油氣田地面集輸管線在整個地面工程中的占比較高,管線材料的選擇將直接影響油氣田開發的整體效益。在“碳達峰、碳中和”政策影響下,國內涌現出大批二氧化碳驅油項目,因此油氣田伴生氣中通常會蘊含大量的二氧化碳,這對集輸管線及設備的選材提出了更高的技術要求。從技術、經濟角度選取合理的地面集輸管材將成為油氣田地面開發的重點。

基于以上背景,市場上涌現出大量新型管材,管材型式主要包括非金屬型及復合型等十余種。隨著新型管材在各油氣田的應用,管材產品的種類日益繁多、結構型式也各不相同。以非金屬管道為例,大部分非金屬管道仍采用制造商自己制定的企業標準生產,導致非金屬管道存在著制造標準不統一、產品質量良莠不齊、設計選型無依據、產品驗收檢驗技術和方法不完善等問題[1]。

為規避以上問題,作者對碳鋼、低合金鋼、雙金屬復合管、聚乙烯管、鋼骨架增強聚乙烯復合管、柔性高壓復合管等幾種常見的油氣田地面集輸管材的結構特點、尺寸邊界、連接形式及應用場景要求進行總結；除此之外,還對管材的腐蝕評價手段及典型工況下管材選用原則進行了詳細介紹,以供油氣田地面工程設計人員參考。

1. 油氣田地面集輸用管材概述

1.1 碳鋼及低合金鋼

截止目前,碳鋼及低合金鋼仍是最常用的油氣田地面集輸管材。經過數十年的應用和經驗積累,碳鋼及低合金鋼的制造、施工及驗收相對于其他類型管材也最為成熟。

根據管型不同,碳鋼和低合金鋼管材可以分為高頻電阻焊管（HFW）、螺旋縫埋弧焊管（SAWH）、直縫埋弧焊管（SAWL）和無縫鋼管（SMLS）等類型。受限于制造工藝及設備的制造能力,不同管型管材的適用范圍如表1所示。其中,埋弧焊管以大口徑鋼管為主,目前國內應用的最高鋼級L555M埋弧焊管的口徑可達1 422 mm；高頻電阻焊管通常以中等口徑鋼管為主,由于其制造時焊縫處無熔敷金屬,焊縫及熱影響區的缺陷率較其他類型管材更高,因此通常僅應用于6.3 MPa以下工況；無縫鋼管則是由鋼錠熱軋、擠壓或冷拔制造而成,適用于中小口徑鋼管,相比于焊管,壁厚更厚。

根據使用溫度不同,碳鋼和低合金鋼均可以分為普通鋼和低溫鋼兩類。其區分界限一般為-20 ℃,應用在-20 ℃以下環境的鋼材為低溫鋼,應用在-20 ℃以上環境的鋼材為普通鋼。相比于普通鋼,低溫鋼具有更優異的耐脆性斷裂、啟裂和止裂性能。其耐低溫性能通常由鋼管在低溫下的夏比沖擊吸收能衡量,對于外徑在508 mm以上的管材,還可以通過低溫落錘試驗測試。L555M低溫管線鋼在中俄東線應用說明其可適用于-40 ℃的極寒工況。

1.2 金屬復合管

金屬復合管是指將兩種或多種不同金屬材料復合而成的復合管材,一般由基體鋼管、襯里鋼管或覆層金屬組合而成,以發揮不同金屬的特性。基體鋼管起結構作用,為鋼管承壓、承載襯里管,襯里鋼管或覆層金屬則起到耐蝕作用。金屬復合管結合了耐蝕合金優越的耐蝕性和碳鋼低成本的優點,在提高管材耐蝕性能的同時,極大降低了管材制造成本。為保證金屬復合管內襯層的完整性和耐蝕性,通常內襯層的厚度為2~3 mm。

金屬復合管在近30 a的發展過程中已取得長足的進步,目前已大量應于大慶油田、長慶油田、新疆油田及西南油田等。但由于金屬復合管在我國起步較晚,在設計、施工及驗收方面相比于純材管仍存在較大差距[2-3],尤其是金屬復合管的接頭連接,因涉及到異種金屬焊接,對焊接人員的技術要求極為嚴格,因此全自動化焊接及檢測手段將會是后期推進金屬復合管應用最有利的技術支撐。

