雙金屬復(fù)合管內(nèi)襯塌陷問題與建議

潘 旭，周永亮，馮志剛，劉志明，陳賀龍

中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000

雙金屬復(fù)合管內(nèi)襯塌陷問題與建議

潘 旭，周永亮，馮志剛，劉志明，陳賀龍

中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000

雙金屬復(fù)合管在油氣生產(chǎn)集輸現(xiàn)場應(yīng)用過程中較易出現(xiàn)內(nèi)襯層塌陷問題，使得管道通球作業(yè)和管道預(yù)防性內(nèi)檢測無法進(jìn)行，難以掌握管道運行狀況；同時，內(nèi)襯塌陷使得管道運輸能力降低，嚴(yán)重影響管道正常運行。介紹了塔里木油田應(yīng)用的雙金屬復(fù)合管所采用的三種復(fù)合制造工藝，通過對比分析不同工藝制造的復(fù)合管運行情況，得出內(nèi)襯層塌陷主要原因為水下復(fù)合制造工藝的缺陷，制造過程中內(nèi)襯層與基管之間存在未排盡的水蒸汽與空氣，在管道受熱時水蒸汽與空氣膨脹引起內(nèi)襯塌陷；而采取液壓法與旋壓法制造的復(fù)合管暫未發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯塌陷。提出了后續(xù)站場建設(shè)采用液壓法與旋壓法制造的復(fù)合管，并采用機(jī)械性能更好的雙相不銹鋼2205材質(zhì)作為內(nèi)襯的建議。

雙金屬復(fù)合管；內(nèi)襯層塌陷；復(fù)合工藝

近年來，由于雙金屬復(fù)合管優(yōu)異的耐腐蝕性能與性價比，在油氣集輸中大面積應(yīng)用，但也存在比較突出的問題，困擾著現(xiàn)場安全生產(chǎn)。雙金屬復(fù)合管在運行過程中由于制造工藝的缺陷較易出現(xiàn)內(nèi)襯塌陷問題，導(dǎo)致不能定期對管道進(jìn)行通球作業(yè)與內(nèi)襯層檢測，無法主動掌握管道剩余使用壽命，只能采取刺漏后的被動處理，另外內(nèi)襯塌陷降低了管道的管輸能力，因此采用合理的復(fù)合管制造工藝避免內(nèi)襯層塌陷，對復(fù)合管的安全運行與推廣應(yīng)用至關(guān)重要。

1 雙金屬復(fù)合管主要內(nèi)襯復(fù)合工藝

雙金屬復(fù)合管內(nèi)襯層復(fù)合工藝一般分為冶金復(fù)合與機(jī)械復(fù)合，現(xiàn)場使用的多為機(jī)械復(fù)合管。機(jī)械復(fù)合主要包括三種主要工藝：

（1）水下爆炸工藝，如圖1所示。

圖1 水下爆炸復(fù)合工藝示意

將裝配好的內(nèi)外管整體放置在水槽內(nèi)，將集束炸藥放置在內(nèi)襯管軸線上，通過炸藥瞬間產(chǎn)生的爆炸力，引起水槽內(nèi)水壓瞬間增高，從而推動內(nèi)襯管在直徑方向向外擴(kuò)張，在軸向方向向內(nèi)收縮，向外擴(kuò)張的內(nèi)襯管在水壓的作用下，擴(kuò)張至外基管的內(nèi)表面上，復(fù)合成形。

（2）液壓擴(kuò)徑工藝，如圖2所示。

圖2 液壓復(fù)合工藝示意

將裝配好的內(nèi)外管完全密封呈密閉長筒，并對襯管與基管之間的空隙設(shè)置排氣孔，再將液體注入管內(nèi)，逐步給管內(nèi)的液體加壓，使得內(nèi)襯管在直徑方向上向外擴(kuò)張，在軸向方向上向內(nèi)收縮。通過連續(xù)逐步施壓，使得內(nèi)襯管最終達(dá)到塑性變形，外基管仍處于彈性變形范圍內(nèi)，同時，較大限度地排除了襯管與基管之間的空氣等雜質(zhì)，實現(xiàn)內(nèi)襯與基管間較高的結(jié)合力。當(dāng)通過壓力表判定達(dá)到設(shè)計壓力要求時，釋放壓力，復(fù)合完成[1]。

