李春雨,馮昕媛,張玉香,李本全,喬柏翔,賀煥婷,李 程

(1.青海油田鉆采工藝研究院,敦煌 736200;2.青海油田采油一廠 ,茫崖 816400)

管道內(nèi)壁涂層在上世紀(jì)50年代在美國(guó)首先應(yīng)用,主要用于輸氣管道減阻[1]。國(guó)內(nèi)隨后也開展了相關(guān)技術(shù)研究,西氣東輸管道首次大規(guī)模應(yīng)用了內(nèi)涂層減阻技術(shù)[2]。同時(shí),管道內(nèi)襯層作為內(nèi)防腐蝕措施,主要包括內(nèi)襯水泥砂漿、內(nèi)擠涂環(huán)氧涂料、EP重防腐漆等有機(jī)材料等,但其耐腐蝕性能差強(qiáng)人意[3],存在涂層脫落、耐腐蝕性能差、耐壓低等問題。近年來,改進(jìn)的纖維增韌環(huán)氧涂料內(nèi)擠涂技術(shù)作為集輸管道內(nèi)防護(hù)措施,在長(zhǎng)慶等油田取得不錯(cuò)的應(yīng)用效果[4-5]。

青海油田地處柴達(dá)木盆地,是青藏地區(qū)重要的原油、天然氣供應(yīng)單位,對(duì)于青藏地區(qū)能源安全具有重要意義。青海油田區(qū)塊主要分布在茫崖地區(qū)英雄嶺附近[6-7], 先后發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了尕斯、獅子溝、花土溝、油砂山、英東等多個(gè)油氣田。隨著油田進(jìn)入開發(fā)中后期,大量鋼質(zhì)集輸管道出現(xiàn)了結(jié)垢、腐蝕穿孔等現(xiàn)象[8-9],嚴(yán)重影響了油田的安全平穩(wěn)運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)研究[8],油田采出水及處理污水具有高礦化度、高氯離子、弱酸性和含S2-和硫細(xì)菌的特點(diǎn),對(duì)金屬管道具有較強(qiáng)的腐蝕性,這對(duì)油氣田集輸管道和注水管道的內(nèi)腐蝕控制提出了更高要求。

目前,管道內(nèi)腐蝕控制主要包括耐蝕材質(zhì)、內(nèi)涂?jī)?nèi)襯層、內(nèi)鍍層以及藥劑防腐等[10-11]。其中內(nèi)鍍層較少用于油田集輸管道防腐蝕。藥劑防腐蝕方面,受高礦化度、高氯離子影響,緩蝕劑等藥劑防腐蝕清管涂膜周期短、需設(shè)置大量加注裝置且維護(hù)工作量大,對(duì)于數(shù)量多、距離短的油田集輸單井管道的適用性較差。耐蝕合金管或雙金屬?gòu)?fù)合管受高昂價(jià)格影響,目前多應(yīng)用于高產(chǎn)、高含硫的油氣田,其在一般油田管道應(yīng)用,經(jīng)濟(jì)性較差。當(dāng)前應(yīng)用較多的油田集輸管道內(nèi)防腐蝕技術(shù)主要是非金屬管道[12-13]和內(nèi)擠涂防腐蝕技術(shù)。

青海油田地處海拔3 000 m左右的高原,具有年平均氣溫低、晝夜溫差大、氣候干燥、風(fēng)沙多等特點(diǎn),這對(duì)于內(nèi)擠涂環(huán)氧涂料的性能和施工工藝提出了較高要求。為驗(yàn)證內(nèi)擠涂防腐蝕技術(shù)在油田集輸管道的適用性,本工作在內(nèi)腐蝕嚴(yán)重區(qū)塊集輸管道中試用了管道內(nèi)擠涂防腐蝕技術(shù)。在應(yīng)用過程中,針對(duì)內(nèi)擠涂施工問題和油田環(huán)境特點(diǎn)提出了工藝改進(jìn)措施。

1 施工工藝及特點(diǎn)

環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂技術(shù)是采用風(fēng)送擠涂方式將液體環(huán)氧涂料涂敷在已建成管道內(nèi)表面,在管道內(nèi)壁形成均勻、連續(xù)的涂層,從而將管道內(nèi)壁與腐蝕介質(zhì)有效隔離[14],保護(hù)管道免遭腐蝕。環(huán)氧涂料內(nèi)擠涂層適用于溫度不高于80 ℃的輸送原油、天然氣或水管道。

