油田管道玻璃釉內防腐補口新技術

郭繼銀，方 艷，林 竹，賈福生，張 靖，鄧幫輝，張曉莉

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000

鋼質管道玻璃釉內防腐層技術，是將特制的玻璃釉料熱噴涂到鋼管內壁表面，形成玻璃與金屬復合防腐層，這種防腐層不僅具有優良的防腐性能，同時還具有不易老化的特點。玻璃釉料可根據防腐性能要求、金屬膨脹系數和工藝特點進行配制?？蓱糜谟吞?、化工、供水、污水處理、電力、造紙、煤礦等行業地上或埋地的金屬管道防腐及耐磨領域，近年來該技術在勝利、江漢等油田得到了工業化應用，具有較好的防腐效果[1-4]。

由于玻璃釉防腐層是在工廠預制完成的，而管道端口的焊接需要在現場進行，焊接產生的高溫會導致端口附近的玻璃釉防腐層發生開裂、脫落等，特別是對于中小口徑管道，由于在現場進行內補口施工難度較大，致使內補口成為制約玻璃釉防腐管推廣應用的技術難點和瓶頸。

本文調研了玻璃釉補口防腐技術的發展現狀，并對堆焊不銹鋼補口技術用于玻璃釉防腐管的適用性進行了測試研究，通過現場試用，證明此種補口技術與玻璃釉防腐管具有較好的配套性，具有一定的推廣應用價值。

1 管道玻璃釉補口防腐技術發展現狀

自上世紀90年代管道玻璃釉防腐技術應用以來，配套的補口技術就一直在不斷發展完善，經過調研發現，用于管道玻璃釉內涂層的配套補口技術主要包括平口焊接補口、承插壓接補口和堆焊不銹鋼補口三種。

1.1 平口焊接補口技術

平口焊接補口技術屬于最早的補口技術，顧名思義就是采用常規的焊接方式將兩根玻璃釉防腐管直接焊接起來，內壁不再進行內補口，由于在焊縫內壁沒有防腐層，因此防腐效果不佳。為了改善補口防腐效果，后期在焊縫部位采用低溫熔融型玻璃釉，依靠焊接熱量將焊縫周圍的玻璃釉防腐層再次熔融并形成一個整體，但是實際應用效果仍不能令人滿意，因此目前這種補口技術已經被淘汰，或者僅用于部分腐蝕不太嚴重的管道工程中。

1.2 承插壓接補口技術

承插壓接法在國外稱為Zap-Lok，即先把鋼管的一端脹大，再把另一端整形縮小，連接時把鋼管的小端壓入另一根鋼管的大端，通過二者的過盈配合達到鋼管連接的目的，兩根管道連接的縫隙處采用密封膠進行密封和防腐[5-8]。承插壓接補口結構示意見圖1。

圖1 承插壓接補口結構示意

該補口技術的優點在于現場無需進行焊接動火施工，只需要進行承插壓接和膠液密封施工即可，因此得到了較為廣泛的應用，也取得了較好的應用效果，但是，由于需要對管道端口進行擴口處理，這對于小口徑薄壁管道而言存在一定難度，有可能對管道強度造成不良影響，因此前期主要應用于管徑＞114 mm的管道，而對于小口徑管道適用性不佳。

1.3 堆焊不銹鋼補口技術

近年來，科研人員研發出一種基于端頭堆焊不銹鋼的補口技術，利用端頭堆焊技術生產的防腐管可以現場直接焊接安裝，免除了內補口工序，且能實現管內防腐層連續完好，能夠較好地解決小口徑管道的補口難題[9-11]。

堆焊不銹鋼補口技術是預先在管端內壁堆焊一定寬度和厚度的不銹鋼層，然后進行管體內外壁的防腐施工，將防腐管運至現場后，采用相應的不銹鋼焊材進行焊接，焊接完成后無需再次進行內補口，焊縫周邊部位的防腐功能由不銹鋼堆焊層和不銹鋼焊縫提供[12-13]。其結構如圖2所示。