（3） 機(jī)械旋壓工藝，如圖3所示。

圖3 機(jī)械旋壓法復(fù)合工藝示意

將裝配好的內(nèi)外管，通過一個模具沿內(nèi)襯管軸線拉拔前行。該模具通過滾珠與內(nèi)襯管接觸，滾珠有一定的錐度（通常為1∶25、1∶50）和一定的擴(kuò)張與收縮范圍。通過拉拔模具擠壓、擴(kuò)張的方式，將內(nèi)襯管在直徑方向復(fù)合到外基管的內(nèi)表面上，并通過繼續(xù)擴(kuò)張使外基管也處于彈性變形的范圍內(nèi)。當(dāng)外力去除后，內(nèi)襯管呈塑性變形無法收縮，外基管處于彈性變形呈收縮趨勢，但受內(nèi)襯管的限制，外基管內(nèi)表面強(qiáng)力地嵌合在內(nèi)襯管的外表面上，復(fù)合成形。同時，模具推動內(nèi)襯層去擠壓基管，能夠?qū)?nèi)襯層和基管間的空氣較大限度地被排除，進(jìn)而使得內(nèi)襯與基管結(jié)合力較高。

三種復(fù)合工藝的優(yōu)缺點對比情況見表1。

表1 復(fù)合管主要復(fù)合工藝對比

2 三種雙金屬復(fù)合管現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 外防腐制作過程中的塌陷

塔里木油田克深區(qū)塊某一批次復(fù)合管單根長12 m，全長1.752 km，均采用水下爆炸復(fù)合工藝制造，在對該批管道進(jìn)行三層聚乙烯防腐涂層外防腐制作過程中，發(fā)生了較嚴(yán)重的內(nèi)襯塌陷，統(tǒng)計情況見表2。

表2 內(nèi)襯層塌陷比率

與此同時，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程中未發(fā)生內(nèi)襯塌陷。

2.2 運行過程中的塌陷

克深區(qū)塊內(nèi)部120 km集輸管道采用了三種不同內(nèi)襯復(fù)合工藝制造的雙金屬復(fù)合管，在運行過程中，發(fā)生了較嚴(yán)重的內(nèi)襯塌陷，統(tǒng)計情況見表3。

表3 集輸復(fù)合管運行過程中內(nèi)襯塌陷統(tǒng)計

由表3可見，水下爆炸復(fù)合工藝制造的復(fù)合管出現(xiàn)嚴(yán)重塌陷?，F(xiàn)場管道打開后情況如圖4所示。管道運行過程中，由于無法對所有管道打開檢查內(nèi)襯塌陷情況，不能完全統(tǒng)計管道運行過程中發(fā)生的內(nèi)襯塌陷，但是從每次刺漏時的管道打開情況來看，發(fā)現(xiàn)管道存在內(nèi)襯塌陷的概率為80%后發(fā)生刺漏，每次打開的管道均為水下爆炸制造的復(fù)合管，可見運行過程中水下爆炸制造的復(fù)合管內(nèi)襯塌陷情況普遍存在。另外，采取液壓擴(kuò)徑法、機(jī)械旋壓法制造的壓力管道自投運以來，由于還未發(fā)生刺漏情況，因而未進(jìn)行管道打開；同時，也未對管道進(jìn)行過通球作業(yè)，因此，還未發(fā)現(xiàn)塌陷，但這不排除塌陷存在的可能性。

圖4 管道內(nèi)襯塌陷形貌

3 內(nèi)襯塌陷的原因分析

到目前為止，現(xiàn)場應(yīng)用中僅發(fā)現(xiàn)水下爆炸工藝制造的復(fù)合管有較嚴(yán)重的內(nèi)襯塌陷問題。主要原因有：

（1）水下爆炸復(fù)合制造工藝存在缺陷。水下爆炸復(fù)合工藝由于不能完全釋放基管與襯管之間的雜質(zhì)，成品管基管與襯層之間常會殘留水與空氣等雜質(zhì)，同時成品管在出廠前又做了端部封焊，這樣水與空氣等雜質(zhì)就會一直殘留在基管與內(nèi)襯之間[3]。

