潘 旭，周永亮，馮志剛，劉志明，陳賀龍

中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000

雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯塌陷問(wèn)題與建議

潘 旭，周永亮，馮志剛，劉志明，陳賀龍

中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000

雙金屬?gòu)?fù)合管在油氣生產(chǎn)集輸現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中較易出現(xiàn)內(nèi)襯層塌陷問(wèn)題，使得管道通球作業(yè)和管道預(yù)防性?xún)?nèi)檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行，難以掌握管道運(yùn)行狀況；同時(shí)，內(nèi)襯塌陷使得管道運(yùn)輸能力降低，嚴(yán)重影響管道正常運(yùn)行。介紹了塔里木油田應(yīng)用的雙金屬?gòu)?fù)合管所采用的三種復(fù)合制造工藝，通過(guò)對(duì)比分析不同工藝制造的復(fù)合管運(yùn)行情況，得出內(nèi)襯層塌陷主要原因?yàn)樗聫?fù)合制造工藝的缺陷，制造過(guò)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(shí)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(chǎng)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?gòu)?fù)合管；內(nèi)襯層塌陷；復(fù)合工藝

近年來(lái)，由于雙金屬?gòu)?fù)合管優(yōu)異的耐腐蝕性能與性?xún)r(jià)比，在油氣集輸中大面積應(yīng)用，但也存在比較突出的問(wèn)題，困擾著現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)。雙金屬?gòu)?fù)合管在運(yùn)行過(guò)程中由于制造工藝的缺陷較易出現(xiàn)內(nèi)襯塌陷問(wèn)題，導(dǎo)致不能定期對(duì)管道進(jìn)行通球作業(yè)與內(nèi)襯層檢測(cè)，無(wú)法主動(dòng)掌握管道剩余使用壽命，只能采取刺漏后的被動(dòng)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(duì)復(fù)合管的安全運(yùn)行與推廣應(yīng)用至關(guān)重要。

1 雙金屬?gòu)?fù)合管主要內(nèi)襯復(fù)合工藝

雙金屬?gòu)?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(chǎng)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(guò)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(dòng)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(zhǎng)筒，并對(duì)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(guò)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(shí)，較大限度地排除了襯管與基管之間的空氣等雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)襯與基管間較高的結(jié)合力。當(dāng)通過(guò)壓力表判定達(dá)到設(shè)計(jì)壓力要求時(shí)，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(guò)一個(gè)模具沿內(nèi)襯管軸線拉拔前行。該模具通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)法收縮，外基管處于彈性變形呈收縮趨勢(shì)，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(shí)，模具推動(dòng)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(diǎn)對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合管主要復(fù)合工藝對(duì)比

2 三種雙金屬?gòu)?fù)合管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 外防腐制作過(guò)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(zhǎng)12 m，全長(zhǎng)1.752 km，均采用水下爆炸復(fù)合工藝制造，在對(duì)該批管道進(jìn)行三層聚乙烯防腐涂層外防腐制作過(guò)程中，發(fā)生了較嚴(yán)重的內(nèi)襯塌陷，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)襯層塌陷比率

與此同時(shí)，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)程中未發(fā)生內(nèi)襯塌陷。

2.2 運(yùn)行過(guò)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?gòu)?fù)合管，在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生了較嚴(yán)重的內(nèi)襯塌陷，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

表3 集輸復(fù)合管運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)襯塌陷統(tǒng)計(jì)

由表3可見(jiàn)，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(chǎng)管道打開(kāi)后情況如圖4所示。管道運(yùn)行過(guò)程中，由于無(wú)法對(duì)所有管道打開(kāi)檢查內(nèi)襯塌陷情況，不能完全統(tǒng)計(jì)管道運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的內(nèi)襯塌陷，但是從每次刺漏時(shí)的管道打開(kāi)情況來(lái)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(kāi)的管道均為水下爆炸制造的復(fù)合管，可見(jiàn)運(yùn)行過(guò)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(yùn)以來(lái)，由于還未發(fā)生刺漏情況，因而未進(jìn)行管道打開(kāi)；同時(shí)，也未對(duì)管道進(jìn)行過(guò)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(chǎng)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(wèn)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(huì)殘留水與空氣等雜質(zhì)，同時(shí)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(huì)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(shí)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。基管與襯管的熱膨脹系數(shù)差別高達(dá)（7～8）× 10-6/℃，在外防腐制作過(guò)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(yùn)行過(guò)程中，管道介質(zhì)溫度在60～100℃范圍內(nèi)波動(dòng)，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(shí)現(xiàn)內(nèi)襯與基管之間較高的貼合率，同時(shí)不帶入水等其他雜質(zhì)，因此，暫時(shí)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(guò)程中、管道運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大面積的內(nèi)襯塌陷，導(dǎo)致管道現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程無(wú)法清管，難以對(duì)管道進(jìn)行預(yù)防性?xún)?nèi)檢測(cè)，不利于壓力管道完整性管理工作的開(kāi)展。

（2）采用液壓擴(kuò)徑法與機(jī)械旋壓法制造的雙金屬?gòu)?fù)合管由于能較精確控制復(fù)合過(guò)程，能實(shí)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(chǎng)建設(shè)采用液壓法與旋壓法制造的雙金屬?gòu)?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(jià)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)管道內(nèi)預(yù)防性檢測(cè)，主動(dòng)掌握管道運(yùn)行狀況。

[1]劉富君，鄭津洋，郭小聯(lián)，等.雙層管液壓脹合的原理及力學(xué)分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2006，28（1）：99-103.

[2]郭明海，劉俊友，龐于思，等.雙金屬管復(fù)合技術(shù)的研究進(jìn)展（上）[J].鋼管，2013，42（1）：11-16.

[3]陳明徽，蔡休剛.國(guó)外雙金屬?gòu)?fù)合鋼管生產(chǎn)概況[J].鋼管，1997，26（6）：23-28.

[4]孫育祿，白真，張國(guó)超，等.油氣田防腐用雙金屬?gòu)?fù)合管研究現(xiàn)狀[J].全面腐蝕控制，2011，25（5）：10-13.

[5]SY/T 6623—2005，內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金鋼管[S].

[6]巢鵬飛，楊連發(fā)，于強(qiáng)，等.塑性成形技術(shù)在金屬?gòu)?fù)合管制備中的應(yīng)用及展望[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2005，12（2）：42-47.

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(kāi)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(zhuān)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