1.3 非金屬管材

油氣田地面集輸常用的非金屬管材包括：聚乙烯管、鋼骨架增強聚乙烯管和高壓柔性復合管等幾種類型,其結構特點及適用性范圍如下所述。

1.3.1 聚乙烯管

聚乙烯管是應用最早的非金屬管材之一,為熱塑性管材,通過聚乙烯混配料熔融擠出成型。通常根據原材料的等級,聚乙烯管材可劃分為PE 32,PE 40,PE 63,PE 80和PE 100。目前聚乙烯管已被大量應用于市政給水及燃氣管網。在發達國家,PE燃氣管網的占有率最高可達90%。以美國為例,自20世紀70年代以來,其新建市政管網90%以上為聚乙烯管[4]。除此之外,聚乙烯管材還被大量應用于煤層氣及致密氣田的集氣管線。由于煤層氣、致密氣所處地區多為山區、丘陵地帶,聚乙烯管質量輕、施工便捷等優勢極大降低了采氣管網的施工難度。煤層氣集輸用聚乙烯管分為PE100級SDR11、SDR17、SDR21和SDR26四個系列,其設計和使用要求見表2。

聚乙烯管材具有完善的制造、設計、施工及檢測標準配套。其中,管材制造方面的標準有GB/T 13663-2018《給水用聚乙烯（PE）管道系統》、GB/T 15558-2015《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統》等,設計、施工及驗收方面的標準有TSG D2002-2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》、CJJ 63-2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》、NB/T 10884-2021《煤層氣集輸用埋地聚乙烯（PE）管材與管件》等。聚乙烯管的連接方式分為電熔連接和熱熔連接兩種。對DN65及以下管徑的聚乙烯管一般采用電熔連接；對DN65以上管徑的聚乙烯管可采用熱、電熔兩種連接形式,通常無特殊要求時,宜選用經濟性更優的熱熔連接。相控陣超聲檢測是一種高效的聚乙烯焊接接頭無損檢測手段,可辨識聚乙烯熱、電熔連接時涉及到的全部缺陷類型[5-6]。GB/T 38942-2020《壓力管道規范公用管道》、NB/T 10884-2021《煤層氣集輸用埋地聚乙烯（PE）管材與管件》及上海、廣東及內蒙古等相關地方標準對其進行了規范約束。

1.3.2 鋼骨架增強聚乙烯復合管

鋼骨架增強聚乙烯復合管是聚乙烯管材的衍生產品。聚乙烯管材的耐壓程度較低,鋼骨架增強聚乙烯復合管通過在聚乙烯管材內部增加鋼骨架的方式,提高了管材的耐壓能力。鋼骨架增強聚乙烯復合管的增強體結構主要分為三種類型：鋼絲焊接鋼骨架、鋼板網骨架和鋼絲纏繞骨架。其對應的鋼骨架增強聚乙烯復合管如圖1所示。

圖 1不同增強體結構的鋼骨架增強聚乙烯復合管

Figure 1.Steel skeleton reinforced polyethylene composite pipes with different reinforcement structures

鋼骨架增強聚乙烯復合管的配套標準也相對完善。其中,管材制造標準有SY/T 6662.1-2012《石油天然氣工業用非金屬復合管第1部分：鋼骨架增強聚乙烯復合管》、CJ/T 189-2007《鋼絲網骨架塑料（聚乙烯）復合管材及管件》等,設計施工及驗收標準包括SY/T 6769.2-2018《非金屬管道設計、施工及驗收規范第2部分：鋼骨架增強聚乙烯復合管》和SY/T 6770.2-2018《非金屬管材質量驗收規范第2部分：鋼骨架增強聚乙烯復合管》等。根據Q/SY 06034-2021《油氣田用非金屬管道應用導則》中給出的推薦原則,鋼骨架增強聚乙烯復合管作為油氣田地面集輸管線主要用于集油、供水。鋼骨架增強聚乙烯復合管適用的管徑范圍為600 mm以下,適用壓力為4.0 MPa以下,適用溫度為65 ℃以下。需要注意的是非金屬復合管存在管大壓低的特點,即管徑越大、管材最大承壓一般越低。鋼骨架增強聚乙烯復合管之間的連接方式一般采用熱、電熔連接,管道連接完成后,試壓投產,不進行額外的無損檢測。

