，后二者的應(yīng)用比例逐漸增大。從失效分析來(lái)看，塔里木油田應(yīng)用機(jī)械復(fù)合管當(dāng)然是用量最大的爆炸復(fù)合管，特別是鼓包或塌陷的比例最大，而后來(lái)采用機(jī)械旋壓法和液壓脹形法生產(chǎn)的復(fù)合管這方面失效較少，機(jī)械旋壓法復(fù)合管最少。

2 油田應(yīng)用中典型失效類型及原因分析

塔里木油田運(yùn)用雙金屬?gòu)?fù)合管始于2005 年，首先在牙哈作業(yè)區(qū)鋪設(shè)一試驗(yàn)段，試驗(yàn)取得成功后，在油田開始推廣應(yīng)用。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大和時(shí)間的延長(zhǎng)，以傳統(tǒng)焊接工藝進(jìn)行封焊和對(duì)焊的雙金屬機(jī)械復(fù)合管存在的問題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，其主要問題就是管材的失效。該類管材失效主要有環(huán)焊縫腐蝕刺漏或穿孔、環(huán)焊縫開裂、內(nèi)襯鼓包或塌陷、爆管、基管本體穿孔等，其失效的原因也有許多方面。

2.1 環(huán)焊縫腐蝕刺漏或穿孔

環(huán)焊縫腐蝕刺漏或穿孔是雙金屬機(jī)械復(fù)合管失效比較多的一種形式，也是導(dǎo)致環(huán)焊縫開裂的重要因素之一。一般是先在內(nèi)表面的焊縫及其熱影響區(qū)處形成腐蝕坑（因封焊部位多次加熱而產(chǎn)生貧鉻區(qū)），有些則是內(nèi)焊縫余高因局部的腐蝕而降低，然后腐蝕坑擴(kuò)大而相連形成腐蝕溝槽，或是腐蝕坑加大加深，最后腐蝕至剌漏或穿孔，如圖1 所示。形成環(huán)焊縫腐蝕剌漏或穿孔的部位大部分處于管線的底部，主要集中于4 點(diǎn)到8 點(diǎn)區(qū)間（如圖2 所示），而在管道上半部的環(huán)焊縫上也有形成相對(duì)較少的腐蝕坑或點(diǎn)蝕，極個(gè)別也可造成剌漏或穿孔。

圖1 克深區(qū)塊雙金屬機(jī)械復(fù)合管環(huán)焊縫內(nèi)腐蝕坑或槽形貌Fig.1 Morphology of corrosion pits or grooves in the girth weld of the composite pipe

圖2 克深區(qū)塊雙金屬機(jī)械復(fù)合管環(huán)焊縫刺漏或穿孔位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 Results of puncture or perforation position in the girth weld of the composite pipe

分析這類失效原因，首先是塔里木油田應(yīng)用最多的克拉蘇區(qū)塊，其地面集輸系統(tǒng)面臨高壓（節(jié)流后最高12 MPa）、高溫（最高70.4 ℃）環(huán)境，天然氣中有較高含量的 CO2組分（最高物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.04%），地層水含很高的Cl–（最高1.25×105mg/L），因此腐蝕環(huán)境較為苛刻，內(nèi)襯發(fā)生點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、與基管電偶腐蝕等破壞的風(fēng)險(xiǎn)較高[13]。其次，主要是襯層熱影響區(qū)的耐蝕性相對(duì)母材變差了，是因?yàn)橐r層在封焊、根焊、填充焊或過(guò)渡焊的多次加熱過(guò)程中形成了貧鉻相，在高含Cl–情況下就可形成腐蝕坑或溝槽。第三，焊接時(shí)焊縫存在諸多缺陷和根焊使得襯層引入過(guò)多的基管成分，導(dǎo)致其耐蝕性下降。第四，管線介質(zhì)溫度的變化導(dǎo)致基管與內(nèi)襯的熱膨脹造成焊縫處應(yīng)力集中，從而加速了內(nèi)襯的腐蝕，也就是應(yīng)力腐蝕比一般均勻腐蝕或非應(yīng)力腐蝕的局部腐蝕要快得多[14-15]。

