双金属复合管在强腐蚀油气田环境下的应用分析及其在国内的发展.pdf

全面腐蚀控制 第24 卷第2期 2010年2月 13 0 前言 随着全球工业化时代进程的加 快， 能源已成为各国经济发展的关 键所在。由于替代能源进展缓慢， 各国对石油和天然气需求的持续增 长， 油气田经过上百年地开采和使 用，易于开发的油气资源越来越 少，现已不得不向深海、沙漠、南 北极地区以及高含H2S、CO2、C1- 等强腐蚀介质等环境条件更加苛刻 的油气田发展，我国川东北、新疆 油气田就是如此[1]。 对于具有强腐蚀油气田的开 采， 传统单一的防腐技术及材料已 难以满足油气田发展的需要，因 此，各国油气田对高钢级、高抗腐 蚀、耐低温、高合金不锈钢产品甚 至是镍基合金等高合金非API系列 管材的需求不断加大。由于各油气 田介质成分、压力、温度等腐蚀环 境相差较大， 大量采用高耐蚀合将 会造成生产成本的加大和耐蚀合金 材料的浪费，因此，开发一种既能 保证油气田开采及输送安全， 又能 降低生产成本的新型管材显得极为 必要和迫切， 而双金属复合管就是 适应油气田防腐需要的新型管材。 1 双金属复合管结构及材料 组成 1.1 产品结构及性能特点 双金属复合管在强腐蚀油气田环境下的 应用分析及其在国内的发展 郭崇晓张燕飞吴 泽 （西安向阳航天材料股份有限公司，陕西 西安 710025） 摘要通过国外耐蚀合金在油气田中的应用，阐述了耐蚀合金在高含H2S、CO2、C1-等强腐蚀介质等 环境条件具有很好的防腐作用， 但与碳钢相比耐蚀合金将会使生产成本大为增加， 而双金属复合管则很好的将 耐蚀合金与碳钢管的性能进行了有机结合， 可有效降低油气田中存在的高腐蚀、 高成本难题， 将成为高含H2S、 CO2、C1-等强腐蚀油气田管材应用的一种趋势。 关键词耐蚀合金油气田双金属复合管 中图分类号TG174.22文献标识码A文章编号1008-7818201002-0013-05 The Application Analysis of Bimetal-pipe in Oil and Gas Fields with High Corrosion and its Interior Development GUO Chong-xiao, ZHANG Yan-fei ,WU Ze Xi’an Sunward Aerospace Material Co., Ltd., Xi’an 710025, China Abstract By the applications of CRA in oil and gas field abroad, it was described nice anti-corrosion effecting of CRA in high containing H2S, CO2, Cl- and other strong corrosive circumstance. But compared with the carbon steel, the costs of CRA productions will be increased considerably, while the bimetal pipe is very good combination with the perances of the CRA and carbon steel pipe, and can effectively reduce problems of high corrosion, high-cost in the oil and gas fields. Hence he bimetal pipe will become a trend of pipe application in the strong corrosion oil and gas field which contain high contents of H2S, CO2, C1- etc. Key words CRA; oil and gas field; bimetal-pipe 作者简介郭崇晓（1964 -） ，高级工程师，本科，主要研究方向为双金属复合管的设计与制造。 