1.3.3 高壓柔性復合管

高壓柔性復合管是一種由高分子復合材料制成的石油天然氣工業用管,具有耐高壓、耐腐蝕、柔性好、壽命長等優異性能。高壓柔性復合管由內輸層、增強層、外保護層三層結構組成。其中內輸層材料為PE、PE-X、PE-RT等；增強層則由芳綸長絲、滌綸長絲等構成；外保護層通常為PE材料。圖2為高壓柔性復合管的結構[7-8]。

圖 2高壓柔性復合管結構

Figure 2.Structure of high pressure flexible composite pipe

高壓柔性復合管的配套標準也相對完善。其管材制造標準有SY/T 6662.2-2020《石油天然氣工業用非金屬復合管第2部分：柔性復合高壓輸送管》、SY/T 6716-2008《石油天然氣工業用柔性復合高壓輸送管》等,設計施工及驗收標準有SY/T 6769.5-2016《非金屬管道設計、施工及驗收規范第5部分：纖維增強熱塑性塑料復合連續管》。根據Q/SY 06034-2021標準中給出的推薦原則,在油氣田地面集輸中高壓柔性復合管主要用于油氣集輸、注水、注醇。其適用的管徑范圍為150 mm以下,注水、注醇時最大壓力為32 MPa,輸氣、集氣時最大壓力為16 MPa,適用溫度為65 ℃以下。由于高壓柔性復合管柔性較好,管材可以以盤卷形式交貨,當外徑在150 mm以下時,連續管最大長度可達到150 m以上。另外,柔性復合管的接頭連接形式為扣壓式螺紋連接、法蘭連接等機械連接形式,因此無需無損檢測,管材的連接效率及接頭失效率都較其他形式的管材更低。

2. 油氣田地面集輸用管的選用原則

油氣田集輸管線選材,首先需根據介質的設計壓力、設計溫度、設計壽命、腐蝕介質情況及油氣水產量,初步確認腐蝕介質情況。對于二氧化碳分壓低于0.021 MPa、硫化氫分壓低于0.3 kPa的設計工況,可直接選用碳鋼或其他經濟可行的材料。當設計工況超出以上范圍時,則需通過相應的選材標準、計算軟件或室內評價試驗對管材的適用性進行評價,再對適用管材進行經濟性比選后,方可確認選材方案,詳見圖3。

圖 3油氣田集輸管材的選用流程

Figure 3.Material selection process of oil and gas field gathering and transmission pipeline

2.1 腐蝕評價手段

2.1.1 腐蝕評價標準

由于油氣集輸工況下腐蝕介質較為復雜,很難從標準角度對多種腐蝕介質復合工況下的選材給出強制條款。針對單一腐蝕因素,部分標準中給出了明確的指導意見。

（1）CO2腐蝕　根據SY/T 0076-2008《天然氣脫水設計規范》,當CO2分壓超出0.021 MPa時,需采取腐蝕防護措施,并于附錄中給出了諾謨腐蝕預測圖。采用腐蝕預測圖結合溫度與二氧化碳分壓可以評價介質對碳鋼的腐蝕速率,但相比于其他預測手段,該方法的預估數據較為保守。

（2）硫化氫腐蝕　NACE MR0175系列標準,GB/T 20972-2008《石油天然氣工業油氣開采中用于含硫化氫環境的材料》及SY/T 0599-2018《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂金屬材料技術規范》給出了不同硫化氫含量下的選材原則,通過硫化氫分壓及原位p H可確定介質的硫化物應力開裂（SSC）分區。其中SSC分區共分為SSC0、SSC1、SSC2、SSC3四個分區,這四個分區的開裂嚴重程度順序為依次升高。為指導設計施工,標準中對不同分區下管材的最小屈服強度、制造及現場焊縫的硬度都進行了約束,以規避管材使用時發生SSC及氫致開裂（HIC）。