1.1 施工工藝

環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂施工主要包括施工前準(zhǔn)備、噴砂除銹、風(fēng)送擠涂和檢測(cè)恢復(fù)四部分,工藝流程圖如圖1所示。

圖1 環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂施工工藝流程Fig.1 Construction process flow of oxygen coating prepared by air blowing and squeezing

施工準(zhǔn)備主要是施工前準(zhǔn)備材料,并檢查管道整體,確認(rèn)管道符合施工要求,包括熱洗除油、除垢和試壓、干燥等步驟。噴砂除銹是利用高壓空氣吹送石英砂礫,通過改變其運(yùn)動(dòng)方向,使之與管道內(nèi)壁形成夾角高速劇烈擊打內(nèi)壁達(dá)到除銹目的,管道內(nèi)壁應(yīng)達(dá)到Sa2.5級(jí)除銹效果[15]。噴砂后用壓縮空氣推動(dòng)海綿除塵。隨后進(jìn)行風(fēng)送擠涂施工,將計(jì)量好的環(huán)氧涂料和固化劑充分混合均勻后注入管道,用壓縮空氣推動(dòng)涂敷器在管道內(nèi)行進(jìn)并均勻涂敷涂料[14],形成內(nèi)涂層。環(huán)氧涂料充分固化后,對(duì)管道內(nèi)涂層進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括涂層厚度、硬度等參數(shù)的測(cè)量以及視頻內(nèi)窺檢查,確認(rèn)各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行管道接頭補(bǔ)口等作業(yè)并最終投入使用。

1.2 工藝特點(diǎn)

環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂?jī)?nèi)防腐蝕工藝特別適用于小口徑短距離油田集輸管道,具有以下優(yōu)點(diǎn)[16]:一是施工距離長(zhǎng),一次施工的距離最長(zhǎng)達(dá)5 km,具體如表1所示;二是地形適用性好,適應(yīng)復(fù)雜地形條件,可以作業(yè)于多彎頭、大起伏的管線,最小可通過1.5D彎頭;三是施工效率較高,管道整體無需開挖,整體施工、整體投運(yùn);四是價(jià)格適中,維護(hù)工作量小。

表1 內(nèi)擠涂施工管段的最大允許施工長(zhǎng)度

然而,環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂?jī)?nèi)防腐蝕工藝在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)存在以下缺點(diǎn)[4,17]:一是對(duì)噴砂除銹效果要求高,除銹效果直接影響內(nèi)擠涂層附著力從而影響內(nèi)擠涂層的使用壽命;二是對(duì)施工管道的環(huán)焊縫質(zhì)量要求高,環(huán)焊縫的焊瘤、焊渣和錯(cuò)焊等缺陷會(huì)影響擠涂效果,導(dǎo)致涂層缺陷;三是內(nèi)涂層質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)手段受限,小口徑管道一般僅在管道兩端進(jìn)行厚度、硬度和電火花檢測(cè);四是管道內(nèi)防腐蝕涂層局部破損修復(fù)困難,施工完成后管道開孔、連接支管等操作會(huì)損傷內(nèi)防腐蝕涂層,且修復(fù)困難。

在青海油田的實(shí)際應(yīng)用中,常規(guī)風(fēng)送內(nèi)擠涂施工還存在以下問題:一是當(dāng)前主要應(yīng)用于25 MPa及以下壓力管道中,其在32 MPa注水管道的適用性有待驗(yàn)證;二是當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求涂層附著力一般不小于10 MPa,其在壓力波動(dòng)頻繁的生產(chǎn)管道中的耐久性還有待驗(yàn)證;三是高原大溫差環(huán)境中涂料固化效果及固化時(shí)間不明確。

2 應(yīng)用情況級(jí)優(yōu)化措施

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

為驗(yàn)證環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂?jī)?nèi)防腐蝕技術(shù)在青海油田的適用性,自2019年開始試用內(nèi)擠涂防腐蝕技術(shù),包含在役和新建原油集輸管道、在役和新建的注水單井管道,見表2。