由于焊縫及其熱影響區(qū)是管材失效的薄弱部位，因此焊縫的力學(xué)性能和耐蝕性能等就成為管材失效的重要影響因素。針對(duì)塔里木油田克深二氣田所用的內(nèi)襯是316 L 不銹鋼的雙金屬機(jī)械復(fù)合管，最初的焊縫焊接工藝是免充氬保護(hù)氬弧焊封焊（R309LT1-5 藥芯焊絲，帶內(nèi)保護(hù)）+根焊（R316LT1-5 藥芯焊絲）+過(guò)渡層焊（ER309 MoL 實(shí)芯焊絲）+電弧焊填蓋（CHE427 或CHE507 碳鋼焊條），隨后采用免充氬保護(hù)氬弧焊封焊（R309LT1-5 藥芯焊絲，帶內(nèi)保護(hù)）+根焊（R316LT1-5 藥芯焊絲）+過(guò)渡層焊（ER309 MoL實(shí)芯焊絲）+手工焊填蓋（不銹鋼焊材，ATS-309 MoL）的焊接工藝[5]。由于最初根焊采用了耐蝕性不是很好的不銹鋼焊絲，雖然較基管的耐蝕性要好，但比內(nèi)襯的耐蝕性只是略好，同時(shí)加上不能很好保證現(xiàn)場(chǎng)焊接的質(zhì)量，并在根焊部位存在基管與襯管的應(yīng)力集中，使得焊縫耐蝕性（實(shí)際上就是抗應(yīng)力腐蝕性能）急劇下降，所以焊縫處及其熱影響區(qū)就很容易被腐蝕，甚至造成應(yīng)力腐蝕開裂而刺漏，還未開裂時(shí)則形成較多一定深度的腐蝕溝槽。這樣應(yīng)力腐蝕過(guò)程對(duì)最初一般不銹鋼焊絲的過(guò)渡焊層同樣也有發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)一些焊縫失效包括過(guò)渡焊層也被嚴(yán)重的腐蝕就說(shuō)明這種情況，如圖3 所示，其中圖3b 上的基管已穿孔。

圖3 克深區(qū)塊雙金屬機(jī)械復(fù)合管環(huán)焊縫橫截面腐蝕形貌Fig.3 Corrosion morphology of the cross section of the circumferential weld of the composite pipe

2.2 環(huán)焊縫開裂

環(huán)焊縫開裂是雙金屬機(jī)械復(fù)合管失效很重要的一種形式，其典型特征是開裂沿著焊縫擴(kuò)展，多數(shù)開裂處于焊縫與母材熔合線附近的封焊部位，特別是最初雙金屬機(jī)械復(fù)合管焊接采用309 焊絲根焊、過(guò)渡區(qū)和蓋面采用碳鋼焊條的封焊焊縫發(fā)生這種開裂的情形較多。從宏觀角度來(lái)看，多數(shù)環(huán)焊縫開裂發(fā)生在彎頭和管道應(yīng)力集中的部位，其宏觀形貌如圖4 所示。

圖4 塔里木油田雙金屬機(jī)械復(fù)合管環(huán)焊縫開裂形貌Fig.4 Cracking morphology of the girth weld of the composite pipe in Tarim oilfield

