油氣田地面集輸管線在整個(gè)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(fā)的整體效益。在“碳達(dá)峰、碳中和”政策影響下,國內(nèi)涌現(xiàn)出大批二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目,因此油氣田伴生氣中通常會蘊(yùn)含大量的二氧化碳,這對集輸管線及設(shè)備的選材提出了更高的技術(shù)要求。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度選取合理的地面集輸管材將成為油氣田地面開發(fā)的重點(diǎn)。

基于以上背景,市場上涌現(xiàn)出大量新型管材,管材型式主要包括非金屬型及復(fù)合型等十余種。隨著新型管材在各油氣田的應(yīng)用,管材產(chǎn)品的種類日益繁多、結(jié)構(gòu)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),導(dǎo)致非金屬管道存在著制造標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊、設(shè)計(jì)選型無依據(jù)、產(chǎn)品驗(yàn)收檢驗(yàn)技術(shù)和方法不完善等問題[1]。

為規(guī)避以上問題,作者對碳鋼、低合金鋼、雙金屬復(fù)合管、聚乙烯管、鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管、柔性高壓復(fù)合管等幾種常見的油氣田地面集輸管材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尺寸邊界、連接形式及應(yīng)用場景要求進(jìn)行總結(jié)；除此之外,還對管材的腐蝕評價(jià)手段及典型工況下管材選用原則進(jìn)行了詳細(xì)介紹,以供油氣田地面工程設(shè)計(jì)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(jīng)過數(shù)十年的應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)積累,碳鋼及低合金鋼的制造、施工及驗(yàn)收相對于其他類型管材也最為成熟。

根據(jù)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(shè)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(nèi)應(yīng)用的最高鋼級L555M埋弧焊管的口徑可達(dá)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(shí)焊縫處無熔敷金屬,焊縫及熱影響區(qū)的缺陷率較其他類型管材更高,因此通常僅應(yīng)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(jù)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(qū)分界限一般為-20 ℃,應(yīng)用在-20 ℃以下環(huán)境的鋼材為低溫鋼,應(yīng)用在-20 ℃以上環(huán)境的鋼材為普通鋼。相比于普通鋼,低溫鋼具有更優(yōu)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(yàn)測試。L555M低溫管線鋼在中俄東線應(yīng)用說明其可適用于-40 ℃的極寒工況。

1.2 金屬復(fù)合管

金屬復(fù)合管是指將兩種或多種不同金屬材料復(fù)合而成的復(fù)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(fā)揮不同金屬的特性。基體鋼管起結(jié)構(gòu)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(fù)合管結(jié)合了耐蝕合金優(yōu)越的耐蝕性和碳鋼低成本的優(yōu)點(diǎn),在提高管材耐蝕性能的同時(shí),極大降低了管材制造成本。為保證金屬復(fù)合管內(nèi)襯層的完整性和耐蝕性,通常內(nèi)襯層的厚度為2~3 mm。

金屬復(fù)合管在近30 a的發(fā)展過程中已取得長足的進(jìn)步,目前已大量應(yīng)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(fù)合管在我國起步較晚,在設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收方面相比于純材管仍存在較大差距[2-3],尤其是金屬復(fù)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(shù)要求極為嚴(yán)格,因此全自動化焊接及檢測手段將會是后期推進(jìn)金屬復(fù)合管應(yīng)用最有利的技術(shù)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(qiáng)聚乙烯管和高壓柔性復(fù)合管等幾種類型,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用性范圍如下所述。

1.3.1 聚乙烯管

聚乙烯管是應(yīng)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(jù)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(yīng)用于市政給水及燃?xì)夤芫W(wǎng)。在發(fā)達(dá)國家,PE燃?xì)夤芫W(wǎng)的占有率最高可達(dá)90%。以美國為例,自20世紀(jì)70年代以來,其新建市政管網(wǎng)90%以上為聚乙烯管[4]。除此之外,聚乙烯管材還被大量應(yīng)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(qū)多為山區(qū)、丘陵地帶,聚乙烯管質(zhì)量輕、施工便捷等優(yōu)勢極大降低了采氣管網(wǎng)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(gè)系列,其設(shè)計(jì)和使用要求見表2。

聚乙烯管材具有完善的制造、設(shè)計(jì)、施工及檢測標(biāo)準(zhǔn)配套。其中,管材制造方面的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 13663-2018《給水用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)》、GB/T 15558-2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁≒E）管道系統(tǒng)》等,設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收方面的標(biāo)準(zhǔn)有TSG D2002-2006《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》、CJJ 63-2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、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(shí),宜選用經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)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(shí)涉及到的全部缺陷類型[5-6]。GB/T 38942-2020《壓力管道規(guī)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(nèi)蒙古等相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了規(guī)范約束。

