巨萌1 王麗2 張俊濤3 牛振宇4

1.長慶油田分公司第一輸油處； 2.長慶油田分公司第二輸油處；

3.長慶油田分公司第八采油廠； 4. 長慶油田分公司長慶工程設(shè)計(jì)有限公司

摘要：當(dāng)油田開發(fā)進(jìn)入高含水階段時(shí)，管道腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象日益加重，通常3～6個(gè)月管道就因堵塞而無法正常運(yùn)行，需停運(yùn)清理。通過對(duì)油田管道結(jié)垢機(jī)理分析，探究防垢型非金屬復(fù)合管道的內(nèi)層、加強(qiáng)層、外層材料的最優(yōu)選型，實(shí)踐證明在油田集輸、污水處理、注水、供水等油田地面工程具有廣泛用途，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：油品集輸；管道腐蝕；非金屬管道；防垢；材料選型

油田集輸油管道結(jié)蠟結(jié)垢，降低了管道輸送能力，嚴(yán)重時(shí)阻塞管道，導(dǎo)致管道停產(chǎn)，還會(huì)導(dǎo)致儀表或閥門靈敏度下降，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。管道結(jié)蠟處理相對(duì)比較簡單，定期在輸送管道內(nèi)通高溫?zé)崴�或投放橡膠球，利用熱水熔蠟或橡膠球的摩擦作用把管道內(nèi)壁的結(jié)蠟層清除掉即可。而管道內(nèi)壁的結(jié)垢層處理，至今沒有找到一個(gè)簡便、高效的方法。防垢涂料[1]雖然有較好的防結(jié)垢效果，但在鋼管內(nèi)均勻涂覆的工藝難度大、造價(jià)高，且涂料與鋼管的結(jié)合強(qiáng)度及輸送介質(zhì)對(duì)涂層的磨損均影響涂層使用壽命，綜合經(jīng)濟(jì)性不高。

非金屬管道[2]內(nèi)壁光滑、不易結(jié)蠟結(jié)垢、防腐性能好、水力摩阻小，輸送能耗及安裝維護(hù)費(fèi)用低，不需陰極保護(hù)，使用壽命長，綜合經(jīng)濟(jì)效益好；對(duì)提高管道建設(shè)質(zhì)量和保障安全運(yùn)行有重要作用。

1  非金屬管道的選型

1.1  防垢型內(nèi)層材料選擇

通過對(duì)油田管道內(nèi)壁結(jié)垢機(jī)理[3]的研究發(fā)現(xiàn)，降低管道材料的表面能可以減輕輸油管道內(nèi)壁的結(jié)垢程度。通常極性金屬材料的表面能很高，非極性材料的表面能低。因此，具有低表面能的高分子聚烯烴材料成為首選（表 1）。

表 1 不同材料的表面能

研究表明，選用含有硅、氟等原子的有機(jī)化合物（改性劑）對(duì)高分子聚烯烴（LH-PE）進(jìn)行改性，將改性劑均勻的分散在聚烯烴中，與聚烯烴形成分子互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖 1），穩(wěn)定性很好，材料的表面能也很低。這種改性聚烯烴材料管道即使表面被磨損，材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與表面一致，性能不會(huì)改變，因此具有永久的抗結(jié)垢效果。

圖 1 分子互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí)LH-PE分子量很高，材料的耐熱性好，長期使用溫度可達(dá)到60 ℃以上。其耐腐蝕性、耐磨性超過了普通聚烯烴，耐氣體阻隔性也比聚烯烴有所提高。LH-PE的主要理化性能及與高密度聚乙烯性能對(duì)比見表 2。

表 2 低表面能高分子量聚烯烴LH-PE的主要性能表

1.2  加強(qiáng)層材料的選型

常見的增強(qiáng)材料有纖維增強(qiáng)材料和鋼絲增強(qiáng)材料[4]。從強(qiáng)度上看，玻璃纖維、碳纖維、鋼絲、芳綸都適合作為防垢型非金屬管道管的加強(qiáng)層材料，其性能比較見表 3。