這種失效的原因首先就是基層與襯層之間的缺口和溫差引起襯層與基層熱膨脹，導(dǎo)致封焊位置存在應(yīng)力集中，易引發(fā)裂紋的萌生（通過(guò)塔里木油田克深區(qū)塊地面集輸所用同類管材運(yùn)行5 年多的焊縫無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有焊縫均存在不同長(zhǎng)度的裂紋，最短15 mm，最長(zhǎng)350 mm[5]）。其次，由于電弧熱作用，封焊、根焊、填充焊或過(guò)渡焊對(duì)襯層耐蝕性產(chǎn)生影響（主要是導(dǎo)致熱影響區(qū)貧鉻區(qū)形成）[16-18]，易形成腐蝕坑而成為焊縫開裂的起裂點(diǎn)。第三，封焊焊接時(shí)，內(nèi)襯不可避免地會(huì)熔入較多的基層碳鋼成分或在這一過(guò)程中產(chǎn)生馬氏體，會(huì)造成該處的硬度偏高，止裂性差而易開裂。第四，封焊后，由于基管與襯層的縫隙存在，所以等于給封焊的焊縫預(yù)留一個(gè)缺口或裂紋，在后續(xù)使用過(guò)程中將成為封焊焊縫開裂的起裂源，在現(xiàn)場(chǎng)這種焊接的機(jī)械復(fù)合管就發(fā)生了此類環(huán)焊縫開裂事件。第五，封焊后根焊附近有時(shí)存在類似未熔合、裂紋、氣孔等缺陷也是環(huán)焊縫開裂的重要原因之一，其形貌見圖5。

圖5 克深區(qū)塊機(jī)械復(fù)合管環(huán)焊縫處的缺陷及襯管與基管交接處Fig.5 Defects in the girth weld of the pipe and the junction of the liner and the base pipe

2.3 內(nèi)襯塌陷或鼓包

雙金屬內(nèi)襯復(fù)合管的內(nèi)襯塌陷或鼓包是其最為嚴(yán)重的一種失效形式（見圖6），因?yàn)檫@在所有雙金屬機(jī)械復(fù)合管失效類型中所占的比例最大，有些管徑高達(dá)到68%[5]。雖然大部分內(nèi)襯塌陷或鼓包不能完全阻斷介質(zhì)的流動(dòng)，但對(duì)介質(zhì)流態(tài)則產(chǎn)生了較大影響。如塌陷占據(jù)了管內(nèi)有效的橫截面，流態(tài)發(fā)生了改變，輸送阻力急劇升高，嚴(yán)重影響管線的正常運(yùn)行。

圖6 塔里木油田用雙金屬機(jī)械復(fù)合管內(nèi)襯塌陷或鼓包形貌Fig.6 Lining collapse or bulge morphology of the composite pipe used in Tarim oilfield

內(nèi)襯塌陷或鼓包的直接原因應(yīng)當(dāng)是內(nèi)襯與基管的結(jié)合力太小和管內(nèi)壓發(fā)生突然改變而造成的，這是由其本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。從生產(chǎn)原理和制造過(guò)程來(lái)看，耐蝕內(nèi)襯與維持管體強(qiáng)度的碳鋼基管是通過(guò)過(guò)盈相嵌起來(lái)的，內(nèi)襯先是彈性變形再塑性變形，在維持一定的殘余應(yīng)力后，與基管貼合在一起；基管則是通過(guò)彈性變形與內(nèi)襯貼合在一起的，因此內(nèi)襯與基管之間的表面沒有任何粒子或原子的滲透和擴(kuò)散等物質(zhì)傳輸，僅僅是機(jī)械貼合在一起，并沒有形成冶金熔合區(qū)[19]。由此看來(lái)，內(nèi)襯與基管的結(jié)合力應(yīng)當(dāng)比較小，其間不加任何其他膠粘劑時(shí)，純機(jī)械附著力（一般檢測(cè)的是剪切強(qiáng)度）一般只有幾個(gè)兆帕或更小。如果該類管材采用3PE 外防腐層時(shí)，可能這一附著力還會(huì)降低。因?yàn)橹谱?PE 防腐層時(shí)，其內(nèi)層目前采用的熔結(jié)環(huán)氧粉末通過(guò)加熱200～240 ℃后涂敷上去的，而這一加熱溫度正是金屬及其零件的低溫回火溫度，其熱處理主要的作用是消除金屬部件中存在的殘余應(yīng)力[20]，而雙金屬機(jī)械復(fù)合管就是憑借這種殘余應(yīng)力使得內(nèi)襯材料與基管保持貼合狀態(tài)，因而其采用3PE 外防腐層施工可能導(dǎo)致內(nèi)襯與基管的附著力降低，這是造成內(nèi)襯層鼓包和塌陷的關(guān)鍵因素之一。不同規(guī)格的雙金屬機(jī)械復(fù)合管在外防腐層施工完成后，通過(guò)拉脫法測(cè)定的剪切強(qiáng)度見表2[21]。研究表明，一定的結(jié)合強(qiáng)度能夠提高機(jī)械式復(fù)合管的抗鼓包能力，但結(jié)合強(qiáng)度提高到一定程度后，再提高則不會(huì)對(duì)復(fù)合管鼓包產(chǎn)生明顯改善，而且過(guò)大會(huì)造成襯管的反向屈服，反而加劇了失穩(wěn)，因此機(jī)械式復(fù)合管的結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)[22]。