1.3.2 鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管

鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管是聚乙烯管材的衍生產(chǎn)品。聚乙烯管材的耐壓程度較低,鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管通過在聚乙烯管材內(nèi)部增加鋼骨架的方式,提高了管材的耐壓能力。鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)主要分為三種類型：鋼絲焊接鋼骨架、鋼板網(wǎng)骨架和鋼絲纏繞骨架。其對應(yīng)的鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管如圖1所示。

圖 1不同增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管

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

鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管的配套標(biāo)準(zhǔn)也相對完善。其中,管材制造標(biāo)準(zhǔn)有SY/T 6662.1-2012《石油天然氣工業(yè)用非金屬復(fù)合管第1部分：鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管》、CJ/T 189-2007《鋼絲網(wǎng)骨架塑料（聚乙烯）復(fù)合管材及管件》等,設(shè)計(jì)施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)包括SY/T 6769.2-2018《非金屬管道設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范第2部分：鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管》和SY/T 6770.2-2018《非金屬管材質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范第2部分：鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管》等。根據(jù)Q/SY 06034-2021《油氣田用非金屬管道應(yīng)用導(dǎo)則》中給出的推薦原則,鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)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(qiáng)聚乙烯復(fù)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(fù)合管存在管大壓低的特點(diǎn),即管徑越大、管材最大承壓一般越低。鋼骨架增強(qiáng)聚乙烯復(fù)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(chǎn),不進(jìn)行額外的無損檢測。

1.3.3 高壓柔性復(fù)合管

高壓柔性復(fù)合管是一種由高分子復(fù)合材料制成的石油天然氣工業(yè)用管,具有耐高壓、耐腐蝕、柔性好、壽命長等優(yōu)異性能。高壓柔性復(fù)合管由內(nèi)輸層、增強(qiáng)層、外保護(hù)層三層結(jié)構(gòu)組成。其中內(nèi)輸層材料為PE、PE-X、PE-RT等；增強(qiáng)層則由芳綸長絲、滌綸長絲等構(gòu)成；外保護(hù)層通常為PE材料。圖2為高壓柔性復(fù)合管的結(jié)構(gòu)[7-8]。

圖 2高壓柔性復(fù)合管結(jié)構(gòu)

Figure 2.Structure of high pressure flexible composite pipe

高壓柔性復(fù)合管的配套標(biāo)準(zhǔn)也相對完善。其管材制造標(biāo)準(zhǔn)有SY/T 6662.2-2020《石油天然氣工業(yè)用非金屬復(fù)合管第2部分：柔性復(fù)合高壓輸送管》、SY/T 6716-2008《石油天然氣工業(yè)用柔性復(fù)合高壓輸送管》等,設(shè)計(jì)施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有SY/T 6769.5-2016《非金屬管道設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范第5部分：纖維增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合連續(xù)管》。根據(jù)Q/SY 06034-2021標(biāo)準(zhǔn)中給出的推薦原則,在油氣田地面集輸中高壓柔性復(fù)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(shí)最大壓力為32 MPa,輸氣、集氣時(shí)最大壓力為16 MPa,適用溫度為65 ℃以下。由于高壓柔性復(fù)合管柔性較好,管材可以以盤卷形式交貨,當(dāng)外徑在150 mm以下時(shí),連續(xù)管最大長度可達(dá)到150 m以上。另外,柔性復(fù)合管的接頭連接形式為扣壓式螺紋連接、法蘭連接等機(jī)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(jù)介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壽命、腐蝕介質(zhì)情況及油氣水產(chǎn)量,初步確認(rèn)腐蝕介質(zhì)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(shè)計(jì)工況,可直接選用碳鋼或其他經(jīng)濟(jì)可行的材料。當(dāng)設(shè)計(jì)工況超出以上范圍時(shí),則需通過相應(yīng)的選材標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算軟件或室內(nèi)評價(jià)試驗(yàn)對管材的適用性進(jìn)行評價(jià),再對適用管材進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選后,方可確認(rèn)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(jià)手段

2.1.1 腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于油氣集輸工況下腐蝕介質(zhì)較為復(fù)雜,很難從標(biāo)準(zhǔn)角度對多種腐蝕介質(zhì)復(fù)合工況下的選材給出強(qiáng)制條款。針對單一腐蝕因素,部分標(biāo)準(zhǔn)中給出了明確的指導(dǎo)意見。