新技术 New Technology TOTAL CORROSION CONTROL VOL.24 No.2 FEB. 2010 14 双金属复合管是由耐蚀合金层 与基体管两部分组成， 产品结构如 图1所示。耐蚀层是依据油气田介 质环境、使用寿命等进行选择设 计，以满足耐腐蚀性能的需求；基 体管是根据输送介质压力确定， 以 保证管体满足油气输送压力和强度 的需要[1]。因此双金属复合管的整 体性能是集耐蚀合金层的耐蚀性能 与基体管的机械性能于一体， 充分 发挥两种材料性能的特点， 具有很 高性价比的新型管材， 近年来在国 内外得到了广泛应用和快速发展。 1.2 耐蚀合金层选择 对于具有强腐蚀油气田用管 材，由于服役条件恶劣，要求管材 必须具有优异的抗H2S、CO2、Cl- 腐蚀性能。国外研究表明对于含 CO2的油气田， 采用13Cr系列马氏 体不锈钢较为合适；对于 H2S 和 CO2共存情况，超级13Cr、22Cr～ 25Cr 双相不锈钢甚至镍基耐蚀合 金才能够满足需求[2]。表 1为国外 几种高腐蚀性油气田用耐蚀合金材 料牌号及其化学成分， 下面通过对 其不同环境的耐蚀性能分析对比， 详细说明各耐蚀合金在腐蚀环境下 的性能表现[3]。 1.2.1 CO2油气田 13Cr 系列不锈钢在含 CO2以 及 Cl-的酸性环境下具有很好的耐 腐蚀性能。 CO2引起的腐蚀主要是电化学 腐蚀失重， 其中以均匀腐蚀和局部 腐蚀为主；CO2腐蚀与材料的含Cr 量以及油气中的CO2分压和温度密 切相关；Cr是防止CO2腐蚀最有效 的元素， 它能迅速在金属表面形成 致密而极薄的Cr2O3钝化膜，随着 Cr含量的增加， 抗CO2蚀效果增强， 其研究及应用情况如表2、 图2、 图 3所示[3]。 1.2.2 H2S和CO2共存 对于H2S和CO2共存的情况， 22Cr～25Cr双相不锈钢、 镍基耐蚀 合金才能够满足其耐蚀性能的需 求， 图4图7分别为国外在不同腐 蚀环境下双向不锈钢、 镍基合金材 料的耐蚀性能变化图[3]。 由于耐蚀合金对H2S、 CO2、 Cl- 具有优异的耐腐蚀性能，因此，在 欧美、 日本等西方国家已取得了广 泛的应用， 也得到了相关行业的认 可，图8则为20世纪80年代到90 年代美国石油天然气行业耐蚀合金 使用的变化情况， 从图中可以看出 其增长幅度非常大[4]。 图 1双金属复合管 AlloyUNS NO.CrNiMoFeMnCNOther 13CrS4200013--Bal.0.80.2-- 22Cr*2253Bal.10.10.1- 25Cr*2574Bal.10.10.3- 825N0882522423Bal.0.50.03-0.9Ti,2Cu 2550N0697525506Bal.-0.03-1.2Ti C 276N1027615Bal.166-0.01-2Co,3.5W *There are variety of 22Cr and 25 Cr duplex stainless steels with different UNS numbers. 表1国外用高腐蚀耐蚀合金材料牌号及化学成份 新技术 New Technology 全面腐蚀控制 第24 卷第2期 2010年2月 15 1.3基体管材选择 双金属复合管基体管材的选择 是根据输送介质的压力等按常规标 准要求进行确定， 不需要考虑输送 介质对其腐蚀速率等因素的影响。 因此， 在不考虑腐蚀情况下其材质 等级、 厚度都可以相应减少。若进 一步考虑衬层厚度， 设计时其基体 [Cl-]g/L Vcormm/a at temperature ℃ 65100125175 00.0080.05 100.030.03 150.010.04 750.09 1500.0130.040.250.38 表213Cr在不同Cl - 浓度和温度下的腐蚀速率 图313Cr 不锈钢在不同温度、CO2 分压、Cl - 浓度下腐蚀状况图 图213Cr 不锈钢中Cr及Cu元素含量对腐蚀速率的影响 图4 22Cr在不同温度、CO2分压、 Cl -浓度下腐蚀状况 图5 22Cr在不同H2S分压和Cl - 浓度下腐蚀状况 图72550合金在不同温度、H2S 分压、 CO2分压下腐蚀状况 图 6825合金在不同温度、H2S 分压、 CO2分压下腐蚀状况 新技术 New Technology TOTAL CORROSION CONTROL VOL.24 No.2 FEB. 2010 16 管材的厚度也可以相应减少， 但目 前由于相关研究还不够深入， 因此 在强度计算方面暂不考虑衬层厚 度。 