表2 不同規(guī)格雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Bonding strength test results of bimetallic composite pipes of different specifications

同時(shí)，如果內(nèi)襯與基管間殘留少量的空氣或水分時(shí)，在進(jìn)行內(nèi)層熔結(jié)環(huán)氧粉末的加熱涂敷時(shí)，則層間的空氣就會(huì)受熱膨脹或水分受熱汽化進(jìn)而膨脹。這時(shí)較薄的內(nèi)襯（最初一般為1.5～2.5 mm）由于受基管約束而只能向內(nèi)鼓起，形成了內(nèi)襯的鼓包或塌陷現(xiàn)象，有時(shí)即使加熱涂敷結(jié)束管體恢復(fù)到常溫，其鼓包或塌陷也無(wú)法恢復(fù)到加熱前的形態(tài)，這就是內(nèi)襯的鼓包或塌陷是發(fā)生屈曲失穩(wěn)塑性變形的緣故[23]。因此，加熱涂敷環(huán)氧熔結(jié)粉末可導(dǎo)致部分雙金屬機(jī)械復(fù)合管產(chǎn)生鼓包或塌陷現(xiàn)象而被直接查看出來(lái)。對(duì)塔里木油田一區(qū)塊所用雙金屬機(jī)械復(fù)合管3PE 外防腐層施工完成后，檢查到的內(nèi)襯鼓包、塌陷結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3[5]。由表3 可見，雙金屬機(jī)械復(fù)合管管徑并不是越大越容易鼓包或塌陷，而內(nèi)襯越薄則越易發(fā)生。由此得出管徑越小或內(nèi)襯越厚，內(nèi)襯發(fā)生鼓包或塌陷的可能性越小。

表3 雙金屬?gòu)?fù)合管外防腐后襯層鼓包、塌陷比率Tab.3 Rate of bulging and collapse of the lining layer after the external anticorrosion of the pipe

導(dǎo)致雙金屬機(jī)械復(fù)合管內(nèi)襯鼓包或塌陷還有其他因素，比如內(nèi)襯與基管因熱膨脹系數(shù)不同，在外防腐施工和生產(chǎn)過(guò)程中，由于溫度的不斷改變而使內(nèi)襯與基管可發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而造成附著力的不斷減小而可能導(dǎo)致內(nèi)襯的鼓包或塌陷[23]。管線投產(chǎn)后，發(fā)生關(guān)?；蚰程幍呢萋┗虼┛?，甚至爆管造成內(nèi)壓的急劇下降也可引起內(nèi)襯的鼓包或塌陷。當(dāng)環(huán)焊縫發(fā)生剌漏或穿孔時(shí)，管內(nèi)介質(zhì)就會(huì)流入襯管與基管的間隙，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，管內(nèi)與間隙的壓力達(dá)到平衡，如在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中管內(nèi)壓力有快速減小的情況（如管線關(guān)?；蚰程幍呢萋┗虼┛咨踔帘艿龋@時(shí)有可能導(dǎo)致內(nèi)襯的鼓包或塌陷，在油田現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫剌漏或穿孔都伴隨內(nèi)襯的鼓包或塌陷發(fā)生就是最好的證明。事實(shí)上，雙金屬機(jī)械復(fù)合管的內(nèi)襯鼓包或塌陷所發(fā)生的屈曲失穩(wěn)，與內(nèi)襯的材質(zhì)、直徑與厚度（徑厚比）、初始缺陷（橢圓度、凹度等）等有關(guān)，徑厚比越大、橢圓度越低、襯層與基管的間隙越大，則內(nèi)襯鼓包或塌陷越易發(fā)生[24]。