（2）基管與襯管的熱膨脹系數(shù)差別大，管道受熱時收縮差異大，在基管與襯層間介質(zhì)膨脹作用下發(fā)生塌陷?；芘c襯管的熱膨脹系數(shù)差別高達(dá)（7～8）× 10-6/℃，在外防腐制作過程中，管體需加熱到200℃，殘留在基管與內(nèi)襯之間的水與空氣膨脹作用在襯層上，襯管材質(zhì)熱膨脹系數(shù)較大，在水與空氣膨脹作用下襯管的變形幅度大于基管而產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。同理，在運行過程中，管道介質(zhì)溫度在60～100℃范圍內(nèi)波動，由于溫度的變化、內(nèi)襯與基管熱膨脹系數(shù)的差異大、襯層與基管間水和空氣的存在，引起內(nèi)襯塌陷[4]。

（3）采用液壓擴(kuò)徑法與機(jī)械旋壓法制造的復(fù)合管還未發(fā)現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，應(yīng)用效果明顯好于水下爆炸復(fù)合工藝。液壓擴(kuò)徑法與機(jī)械旋壓法能將基管與襯層之間的空氣較大限度地排出，實現(xiàn)內(nèi)襯與基管之間較高的貼合率，同時不帶入水等其他雜質(zhì)，因此，暫時未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)襯塌陷現(xiàn)象[5-6]。

4 結(jié)論與建議

（1）水下爆炸工藝制造的復(fù)合管內(nèi)襯與基管間殘留有水和空氣，內(nèi)襯與基管熱膨脹系數(shù)的差異大，使得在外防腐制作過程中、管道運行過程中產(chǎn)生大面積的內(nèi)襯塌陷，導(dǎo)致管道現(xiàn)場運行過程無法清管，難以對管道進(jìn)行預(yù)防性內(nèi)檢測，不利于壓力管道完整性管理工作的開展。

（2）采用液壓擴(kuò)徑法與機(jī)械旋壓法制造的雙金屬復(fù)合管由于能較精確控制復(fù)合過程，能實現(xiàn)內(nèi)襯與基管間較高的貼合率，發(fā)生內(nèi)襯塌陷的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水下爆炸復(fù)合工藝制造的復(fù)合管。因此建議后續(xù)站場建設(shè)采用液壓法與旋壓法制造的雙金屬復(fù)合管。

（3）建議管道選型可采用內(nèi)襯雙相不銹鋼2205的復(fù)合管，雖然其價格比316L內(nèi)襯復(fù)合管高三分之一，但雙相不銹鋼2205屈服強(qiáng)度為450 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于316L的170 MPa屈服強(qiáng)度，同時其機(jī)械強(qiáng)度和膨脹系數(shù)與碳鋼基管基本一致，配合液壓法與旋壓法的復(fù)合工藝，可最大限度減少內(nèi)襯層塌陷的發(fā)生，因而可確保管道的輸送能力，實現(xiàn)通球作業(yè)的通暢，從而降低管道內(nèi)積液，減少腐蝕的發(fā)生，也可實現(xiàn)管道內(nèi)預(yù)防性檢測，主動掌握管道運行狀況。

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Problems and suggestions on collapse ofdouble metalcomposite pipe lining

PAN Xu，ZHOU Yongliang，F(xiàn)ENG Zhigang，LIU Zhiming，CHEN Helong

PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China

Double metal composite pipes often appear lining collapse problem in field oil and gas production application，making pipeline pigging operation and preventive internal detection impossible，thus it is difficult to know well the pipeline operation state.At the same time，the collapse of the pipeline lining reduces the pipeline transportation capacity and seriously affects the pipeline normal operation.This paper introduces three manufacturing processes of double composite pipes applied in Tarim Oilfield.Through comparative analysis of the field application of the three kinds of double composite pipes，the following results are obtained:The lining collapse of the double composite pipe manufactured by underwater explosion method happens mainly due to expansion of not exhausted steam and air between the inner lining layer and the base pipe as the pipe heated；But the lining collapse of composite pipes manufactured by hydraulic method and spinning method has not been found yet.It is proposed that in the subsequent pipeline station construction，composite pipes manufactured by hydraulic method and spinning method should be used，and the stainless steel2205 lining materialshould also be used because of its better mechanicalproperties.

double metalcomposite pipe；internallining collapse；composite process

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.014

潘 旭（1986-），男，四川開江人，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事油氣田設(shè)備工藝管理工作。Email：273931282@qq.com

2016-10-17；

2016-12-05