双金属复合管在海底油气输送中的应用研究
摘要：双金属复合管在海底油气输送中的应用对保证输送安全具有极大的应用价值。文章结合实际情况，对双金属复合管在海底油气输送中的应用研究情况进行了说明，分析了当前的研究进展，以便双金属复合管得以更好的应用，切实保证海底油气输送安全。
关键词：双金属复合管；油气输送；内衬层；制作工艺；力学性能
文章编号：2096-4137（2018）05-065-03 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2018.05.08
海洋油气田开发作为我国重要能源保障在工业生产及经济发展中发挥着重要作用。而油气输送作为海洋油气田开发的重要工序关系到油气资源的使用。由于油气介质中存在较多二氧化碳、硫化氢等气体，输送管道所选取的普通碳钢及合金材料常会出现腐蚀，影响油气输送工作，对输送安全带来影响；且基于油气输送特点，一般所选管路应能保证20年内不发生腐蚀及泄露故障，并能保证在运行过程中尽可能少维护或不维护。因此，综合现有材料及工艺，选择合适管材应用油气输送尤为重要，以解决腐蚀问题及长时间安全使用问题。结合碳钢管材及合金管材优点，双金属复合管的使用很好地解决了以上问题，且国内外普遍认为该种管材是解决油气输送腐蚀及长久使用问题的绝佳材料，具体研究与进展如下。
1 双金属复合管主要制作工艺研究进展与分析
双金属复合管主要由基管与内层管组成。其中，基管主要由碳钢管或低合金钢材管组成，其功能主要以支撑内层管及抗压为主；内层管主要由不锈钢、铁-镍合金等抗腐蚀性材质组成，主要功能为抵抗油气介质中所含有腐蚀物质对管路的腐蚀，提高管路使用寿命。对于内层管，根据其加工工艺特点，又可称之为内覆层或衬管，具体结构如图1所示。
综合目前情况，双金属复合管按照基管与内层材料复合方式不同可分为机械复合（衬里复合管）及冶金复合（内覆复合管）。按照美国石油协会的标准，机械复合主要加工成型工艺有液压复合、冷拔复合、爆燃复合等，而冶金复合主要有热挤压复合、热轧复合、离心铸造复合等。具体工艺及优缺点见表1。
结合以上特点，目前我国在双金属复合管研究与制造中取得了较大进展。多年来，各管材制造商进行了大量研究，如在金属管材中加入大量合金元素，使得管材的强度及耐磨性得以显著提升。综合来讲，如日本、美国等采用先进技术及标准所制作的双金属复合管在石化行业及核工业领域等获得应用，且满足了电厂及矿山等高磨损环境的使用要求。据文献报道，日本所开发研究的热轧+冷成型工艺实现了双金属复合管有效加工，工艺优良，质量可靠，抗腐蚀及抗压能力强，在化工、石油及天然气领域发挥了较大作用。
2 双金属复合管管材性能要求与应用分析
2.1 基管材质要求及力学性能研究
按照API5LD-2015标准要求，对制造双金属复合管所选用的碳钢或低合金无缝钢管，是经热处理、拉伸、压扁等工艺制作而成。对于衬里复合管，研究中发现在装配衬里管前对基材进行夏比冲击试验，则可实现对基管的检验，能够保证管材强度。该方式与API5LD-2015标准要求的管径超过508mm及钢级为X52以上的输气管进行落锤试验的目的一致，采取该种试验方式可有效保证管材性能。但如在部分抗腐蚀性更强、压力等级更高的领域中应用，美国对提出了高温拉伸性能测试要求，我国也对此进行了应用。如广州番禹35-1/35-2油气田管材选择中，提出了高温拉伸性能的测试，该油气田所选用的X65无缝管要求在103℃情况下应能承受419MPa下不发生断裂的要求。可见，我国油气田及其他抗腐蚀、高压领域管材选择中加强了基管材质要求的限制，保证了管材质量及介质输送安全。
2.2 基管内覆层材质及耐腐蚀性能对管材使用的分析与研究
双金属复合管衬里层直接与输送介质直接接触，其防腐性能是重要指标，在进行材质选择时应充分考虑。如API5LD-2015标准要求中明确规定了用于双金属复合管衬里层的材料，其中包含不锈钢及耐蚀合金材料，如奥氏体不锈钢、铁镍合金等。对于该类材质的选择，各使用厂家及管材生产商应结合输送介质具体情况选择合适的材料，以确保其化学性能及力学性能满足API5LD-2015标准要求。如崖城油气田公司所选用的内衬层为铁镍合金的双金属复合管，有效保证了油气介质中所含有的CO2、H2S等物质对管道的腐蚀。
综合以上考虑，根据输送介质类型及腐蚀苛刻程度选择衬里层是关键，如SY/T 6855-2012标准中对衬里层的材质要求做出了规定，要求衬里层母材与焊接应符合ISO 15156-2015规定，且应能具备抗硫化物应力开裂及腐蚀开裂性质；同时，指出了材质选择应按照介质、温度及压力等参数进行考虑，以便保证其使用性能及要求。
2.3 双金属复合管其他性能要求及研究进展