同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，不同生產(chǎn)方法制造的雙金屬機(jī)械復(fù)合管產(chǎn)生內(nèi)襯塌陷的幾率不同，相比水下爆炸復(fù)合法，采用液壓擴(kuò)徑法與機(jī)械旋壓法制造的復(fù)合管在外防腐層制作過(guò)程中尚未發(fā)生內(nèi)襯塌陷[19]。

2.4 爆管

雙金屬機(jī)械復(fù)合管發(fā)生爆管失效的情況比較少，但也有發(fā)生，特別是投用時(shí)間越長(zhǎng)，爆管事件發(fā)生的次數(shù)就越多。雙金屬機(jī)械復(fù)合管爆管現(xiàn)象一般不發(fā)生在焊縫及其附近，發(fā)生的部位一般與焊縫有一段距離。通過(guò)對(duì)塔里木油田機(jī)械復(fù)合管2 次爆管處基管的壁厚檢查發(fā)現(xiàn)，爆管開裂的基管對(duì)應(yīng)位置壁厚嚴(yán)重減薄，最薄處已不足1 mm。這說(shuō)明管內(nèi)介質(zhì)穿過(guò)襯管到達(dá)間隙后，對(duì)基管局部的腐蝕比較嚴(yán)重，使其不能再承受內(nèi)壓而爆裂，如圖7 所示。

圖7 塔里木油田一氣田機(jī)械復(fù)合管2 次爆管形貌Fig.7 Morphology of the composite pipe in Tarim oilfield after bursting

對(duì)爆管的雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，一起爆管事件的雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯環(huán)焊縫發(fā)生了腐蝕穿孔，那么腐蝕介質(zhì)就會(huì)通過(guò)環(huán)焊縫處內(nèi)襯的腐蝕穿孔到達(dá)了間隙中。由于基管的碳鋼與耐蝕的內(nèi)襯兩者耐蝕性能的差異，可形成顯著的電偶腐蝕，使得基管嚴(yán)重腐蝕而局部減薄[25-26]。另一起爆管事件的復(fù)合管環(huán)焊縫及其熱影響區(qū)均完好無(wú)損，也就是說(shuō)引起爆管的基管減薄的腐蝕介質(zhì)不是由內(nèi)襯環(huán)焊縫的刺漏或穿孔進(jìn)來(lái)的，而是中部?jī)?nèi)襯發(fā)生刺漏或穿孔導(dǎo)致的，從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)就有這樣的爆管事件，圖6b 的爆管就是如此。