通过以上国外研究和应用分析 表明， 高腐蚀油气田耐蚀合金的选 用已较为成熟， 也得到了广泛的应 用， 基体管材的设计应用国内外则 更加普遍， 因此将耐蚀合金及普通 碳钢管有机结合， 则可从根本上解 决油气田高腐蚀和高成本的难题， 国外 30 多年和我国近五年来的研 究及应用也进一步表明了该项技术 可行性， 它的应用对于油气田防腐 材料开发应用将带来重大的变化。 2 国内双金属复合管技术及 应用状况 2.1 双金属复合管可极大降低耐 蚀合金的使用成本 耐蚀合金虽然在抗H2S、 CO2、 Cl-腐蚀性能方面具有明显的优势， 但因其价格昂贵， 在高腐蚀油气田 中的应用将会使企业生产成本大幅 增加， 同时我国在耐蚀合金生产方 面还存在一定的技术难度， 目前基 本是以进口为主，因此，大面积 推广应用则更加困难，国外在应 用方面由于成本较高也同样如 此，基于以上原因，国外在上世 纪 70 年代末就已开进行了双金 属复合管产品的研究与应用，已 图880～90年代美国耐蚀合金应用趋势图9碳钢与耐蚀合金成本对比 图 10不同厚度管材及材质节省耐蚀合金图图11衬里复合管基管及衬管受力示意图 图12爆燃复合内衬轴向及圆周应力测量图13基管与内衬结合强度及应力检测 新技术 New Technology 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 全面腐蚀控制 第24 卷第2期 2010年2月 17 图14双金属复合管U 焊接形式 图15双金属复合管V 焊接形式 积累了许多成功的经验，并取得 了明显的经济效益和社会效益。 为进一步说明两种材料价格差 异， 图9为美国在1990年度碳钢与 耐蚀合金钢成本对比， 图10为采用 双金属复合管后不同耐蚀合金材料 的节省比例图[5]。通过两种材料价 格的对比分析以及双金属复合管的 性价比分析， 可进一步说明双金属 复合管产品具有很高的性价比， 具 有广阔的应用市场。 2.2 双金属复合管分类 根据双金属复合管基衬结合形 式，复合管分为冶金式复合管和 机械式复合管两种。 冶金复合管基衬金属之间形 成冶金界面， 两者通过冶金方式连 接在一起， 其连接强度一般不低于 两种金属中强度较低的一种。 机械式复合管基衬之间紧密 贴合，当沿复合管纵向切开时，基 衬可完全分离。 为对双金属复合管产品的特点 阐述， 现以爆燃衬里双金属复合管 为例加以说明。 2.3 爆燃衬里双金属复合管 2.3.1 工艺技术特点 爆燃衬里双金属复合管属机械 式双金属复合管。制造工艺是采用 爆燃技术生产的液压动力管， 利用 其爆燃时产生的冲击波将耐蚀合金 层在瞬间涨形并紧密与基体管材贴 合。其工艺技术特点如下 （1）制造工艺简单，可大量降 低生产成本； （2） 制造过程不会对衬层材料 造成破坏和影响， 使其致密性及耐 蚀性能完好无损； （3）特有的加工工艺使衬层 材料始终处于压应力状态，有利 于提高产品的耐蚀性能（目前有 争议） ，基体材料及衬管受力状况 如图 11 所示； （4） 根据衬层材料发生塑性变 形及基体材料发生弹性变形设计， 经精确计算， 通过有效的药量及相 关工艺参数控制， 确保基体材料性 能不受影响； （5） 产品生产不受管长及管径 大小影响， 对于大管径产品复合其 优势更为明显。 2.3.2 产品性能 采用爆燃工艺所制造的衬里复 合管，其生产过程除严格按 API 5LD 、挪威船级社 Offshore Stan- dard DNV-OS-F101、 S/Y6623-2005 标准制造外，为确保产品质量，产 品还进行其他性能检测， 如衬层内 应力、贴合强度及应力检测等，检 测如图12、13 所示。 