表2 內(nèi)擠涂試驗(yàn)管道服役情況

2.2 工藝調(diào)整與優(yōu)化

2.2.1 涂料優(yōu)化

為提升環(huán)氧涂料和內(nèi)防腐涂層質(zhì)量,使用以環(huán)氧涂料為基體,添加玻璃纖維和特殊功能助劑的玻纖增韌環(huán)氧涂料。該涂料除了具有環(huán)氧類涂料的高防腐蝕性能以外,在全面滿足《鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐技術(shù)規(guī)范》(SY/T 0457-2019)和《鋼質(zhì)管道液體涂料風(fēng)送擠涂?jī)?nèi)涂層技術(shù)規(guī)范》(SY/T 4076-2016)基礎(chǔ)上,還兼具優(yōu)異的附著力、斷裂延展性和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能,實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果如表3所示。同時(shí),為能在32 MPa高壓注水管道中應(yīng)用,在原玻纖增韌環(huán)氧涂料材料基礎(chǔ)上,針對(duì)高壓工況條件下添加特殊功能助劑,形成高壓注水專用涂料。在第三方實(shí)驗(yàn)室參照ASTM G111-97(Reapproved 2018)進(jìn)行耐高壓試驗(yàn),結(jié)果表明試樣在35 MPa、60 ℃、3%NaCl環(huán)境中試驗(yàn)72 h后,涂層無鼓泡、未開裂。

表3 玻纖增韌環(huán)氧涂料的測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2.2 施工工藝調(diào)整

噴砂除銹質(zhì)量和管道環(huán)焊縫質(zhì)量是影響內(nèi)擠涂層質(zhì)量最重要的因素。噴砂除銹質(zhì)量直接關(guān)系涂層附著力大小,環(huán)焊縫焊瘤、凹陷等不僅影響噴砂除銹質(zhì)量,還會(huì)對(duì)涂料擠涂造成影響,導(dǎo)致該處背向位置涂料過薄。為控制內(nèi)防腐涂層質(zhì)量,開發(fā)了視頻內(nèi)窺器,通過壓縮空氣推動(dòng)視頻器在管道內(nèi)運(yùn)行并拍攝管道內(nèi)部視頻輔助進(jìn)行質(zhì)量控制,一是在除垢后檢查環(huán)焊縫質(zhì)量,對(duì)于具有明顯焊瘤或其他問題的環(huán)焊縫進(jìn)行修復(fù);二是噴砂除銹后,利用視頻判斷管道內(nèi)部噴砂除銹質(zhì)量,確保全線達(dá)到sa2.5的除銹標(biāo)準(zhǔn);三是在施工完成后,利用視頻檢查內(nèi)防腐蝕涂層完整性,排除明顯的涂層破損、褶皺、塌陷等問題。同時(shí),為提升噴砂除銹效果,使用雙向噴砂除銹工藝,每次除銹后在管道另一側(cè)再次進(jìn)行除銹,確保管道后端及環(huán)焊縫凹陷處除銹質(zhì)量。

為保障涂層施工質(zhì)量,在擠涂時(shí)采用雙向擠涂施工工藝,每次擠涂一次后,在管道另一側(cè)進(jìn)行下一道擠涂。針對(duì)高原晝夜溫差大、平均氣溫低的實(shí)際,規(guī)定夜間氣溫低于0 ℃時(shí)嚴(yán)禁施工,每一次內(nèi)擠涂施工后至少24 h后才能進(jìn)行下一道施工,施工完成后至少固化10 d才能投入使用。同時(shí)開發(fā)了管道內(nèi)檢測(cè)器,可以在指定位置檢測(cè)內(nèi)防腐蝕涂層硬度和厚度,確保質(zhì)量合格。

通過優(yōu)化施工工藝(見表4),現(xiàn)場(chǎng)施工能夠較好地控制內(nèi)擠涂施工質(zhì)量,現(xiàn)場(chǎng)施工管道內(nèi)部照片如圖2所示。

表4 施工工藝的優(yōu)化調(diào)整

圖2 內(nèi)窺視頻器拍攝的管道內(nèi)照片F(xiàn)ig.2 Pipe interior photograph taken by an endoscope