圖8 是該油田一集輸管線所用的雙金屬機(jī)械復(fù)合管發(fā)生了基管中部的穿孔，現(xiàn)場(chǎng)是通過(guò)3PE 外防腐層撕裂處發(fā)生泄漏而發(fā)現(xiàn)的，這種基管中部發(fā)生剌漏或穿孔的失效事件并不多。把該外防腐層剝離后可發(fā)現(xiàn)，在基管中部有一直徑3 mm 的近似橢圓形的穿孔，其明顯是內(nèi)腐蝕穿孔造成的。由于管線內(nèi)部介質(zhì)的沖刷腐蝕，已在基管的外表面形成大小不一、深度不同的長(zhǎng)花瓣形溝槽，可見介質(zhì)流速較大、壓力較高。最初的沖刷強(qiáng)度還是比較大的，而外防腐層與基管外的附著力又比較強(qiáng)，從而在基管外表面與外防腐層之間就造成這樣沖刷腐蝕溝槽。通過(guò)檢查還發(fā)現(xiàn)，該根復(fù)合管兩端焊縫完好無(wú)損，而在與基管穿孔相對(duì)應(yīng)的襯管位置上形成了3 條相互接近的穿透性內(nèi)襯裂縫，因此造成基管腐蝕穿孔的介質(zhì)是通過(guò)此裂縫泄漏的。由于該根復(fù)合管其他部位并沒有任何損傷，因此推斷內(nèi)襯所形成的裂縫應(yīng)當(dāng)是內(nèi)襯制作、外防腐施工或投產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)生了反復(fù)折疊，從而形成了這樣的內(nèi)襯裂縫。如果在內(nèi)襯已形成裂縫而基管未發(fā)生穿孔前，管內(nèi)壓力有所變化時(shí)，那么該根機(jī)械復(fù)合管就可發(fā)生鼓包或塌陷。如果泄漏到間隙的介質(zhì)一邊腐蝕一邊漫延，當(dāng)腐蝕造成一定范圍漫延區(qū)域的基管內(nèi)表面減薄到不能承受內(nèi)壓時(shí)，就有可能發(fā)生爆管事件，這就與上述后一爆管結(jié)果相同。因此，上述后一爆管事件也應(yīng)當(dāng)是內(nèi)襯反復(fù)折疊開裂或其他原因引起內(nèi)襯開裂或穿孔導(dǎo)致介質(zhì)進(jìn)入間隙使得基管局部減薄而發(fā)生的。

圖8 塔里木油田一氣田機(jī)械復(fù)合管基管中部穿孔和內(nèi)襯開裂形貌Fig.8 Pitting of the base pipe and cracking of the inner lining of the pipe in Tarim Oilfield

對(duì)雙金屬機(jī)械復(fù)合管現(xiàn)場(chǎng)的失效形式不只以上幾種，還有其他形式。如焊接質(zhì)量問題引起內(nèi)襯的縱向直焊縫開裂，高含Cl–介質(zhì)引發(fā)內(nèi)襯的點(diǎn)蝕穿孔，進(jìn)而導(dǎo)致基管穿孔或爆管。除以上存在的應(yīng)力腐蝕、電偶腐蝕和點(diǎn)蝕外，雙金屬?gòu)?fù)合管還存在疲勞腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕等。

3 雙金屬機(jī)械復(fù)合管失效的應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)雙金屬機(jī)械復(fù)合管不同失效原因，可采取不同的應(yīng)對(duì)措施。實(shí)際上采用一種改進(jìn)或應(yīng)對(duì)措施可以同時(shí)解決多種類型的失效，目前塔里木油田主要采取以下對(duì)策。

3.1 將封焊改為堆焊

為了避免基管與襯管在焊縫處的應(yīng)力腐蝕，提高焊縫附近內(nèi)襯的耐蝕性，將原有在環(huán)焊縫處的基管與襯管的封焊改為堆焊，即將原來(lái)的內(nèi)襯在管端口伸出，先改為向內(nèi)縮短一定距離（50～100 mm），然后再用耐蝕合金（現(xiàn)塔里木油田多采用825 鎳基合金，內(nèi)襯材料選用316 L 不銹鋼、2205 雙相不銹鋼、825鎳基合金等）從內(nèi)襯邊開始堆焊直至管端口，堆焊的厚度與內(nèi)襯相同，如圖9 所示。采取這樣堆焊結(jié)構(gòu)以后，可以減少內(nèi)襯在環(huán)焊縫處的應(yīng)力集中，同時(shí)后續(xù)的環(huán)焊縫坡口就直接改為V 形結(jié)構(gòu)。

圖9 雙金屬機(jī)械復(fù)合管環(huán)焊縫焊接工藝Fig.9 (a) Sealing and (b) overlaying process of the circumferential weld of the bimetal composite pipe