图 12 是产品制造过程中内衬 应力检测； 图 13 是基管与内衬结合强度 及应力检测 3 应用技术开发 双金属复合管产品的生产与制 造技术已基本成熟， 以爆燃衬里复 合技术为例， 国内制造水平目前处 于国际领先水平， 但制约该产品应 用与发展的主要原因是复合管的连 接。 以集输管线焊接为例， 由于其 内衬及基体管材属于异种金属， 在 焊接过程中既要保证内衬焊缝的耐 （下转第 12 页） 新技术 New Technology TOTAL CORROSION CONTROL VOL.24 No.2 FEB. 2010 12 积在活化的钢基体表面， 形成磷化 转化膜， 从而有助于降低钢的腐蚀 速度[10]。轧制钢材中磷的偏析表现 是高磷区与低磷区呈带状相间分 布。在相同的腐蚀条件下， 低磷微 区表面形成的磷酸根离子量少， 对 铁的阳极抑制效果差；而高磷微区 由于形成的磷酸根离子浓度更大， 对铁基体阳极溶解过程阻抑作用更 强。因此， 蚀坑在磷偏析的低磷部 位的腐蚀速度将明显大于其高磷区 的腐蚀速度， 从而宏观上出现明显 的腐蚀沟槽。根据这一理论， 钢中 磷含量的高低会对钢的耐蚀性能产 生影响。此外， 结合模拟闭塞腐蚀 电池试验的结果， 在有磷偏析的钢 中， 由于低磷区域成为耐蚀性能薄 弱的区域， 它的快速腐蚀自然会加 快整个阳极区的腐蚀进程。因此， 具有磷偏析的钢的点蚀扩展速度会 比没有磷偏析的钢更快。 4 结 论 1 扩散退火处理可以消除钢 中的带状组织， 但不能消除钢中的 磷偏析； 2 腐蚀形貌上出现平行的腐 蚀沟槽是由于钢中的磷偏析造成； 3磷偏析中的低磷微区的快速 腐蚀会导致钢蚀坑扩展速度的加快。 参考文献 [1] 杨武, 顾祥, 黎樵， 等. 金属的局部腐 蚀[M]. 北京 化学工业出版社, 1995. 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[10] 张恒. 磷对低碳结构钢耐点蚀性能影响 的研究[D]. 武汉海军工程大学, 2006. 蚀性能同时又要保证基体管材焊缝 的力学强度， 与原单一材质管线管 相比其焊接难度增大， 但从国外30 多年的广泛应用及我国近几年的应 用情况来看， 其焊接技术难度并不 大， 基本焊接形式如图14、 图15所 示， 关键是我国双金属复合管产品 技术应用较晚， 以前施工队伍从未 接触过这类产品的焊接， 造成施工 时焊接速度慢、 焊缝合格率低等现 象。但随着该项产品的不断应用和 施工技术的熟练， 双金属复合管的 连接将不再成为制约该产品发展的 瓶颈所在。 近年来四川油建牙哈双金属复 合管的成功焊接、 大庆油建迪那气 田双金属复合管焊接的技术攻破， 以及中石化十建现正在施工的普光 双金属复合管工程， 都说明了我国 在双金属复合管焊接领域已取得了 重大技术突破， 随着一些科研院所 在双金属复合管连接领域相关技术 研究的不断深入， 双金属复合管应 用技术的开发将会取得较快的进 展， 从而促进双金属复合管在我国 各行业的广泛应用。 4 结论 （1） 耐蚀合金可以有效的降低 高含H2S、CO2、C1-等强腐蚀介质 环境条件的油气田的腐蚀问题； （2） 耐蚀合金昂贵的价格使其 在油气田中很难大面积推广应用； （3） 双金属复合管可以将耐蚀 合金的耐蚀性能与碳钢管的高强度 有机的结合， 解决油气田高腐蚀情 况； （4） 双金属复合管连接与单一 管道连接相比较为复杂，难度较 大，但不存在复杂的技术问题。 参考文献 [1] 郑光明等.国外复合管的制造和施工技术 （1） .国外油田工程，2001（1） 2425. [2] 郑光明等.国外复合管的制造和施工技术 （2） .国外油田工程，2001（2） 3033. [3] Christer Aslund. Bimetallic tubes from powder .Conference on Coatings and Bime- tallic for Energy Systems and Chemical Process Environments in South Carolina， 1984.13～16. [4] Giri Rajendran and Woody Maddy. 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