2.3 施工質(zhì)量控制

內(nèi)涂層技術(shù)施工流程多,施工要求嚴(yán)格,涂層質(zhì)量控制難度大[18]。在應(yīng)用內(nèi)擠涂的過程中,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件和經(jīng)驗(yàn),編制了青海油田《鋼質(zhì)管道環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂?jī)?nèi)襯技術(shù)規(guī)范》和《鋼質(zhì)管道環(huán)氧涂料風(fēng)送擠涂?jī)?nèi)襯施工質(zhì)量控制及驗(yàn)收規(guī)范》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。技術(shù)規(guī)范規(guī)定了內(nèi)擠涂施工涂料要求,驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定了風(fēng)送內(nèi)擠涂施工從原材料入場(chǎng)到交工驗(yàn)收每一步驟的驗(yàn)收要求與驗(yàn)收指標(biāo),確保每一步驟質(zhì)量合格后進(jìn)行下一步施工。在施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1) 在役管道雖然可以進(jìn)行施工,但除垢和噴砂除銹效果與垢質(zhì)成分、分布、除垢器效果息息相關(guān),建議優(yōu)先在新建管道建成后投產(chǎn)前進(jìn)行整體內(nèi)擠涂防腐蝕施工,此時(shí)施工流程少、噴砂除銹效果好;

(2) 熱洗除垢后的金屬表面應(yīng)無殘垢、油污,若用數(shù)點(diǎn)法確認(rèn)洗凈率,100 cm2的被清洗表面上直徑小于5 mm的殘留垢點(diǎn)均應(yīng)小于1個(gè)(三次取樣平均值 )。

(3) 除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到Sa2.5 級(jí),除銹后將管及管件內(nèi)部的沙粒、塵埃、銹粉等微塵清除干凈,表面處理合格后應(yīng)在8 h內(nèi)進(jìn)行涂敷施工。

(4) 擠涂施工應(yīng)關(guān)注氣溫條件,施工溫度為5～40 ℃,夜間溫度低時(shí)應(yīng)延長(zhǎng)固化時(shí)間。施工完成后對(duì)涂層進(jìn)行外觀、厚度、硬度、附著力和電火花等檢測(cè)。同時(shí)應(yīng)設(shè)置檢查管段,以便后續(xù)質(zhì)量檢查。

2.4 應(yīng)用評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)內(nèi)防腐蝕技術(shù)在油田集輸管道中的應(yīng)用情況,2020年9月對(duì)內(nèi)擠涂施工投入使用1 a的某單井管道進(jìn)行取樣,并送第三方實(shí)驗(yàn)室對(duì)內(nèi)涂層厚度、硬度和附著力進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明使用 1 a的管道內(nèi)防腐蝕涂層表面完整、顏色無變化,實(shí)驗(yàn)室測(cè)定涂層附著力、硬度和厚度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),見表5。不過目前內(nèi)擠涂管道使用時(shí)間尚短,內(nèi)涂層的使用壽命尚需進(jìn)一步考察[19],特別是在油田油氣水介質(zhì)和高壓環(huán)境中的使用壽命。

表5 尕斯油田躍7-33井內(nèi)涂層的檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 通過添加玻璃纖維和特殊助劑,形成了玻纖增韌的涂料和32MPa高壓注水專用涂料,除具有環(huán)氧涂料的耐腐蝕性能外,涂層的附著力和力學(xué)性能也表現(xiàn)突出。

(2) 針對(duì)內(nèi)擠涂施工質(zhì)量控制,開發(fā)了視頻內(nèi)窺器和內(nèi)檢測(cè)器,用于管道焊縫質(zhì)量、除垢質(zhì)量、噴砂除銹效果和內(nèi)涂層質(zhì)量檢測(cè),基本實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量檢查從端口到內(nèi)部的轉(zhuǎn)變。

(3) 調(diào)整了施工工藝,由常規(guī)單向噴砂除銹和擠涂改為雙向噴砂除銹和雙向擠涂施工,同時(shí)針對(duì)高原平均氣溫低、晝夜溫差大的特點(diǎn),延長(zhǎng)了涂層固化時(shí)間要求。形成了油田內(nèi)擠涂施工技術(shù)規(guī)范和質(zhì)量控制及驗(yàn)收規(guī)范,可有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

(4) 目前所有施工管道均運(yùn)行正常,投入生產(chǎn)1 a后,涂層表面完整、顏色無變化,實(shí)驗(yàn)室測(cè)定涂層附著力、硬度和厚度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),效果較好。