对于复合管材来讲，内层与外层之间的结合强度是关键，也属于复合管重要性能指标，实际应用及加工中应采取适当方式进行测定，如API5LD- 2015标准中明确了结合强度的要求，指出了采用ASTM A264-2012标准进行抗剪强度测试，以保证结合强度满足要求。以标准要求，应以50根钢管为一批进行实验，以保证其性能。但对于采用机械复合工艺加工的管材，其衬里层与基管存在着宏观间隙，如间隙中若夹杂空气或杂质则对紧密度造成严重影响。研究中发现，输送介质温度过高时，基管与衬管的膨胀系数不同，容易造成衬管失稳等，严重者可能造成塌陷及鼓包情况，对介质输送造成影響。针对以上问题，学者在研究中采用有限元计算对复合工艺参数进行了调整，有效解决了高温鼓包及衬管分离问题。此外，当基管与衬管采用不同类型金属时，焊接作业过程应保证衬里层及内覆层焊缝耐腐蚀性，且应考虑基管力学性能，焊接难度较大。对于此，学者在研究中采用低合金焊丝，由于电化学电位基本相同，焊缝受腐蚀影响小，不仅降低了焊接费用，且避免了过渡层焊缝裂纹，在实际生产中具有一定应用价值。
3 双金属复合管在海底油气输送中的应用情况与经济性分析
3.1 双金属复合管在海底油气输送中的应用情况
双金属复合管具有优良机械性能及耐腐蚀性能，管材应结合具体情况选择合适材料，以确保贵金属的节约及降低成本，提高效益密度。国外油气田中所选用的双金属复合管材料已达到20万吨，如日本NKK公司所用的Cu-Ni合金复合管对海水具有较强的抗腐蚀性及可焊性，在海水淡化系统的引入管中被广泛使用。而同时，我国塔里木油田中应用316L为内衬的双金属复合管对保证油气输送起到了积极作用，减少了维修及维护次数，保证了企业经济效益。但综合来讲，其应用仍存在不足，如基管方面，现行API5LD-2015标准规定了双金属复合管应满足的最低要求，但由于油气等其他输送介质中所含有的腐蚀性物质及浓度不同，腐蚀程度不同，对部分质的输送不能保证其安全；基管韧性指标是基管的重要要求，现行标准未做明确规定，可能存在一定安全风险。衬管方面，现行标准未列出CO2、H2S环境所使用的材料，而腐蚀性是该类材料使用寿命的关键。因此，实际选择中应综合工况特点及环境情况分析，以保证材质选型及使用安全。
3.2 双金属复合管在海底油气输送应用的经济优势
在目前的海洋油气介质输送中，管道腐蚀介质的控制措施主要有以下几类：其一，在碳钢管材中加入缓蚀剂；其二，使用内涂层材质；其三，使用不锈钢及耐腐蚀材质；其四，使用双金属复合管。在以上几种方式中，缓蚀剂会由于管内介质变化而影响效率，材料与人工成本高；内涂层焊接处的补扣技术不完善，存在一定风险；不锈钢材质价格昂贵，在海洋油气田应用中存在较大经济风险。而双金属复合管具有较强机械强度及腐蚀性能，具有明显优势，具有一定应用价值。就其经济效益分析，采用双金属复合管虽然成本较高，但后期维护成本少，且安全可靠，相比以上三种方案，其投资费用较少，尤其是使用期限超过10年后经济效益越发明显。而同时，双金属复合管制造工艺及材质不同，其价值差异也较大，如目前市面常见的双金属复合管价格为7000～25000美元/吨，价格差异较大。因此，各海洋油气田管道输送中应结合对应腐蚀环境，在保证长时间可靠使用的前提下，选择经济适用的内衬层，以确保其抗腐蚀性能满足经济要求，保证对介质的安全输送。
4 结语
综上分析，双金属复合管在海洋油气输送中的应用具有重要价值。我国目前双金属复合管技术已取得较大进展，但部分领域与国际水平还存在一定差距。为进一步促进我国双金属复合管制造技术的发展，国家和企业应采取有效措施，加大对研发的投资，并完善各配套产品，如开展各类配件的研发等，实现相关材料国有化，减少国外产品垄断，以确保我国双金属复合管制造技术的发展及应用。
[1]王富铎，梁国栋，王斌，等.海洋用CRA双金属复合管管端全自动堆焊工艺改进[J].焊管，2015，（3）.
[2]杨帆，曹军，杨晓飞，等.X70/316L双金属复合海管全自动TIP TIG焊接工艺[J].电焊机，2014，（11）.
[3]许爱华，张靖，院振刚，等.新疆克深2气田双金属复合管失效原因[J].油气储运，2014，（9）.
[4]王增国，李毅，詹燕民，等.基于PODS的海底管道数据模型及应用[J].油气储运，2014，（9）.
[5]罗世勇，贾旭，徐阳，等.机械复合管在海底管道中的应用[J].管道技術与设备，2012，（1）.
[6]周声结，郭崇晓，张燕飞.双金属复合管在海洋石油天然气工程中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011，（11）.
（作者系中国船级社湛江分社中级工程师）