3.2 環(huán)焊縫全部采用鎳基合金焊材

為了提高環(huán)焊縫的耐蝕性，防止環(huán)焊縫整體發(fā)生應(yīng)力腐蝕，現(xiàn)在封焊、根焊、填充焊、過(guò)渡焊和蓋面均采用鎳基合金。塔里木油田在克深氣田區(qū)塊，雙金屬機(jī)械復(fù)合管的環(huán)焊縫管口采用熱絲TIG 全自動(dòng)625鎳基焊材堆焊或手工氬弧焊625 鎳基焊材封焊，現(xiàn)場(chǎng)焊口則采用內(nèi)充氬氣保護(hù)，均采用ERNiCrMo-3、E NiCrMo-3 鎳基焊材進(jìn)行焊接。

3.3 增加內(nèi)襯厚度

通過(guò)上述失效分析，內(nèi)襯發(fā)生鼓包或塌陷的原因與內(nèi)襯的厚度也有很大關(guān)系。當(dāng)內(nèi)襯越厚，其鼓包或塌陷所需要的屈曲失穩(wěn)應(yīng)力就越大，也就是發(fā)生鼓包或塌陷可能性就會(huì)減小，因此增加內(nèi)襯厚度也是控制內(nèi)襯鼓包或塌陷的重要對(duì)策之一。前期在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的雙金屬機(jī)械復(fù)合管內(nèi)襯厚度小的有1.5、2 mm 等，現(xiàn)在要求內(nèi)襯的厚度不少于2.5 mm。

3.4 其他有效對(duì)策

針對(duì)以上失效原因除采取以上措施外，還有其他可采用的有效對(duì)策。例如，為了減少外防腐層施工對(duì)內(nèi)襯與基管結(jié)合力的影響，建議對(duì)小管徑（≤200 mm）以下的管線采用聚氯乙烯冷緾帶。通過(guò)上面的結(jié)合力現(xiàn)場(chǎng)失效統(tǒng)計(jì)來(lái)看，小管徑（≤200 mm）以下機(jī)械復(fù)合管的內(nèi)襯發(fā)生鼓包或塌陷的幾率很小，相反，大管徑發(fā)生的可能性很大，因此建議小管徑的雙金屬?gòu)?fù)合管可以采用機(jī)械復(fù)合管，而大管徑則必須采用冶金復(fù)合管。同時(shí)，建議油田用戶在管線運(yùn)行期間，關(guān)停管線時(shí)緩慢操作，避免其內(nèi)壓突然變化可能引起內(nèi)襯的塌陷或鼓包。

采取了以上這些措施后，現(xiàn)場(chǎng)所用的雙金屬機(jī)械復(fù)合管發(fā)生失效事件大大減少，取得了很好的防護(hù)效果，使得該類管材在油田得到了廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

1）雙金屬機(jī)械復(fù)合管常見的典型制造方法有機(jī)械滾壓法、機(jī)械旋壓法、爆炸復(fù)合法、機(jī)械拉拔法和液壓脹形法等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，其制造產(chǎn)品內(nèi)襯與基管的結(jié)合力均較小。塔里木油田最初以爆炸復(fù)合管為主，后來(lái)因其失效較多而使相對(duì)較好的機(jī)械旋壓法和液壓脹形法的應(yīng)用逐漸增多。

2）塔里木油田所用雙金屬機(jī)械復(fù)合管現(xiàn)場(chǎng)失效較多的是環(huán)焊縫腐蝕剌漏或穿孔、環(huán)焊縫開裂、內(nèi)襯塌陷或鼓包、爆管等，失效原因主要是高壓含CO2/Cl–腐蝕環(huán)境、封焊結(jié)構(gòu)、焊接工藝、外防腐層施工、應(yīng)力腐蝕或電偶腐蝕等。

3）油田用雙金屬機(jī)械復(fù)合管可采取管端堆焊結(jié)構(gòu)、環(huán)焊縫用鎳基合金焊材、增加內(nèi)襯厚度和小管徑等對(duì)策，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)外防腐層施工和焊接質(zhì)量的監(jiān)控，可有效減少其失效事件發(fā)生。