（1）CO2腐蝕　根據(jù)SY/T 0076-2008《天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范》,當(dāng)CO2分壓超出0.021 MPa時(shí),需采取腐蝕防護(hù)措施,并于附錄中給出了諾謨腐蝕預(yù)測圖。采用腐蝕預(yù)測圖結(jié)合溫度與二氧化碳分壓可以評價(jià)介質(zhì)對碳鋼的腐蝕速率,但相比于其他預(yù)測手段,該方法的預(yù)估數(shù)據(jù)較為保守。

（2）硫化氫腐蝕　NACE MR0175系列標(biāo)準(zhǔn),GB/T 20972-2008《石油天然氣工業(yè)油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料》及SY/T 0599-2018《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂金屬材料技術(shù)規(guī)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(zhì)的硫化物應(yīng)力開裂（SSC）分區(qū)。其中SSC分區(qū)共分為SSC0、SSC1、SSC2、SSC3四個(gè)分區(qū),這四個(gè)分區(qū)的開裂嚴(yán)重程度順序?yàn)橐来紊?。為指?dǎo)設(shè)計(jì)施工,標(biāo)準(zhǔn)中對不同分區(qū)下管材的最小屈服強(qiáng)度、制造及現(xiàn)場焊縫的硬度都進(jìn)行了約束,以規(guī)避管材使用時(shí)發(fā)生SSC及氫致開裂（HIC）。

2.1.2 腐蝕預(yù)測模型

腐蝕預(yù)測模型大都是半經(jīng)驗(yàn)型的。De Waard CO2腐蝕模型是預(yù)測CO2腐蝕速率的基礎(chǔ)模型[9-10],見式（1）。該模型是De Waard和Nesic根據(jù)腐蝕動力學(xué)過程,將CO2腐蝕速率分解為活化反應(yīng)速率和離子傳輸速率兩部分,并利用腐蝕數(shù)據(jù)確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)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(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上研發(fā)的腐蝕預(yù)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(jì)算原則進(jìn)行了修正,相比于半經(jīng)驗(yàn)公式,ECE軟件的腐蝕模擬結(jié)果更接近于實(shí)際生產(chǎn)中的腐蝕數(shù)據(jù)。在計(jì)算腐蝕速率時(shí),需輸入?yún)?shù)包括管材相關(guān)的外徑、壁厚及含碳量,產(chǎn)量相關(guān)的油、氣、水產(chǎn)量、原油黏度,緩蝕劑的加注量和有效率及腐蝕介質(zhì)的含量和分壓等。輸出結(jié)果包含管頂和管底的最大平均腐蝕速率及點(diǎn)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(jià)模塊,設(shè)計(jì)人可通過輸入腐蝕介質(zhì)的分壓和含量確認(rèn)耐蝕合金的適用性。

2.1.3 室內(nèi)腐蝕評價(jià)試驗(yàn)

室內(nèi)評價(jià)試驗(yàn)是模擬現(xiàn)場工況的腐蝕評價(jià)手段。試驗(yàn)通常在高溫高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行,通過設(shè)置試驗(yàn)溫度、流速、試驗(yàn)周期、腐蝕氣體分壓等因素模擬現(xiàn)場工況,介質(zhì)為現(xiàn)場取水或配制模擬水樣。試驗(yàn)完成后,記錄試樣表面的腐蝕特征及腐蝕后質(zhì)量差,折算管材的腐蝕速率。室內(nèi)評價(jià)試驗(yàn)涉及到的水質(zhì)分析及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(jù)集輸介質(zhì)中腐蝕性成分的含量及分壓區(qū)間,可將集輸工況分為常規(guī)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(qū)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(zhí)行。結(jié)合軟件計(jì)算結(jié)果及腐蝕評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果,在腐蝕嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)中對不同管材的特殊約束。如GB 50350-2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》對GB/T 8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》中管材的使用環(huán)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(biāo)準(zhǔn)對管材的驗(yàn)收級別較低,出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目較少,且無熱處理交貨要求,在輸氣工況下管材質(zhì)量難以保障。除此之外,不同標(biāo)準(zhǔn)還有很多不同的限制條件。因此,參照表4中進(jìn)行管材選擇時(shí),仍需綜合參考GB 50349-2015《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50350-2015、GB 50391-2014《油田注水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3. 結(jié)論

碳鋼及低合金鋼管在大部分的油氣田地面建設(shè)項(xiàng)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(yōu)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(yīng)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(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收亟需進(jìn)一步規(guī)范化,以保證工程質(zhì)量。隨著管材的多樣化、規(guī)范化發(fā)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(shù)性和經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的集輸管材,地面工程建設(shè)的投資成本將大幅降低,管線運(yùn)行年限也將延長。

文章來源——材料與測試網(wǎng)