表 3 增強(qiáng)材料多方案對(duì)比表

綜合對(duì)比，鋼絲性價(jià)比高、芳綸次之、玻纖和碳纖維差。因此，本文重點(diǎn)研究鋼絲增強(qiáng)復(fù)合管。

1.3  外層材料選用

外層材料軟管可以選擇硫化橡膠或熱塑性彈性體，硬管可以選擇熱固性塑料或熱塑性塑料。聚乙烯是高度結(jié)晶型、飽和脂肪烴長鏈聚合物（―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―），無極性、熱塑性好決定了它對(duì)水和各種化學(xué)試劑具惰性，有優(yōu)異的耐酸、堿、鹽特性。綜合考慮管材柔韌性、可盤卷性以及耐溫等要求，防垢型非金屬管外層選用耐溫聚乙烯，結(jié)合長期運(yùn)行的工作溫度以及設(shè)計(jì)安全系數(shù)要求，優(yōu)選耐溫聚乙烯樹脂，以及具有同等性能的改性樹脂。

2  防垢型非金屬管道技術(shù)方案

2.1  管道結(jié)構(gòu)

根據(jù)長慶油田集輸油管道工況，采用鋼絲纏繞增強(qiáng)LH-PE非金屬復(fù)合管。該復(fù)合管為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為低表面能高分子聚乙烯（LH-PE）復(fù)合芯管，起到防結(jié)垢、防結(jié)蠟、防腐蝕以及流體密封作用；中間增強(qiáng)層由高強(qiáng)度鍍層鋼絲與特殊黏結(jié)劑組成，是內(nèi)壓載荷及軸向載荷的主要承擔(dān)者，同時(shí)能夠承擔(dān)一定的外壓載荷；外保護(hù)層為高密度耐溫聚乙烯，在一定范圍內(nèi)具有抗劃傷、抗磨損能力，對(duì)增強(qiáng)層及整個(gè)復(fù)合管起到保護(hù)作用。管體結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖 2 復(fù)合管結(jié)構(gòu)示意圖

2.2  試驗(yàn)管道規(guī)格參數(shù)

選擇某采油廠結(jié)垢嚴(yán)重的集油管段進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，先期試驗(yàn)用防垢復(fù)合管設(shè)計(jì)參數(shù)見表 4。

表 4 復(fù)合管主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3  復(fù)合管優(yōu)點(diǎn)

（1）耐結(jié)垢性好，芯管采用LH-PE，具有優(yōu)良的耐結(jié)垢性能。

（2）管材輕便，比同等使用條件相同規(guī)格鋼管重量輕3/5。

（3）安裝便捷，管接頭形式多樣化，不需要大型起重設(shè)備。

（4）管材柔性高，不受地形條件限制和地質(zhì)沉降等外部因素影響。

（5）防腐性能高，由于采用聚烯烴為基料制作內(nèi)外層，具有較高的防腐性能。

（6）管材輸送阻力小，比鋼管小30%以上，流量增加16%。

3  結(jié)論

在長慶油田某采油廠選取10 km集輸油管段作為試點(diǎn)，防垢型非金屬復(fù)合管道防腐防垢性能表現(xiàn)優(yōu)異。此外其承壓能力強(qiáng)，工作壓力可達(dá)6.3 MPa；具備優(yōu)越的耐沖擊性能；同時(shí)管道的耐溫性能強(qiáng)，可以在﹣41℃至70℃的溫度下長期工作，低溫脆化溫度極低，在冬季安裝施工不會(huì)發(fā)生管道脆裂。在油田集輸、污水處理、注水、供水等油田地面工程具備大規(guī)模推廣應(yīng)用價(jià)值。建議進(jìn)一步探究非金屬管材剩余壽命評(píng)價(jià)方法，以消除長期服役條件下可能產(chǎn)生的安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑞英.防垢耐蝕耐磨涂層的制備與性能研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2010.

[2]穆劍，徐兆明，張麗，等.非金屬管道在石油工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

[3]馬尚余.玻璃鋼油套管結(jié)垢結(jié)蠟機(jī)理研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2016.

[4]孫紅鐿，馬文琦，趙慧春，等.油田非金屬壓力管道技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2014.

作者簡介：巨萌，1990年生，工程師，2013年畢業(yè)于常州大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事輸油站場(chǎng)工藝及管道完整性管理工作。聯(lián)系方式：13679124854，1065744032@qq.com。