圖2 堆焊補口防腐結構示意

這種補口技術目前已較為成熟，前期主要用于熔結環氧粉末防腐層和液體無溶劑環氧防腐層的內補口，實際應用效果較好。

為考察堆焊不銹鋼補口方式用于玻璃釉防腐管的可行性，開展了相關的系列試驗研究，包括對堆焊補口防腐材料的篩選、補口防腐層耐蝕性能測試和補口焊接工藝評定等，并通過現場應用試驗證明了實際的應用效果。

2 補口防腐層材料篩選

為確定適宜的堆焊材料，開展了堆焊不銹鋼材料的篩選研究，主要針對不同品種的不銹鋼耐蝕性能進行了測試研究，一共選取了3種不銹鋼，包括316L奧氏體不銹鋼、2205雙相不銹鋼和Ni625鎳基不銹鋼，對這三種耐蝕合金材料的腐蝕速率進行測試分析。

2.1 腐蝕速率測試

（1） 測試標準：NACE TM-01-71 《金屬在高溫水中的高壓釜腐蝕試驗》、NACE RP-0775-99《油田生產中腐蝕掛片的準備和安裝以及試驗數據分析》、GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》。

（2）測試儀器：美國CORTEST高溫高壓釜，最高溫度350℃，最高壓力70 MPa。

（3）試樣要求：材質分別為三種不銹鋼，試片加工尺寸為：50 mm×10 mm×3 mm。

（4）試驗條件：5% NaCl溶液，80℃、168 h、14 MPa。

（5）測試結果：見表1。

從表1可以看出，三種不銹鋼材料在5% NaCl溶液介質中的腐蝕速率從大到小排序為316L＞2205＞Ni625，且均能滿足＜0.024 5 mm/a的標準要求。

表1 不同種類不銹鋼的腐蝕速率測試結果

2.2 點蝕速率測試

由于實際工況（含CO2和Cl-）條件下發生的腐蝕主要是不均勻的點蝕，而且與均勻腐蝕相比，點蝕的發展速度更快，危害更大，因此對三種不銹鋼材料的點蝕速率進行了測試評價。

（1） 測試標準：GB/T 17897—2016《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》。

（2）測試儀器：恒溫水浴鍋、密封瓶、激光三維形貌儀。

（3）試樣要求：材質分別為三種不銹鋼，試片加工尺寸為：50 mm×10 mm×3 mm。

（4） 試驗條件：6% FeCl3溶液，50℃、常壓、24 h。

（5）測試結果：不同類型不銹鋼試樣點蝕速率測試結果見表2。

表2 不同類型不銹鋼試樣點蝕速率測試結果

從表2可以看出，三種不銹鋼材料在FeCl3溶液介質中的點蝕速率以316L最高，2205和Ni625較輕，對照標準規定的點蝕腐蝕率≤0.13 mm/a的要求，除316L外，其他兩種類型的不銹鋼的點蝕率滿足標準要求。

同時，為了能清楚看到試件的微觀腐蝕狀況，利用奧林巴斯三維激光形貌儀對試件表面微觀形貌進行了掃描，見圖3～圖5。

圖3 Ni625試件點蝕試驗前后三維激光掃描表面形貌

圖4 2205試件點蝕試驗前后三維激光掃描表面形貌

圖5 316L試件點蝕試驗前后三維激光掃描表面形貌

通過微觀形貌可以看出，316L試件腐蝕最為嚴重，表面腐蝕坑最深；2205試件表面也出現點蝕坑，但是相對較淺，腐蝕較輕；Ni625試件的微觀形貌比較平整，幾乎沒有較大點蝕坑，說明腐蝕傾向較小。經過微觀形貌分析可以得出：三種耐蝕合金的耐點蝕性能由強到弱依次為Ni625＞2205＞316L。

通過對以上三種不銹鋼材料的腐蝕速率和點蝕速率的測試，結合對腐蝕后表面的微觀掃描，可以確定2205和Ni625的綜合耐蝕性能可以滿足現場防腐要求，綜合考慮成本因素，推薦采用2205作為堆焊不銹鋼材料。