2.1.2 腐蝕預測模型

腐蝕預測模型大都是半經驗型的。De Waard CO2腐蝕模型是預測CO2腐蝕速率的基礎模型[9-10],見式（1）。該模型是De Waard和Nesic根據腐蝕動力學過程,將CO2腐蝕速率分解為活化反應速率和離子傳輸速率兩部分,并利用腐蝕數據確定經驗參數形成的。

式中：vcorr為腐蝕速率mm/a；t為溫度,℃；P為CO2分壓,MPa。

電子腐蝕工程師（ECE）是在De Waard半經驗公式基礎上研發的腐蝕預測軟件,綜合考慮了油潤濕的作用和H2S的影響,并對p H的計算原則進行了修正,相比于半經驗公式,ECE軟件的腐蝕模擬結果更接近于實際生產中的腐蝕數據。在計算腐蝕速率時,需輸入參數包括管材相關的外徑、壁厚及含碳量,產量相關的油、氣、水產量、原油黏度,緩蝕劑的加注量和有效率及腐蝕介質的含量和分壓等。輸出結果包含管頂和管底的最大平均腐蝕速率及點蝕速率。除此之外,ECE軟件還包含耐蝕合金在不同工況下的適用性評價模塊,設計人可通過輸入腐蝕介質的分壓和含量確認耐蝕合金的適用性。

2.1.3 室內腐蝕評價試驗

室內評價試驗是模擬現場工況的腐蝕評價手段。試驗通常在高溫高壓反應釜中進行,通過設置試驗溫度、流速、試驗周期、腐蝕氣體分壓等因素模擬現場工況,介質為現場取水或配制模擬水樣。試驗完成后,記錄試樣表面的腐蝕特征及腐蝕后質量差,折算管材的腐蝕速率。室內評價試驗涉及到的水質分析及評價標準通常有SY/T 5523-2016《油田水分析方法》及SY/T 0026-1999《水腐蝕性測試方法》等。

2.2 典型工況下管材的選用原則

根據集輸介質中腐蝕性成分的含量及分壓區間,可將集輸工況分為常規工況、含CO2工況、含H2S工況及含H2S/CO2工況等四類工況。不同工況類型的區間劃分見表3。

以上幾種典型工況下管材的選取原則可參照表4中推薦原則執行。結合軟件計算結果及腐蝕評價試驗結果,在腐蝕嚴重工況下,還需配套使用緩蝕劑及涂層等防腐蝕手段。除表4中給定原則外,還需考慮標準中對不同管材的特殊約束。如GB 50350-2015《油田油氣集輸設計規范》對GB/T 8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》中管材的使用環境限制在DN300 mm以下及4 MPa以下。其原因主要在于GB/T 8163-2018標準對管材的驗收級別較低,出廠檢驗項目較少,且無熱處理交貨要求,在輸氣工況下管材質量難以保障。除此之外,不同標準還有很多不同的限制條件。因此,參照表4中進行管材選擇時,仍需綜合參考GB 50349-2015《氣田集輸設計規范》、GB 50350-2015、GB 50391-2014《油田注水工程設計規范》等相關國家及行業標準。

3. 結論

碳鋼及低合金鋼管在大部分的油氣田地面建設項目中仍為首選用管,但非金屬管材由于具有耐蝕性好、使用壽命長、安裝便捷等優勢,近年來被大量使用,有逐步取代鋼制管道的趨勢。相比于鋼制管道,耐溫能力仍為非金屬管材推廣應用的壁壘,尤其針對高溫輸氣管線,管材耐壓折減程度較大。另外,非金屬管材的設計、施工及驗收亟需進一步規范化,以保證工程質量。隨著管材的多樣化、規范化發展,油氣田地面集輸管材的選用方案也將越來越多。通過選用技術性和經濟性更優的集輸管材,地面工程建設的投資成本將大幅降低,管線運行年限也將延長。

文章來源——材料與測試網