3 玻璃釉補口防腐層性能測試

為考察玻璃釉補口防腐層的綜合性能，對采用雙相不銹鋼焊接的焊縫進行了焊接工藝評定，并對玻璃釉補口防腐層的耐蝕性能進行了測試評價。

3.1 焊接工藝評定

為驗證玻璃釉堆焊耐蝕合金接頭的焊接質量，委托中油一建焊接培訓中心和中國石油集團工程技術研究有限公司焊接實驗室對采用雙相不銹鋼焊接的焊縫進行了焊接工藝評定（見圖6），測試標準采用石油行標SY/T 0452—2012《石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》。具體的焊接工藝參數如下：

圖6 現場預留試驗旁通

鋼管尺寸：D60 mm×5.5 mm；鋼管材質：20#鋼；打底焊焊材：ER2209，φ2.4 mm；填充及蓋面焊材：E309L-16，φ2.0 mm；焊接方法：SMAW；焊接電流：70～90 A。

按照SY/T 0452—2012《石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》要求，評定的主要技術指標及測試結果見表3。

從表3可以看出，采用上述方式焊接的管道端口焊接質量完全滿足標準要求。

表3 焊縫焊評主要性能指標及測試結果

3.2 耐蝕性能測試

為考察玻璃釉補口部位防腐層在實際工況條件下的耐蝕性能，采用高壓釜對玻璃釉補口防腐層的耐蝕性能進行了室內加速試驗。

（1） 測試標準：SY/T 0442—2010《鋼制管道熔結環氧粉末內防腐層技術標準》附錄H。

（2）測試儀器：美國CORTEST高溫高壓釜，最高溫度350℃，最高壓力70 MPa。

（3）試樣要求：試樣截取自防腐管，尺寸為200 mm×75 mm×7 mm，內壁帶玻璃釉防腐層、2205雙相不銹鋼堆焊層和焊縫，玻璃釉防腐層與堆焊層邊緣搭接寬度為50 mm。

（4） 試驗條件：5% NaCl溶液，80℃、14MPa、168 h。

（5） 測試條件：5% NaCl溶液，80℃、14 MPa（94% N2+6% CO2，百分數為分壓比），168 h；5% NaCl溶液，100℃、14 MPa（94% N2+1% H2S+5% CO2），168 h。

（6）測試結果：見表4。

從以上高壓釜耐蝕試驗結果可以看出，玻璃釉補口防腐層在兩種不同的試驗條件下具有較好的耐蝕性能。

4 玻璃釉補口技術現場應用

為考察不銹鋼堆焊補口技術的實際應用效果，在塔里木油田進行了實際工況條件的現場試用，具體做法為：在某井口集輸流程增加旁通，管材采用帶不銹鋼堆焊補口的玻璃釉防腐管段，安裝施工完成后打開旁通進行實際運行，以考察玻璃釉防腐管及不銹鋼堆焊補口的實際使用效果。

試驗地點選擇了某采油作業區的單井井口管道。該地區輸送介質為含有CO2和Cl-的含水原油，腐蝕性較強，平均不到1年即發生一次刺漏。該管道管徑為DN80，壁厚4.5 mm，材質為20#鋼，工作溫度20～30℃，壓力1.6～2.5 MPa，輸送介質為含水率91.5%的含水原油。用于旁通的管段采取同樣的管徑和材質，內襯玻璃釉防腐層，管端堆焊不銹鋼，并在現場采用不銹鋼焊接材料進行焊接。

試驗管段于2019年9月完成安裝并投入運行，截止到目前運行情況良好。試驗管道安裝布置及現場試驗見圖6、圖7。

圖7 采用不銹鋼焊材進行焊接的試驗管段

目前，采用該種補口技術的玻璃釉防腐管已經在勝利油田、塔里木油田得到了工業應用，其中在勝利油田仙河采油廠的管道防腐工程中已經得到大規模應用，2019—2020年共應用278 km，且應用效果良好。

5 結束語

作為管道玻璃釉內防腐的配套技術，玻璃釉內補口技術從最初的平口焊接補口逐步過渡到承插壓接補口，目前已經發展到堆焊不銹鋼補口，其中，采用2205雙相不銹鋼材料的堆焊不銹鋼補口結構，經過室內研究測試和現場應用，發現其綜合防腐性能優良，且與管道玻璃釉內涂層具有較好的配套性，可以較好地滿足現場生產需要，有望在中小口徑管道內防腐工程中得到進一步的推廣應用。