油气田用复合管非金属内衬材料性能分析

蔡雪华，李厚补，戚东涛，张冬娜，丁 楠

(石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

·试验研究·

油气田用复合管非金属内衬材料性能分析

蔡雪华，李厚补，戚东涛，张冬娜，丁 楠

(石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

普通钢管在油田使用寿命短、腐蚀穿孔、结垢严重,影响和制约了油田的生产和开发。非金属内衬复合管具有优良的耐腐蚀性能，可以应用在已发生腐蚀现象的钢管内进行修复，且不改变普通钢管的连接和作业方式。介绍了非金属内衬复合管选用的非金属内衬种类，并评价了多种典型非金属内衬材料的性能。通过对非金属内衬材料耐热、耐腐蚀性、抗机械性能等综合性能的测试，为油气田合理进行内衬材料的选材提供了科学的适用性评价。

复合管，非金属内衬材料，性能评价

0 引 言

石油管道的腐蚀和结垢，一直是困扰石油工业发展的严重问题，给石油工业带来巨大的经济损失。为解决油田的防腐和防垢问题，非金属及其复合材料管道正得到越来越广泛的应用。其与传统的金属管道相比，非金属内衬复合管主要耐腐蚀、防结蜡，内壁光滑等优点，可降低管道操作成本和介质输送阻力，它的使用寿命比纯钢管要长4倍以上，社会效应和经济效益十分明显[1-3]。非金属管内衬修复油管技术节约了社会成本。油田开展修旧利废, 降低原油生产成本, 提高经济效益是一条切实可行的技术途径。

在非金属内衬复合管中，金属管道是载荷的主要承载体，可保证管道强度。非金属内衬与传输介质直接接触，主要起防腐作用。非金属内衬主要有橡胶内衬复合管、陶瓷树脂内衬复合管、玻璃钢内衬复合管以及热塑性塑料内衬复合管等[1]。目前橡胶内衬复合管、陶瓷树脂内衬复合管油气田用量较少，玻璃钢内衬复合管与热塑性塑料内衬复合管使用数量较多。玻璃钢内衬复合管气密性好，能抵抗CO2、H2S腐蚀，适应油田工况环境要求。其具有内表面光滑、摩阻系数低、传热系数小、材质比重小、连接方便等优点[4]。热塑性塑料内衬复合管主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、聚氟塑料等内衬材料。聚氯乙烯具有优异的耐腐蚀性和电绝缘性, 但耐温性能差, 一般使用温度不超过60 ℃[5-6]。聚氟塑料几乎能低抗任何化学介质的侵蚀。高密度聚乙烯管壁光滑, 不结垢,其耐磨性能是钢管的4 倍以上，可降低介质在管道内的沿程阻力损失。超高分子量聚乙烯材料具有摩擦系数小，磨耗低，耐化学性优良，耐冲击、耐压性、自润滑性、抗结垢性、耐应力开裂等特性。

内衬防腐方案很多,关键是防腐材料的选择,不同的材料有不同的防腐性能，各种内衬材料的性能和使用范围具有大的差异性。因此在选用内衬材料时，需要根据具体的工况条件进行科学性选材与评价。本课题通过对非金属典型内衬材料基本性能与耐腐蚀性能的适用性评价，为厂家和油田用户提供了非金属内衬复合管内衬材料选材的可靠依据与方案。

1 非金属内衬材料性能试验评价

1.1 材料选择

选取聚乙烯(PE)、 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、 改性聚乙烯(PE-M)、 聚氯乙烯(PVC)和玻璃钢(FRP)等6种常用的内衬管材料进行试验研究。

1.2 基本性能测试

性能测试包括耐冲击性能、耐磨性能、纵向回缩率、玻璃化转变温度和维卡软化温度，见表1。温度对非金属内衬材料的力学性能有很大的影响，为了了解温度对非金属内衬的材料强度的影响，采用维卡软化温度测试仪，测量了压针针入深度随温度的变化，这可以说明内衬材料硬度随温度的变化趋势。热性能采用了纵向回缩率(热收缩性能)与维卡软化温度(或玻璃化转变温度)测试的分析方法。

1.3 耐腐蚀性能测试

通过模拟油田工况对内衬材料的耐腐蚀性能进行测试，对该材料适用范围进行了评价。参考了“NACE TM0298-2003 玻璃钢管及其管材与油田环境相容性评估测试方法”，对不同的工况条件下几种聚合物内衬材料进行了评价，主要包括常温常压环境、高温高压环境和模拟现场工况条件等5种腐蚀环境。对于常用的聚合物内衬材料而言，本研究将50℃以上定义为高温环境，试验设备为高温高压釜。检测指标为腐蚀前后形貌、硬度、重量变化；腐蚀前后表观拉伸强度变化。研究中选用了5种不同的试验环境，分别是饱和CO2、高含CO2、饱和H2S、高含H2S和模拟某油田工况环境。为了研究温度对腐蚀速率的影响，在饱和CO2和饱和H2S环境中4种不同的温度条件下进行了腐蚀试验。具体试验条件见表2。

表1 非金属内衬材料的基本性能测试项目

表2 非金属内衬腐蚀评价试验条件

2 性能测试结果与分析

2.1 非金属内衬管基本性能检测结果

非金属内衬管基本性能检测结果表明，PVC和FRP的抗冲击性比较差，经过增韧改性PE-M抗冲击性能最好。聚烯烃的耐磨损性能优于PVC，通过增韧改性的PE耐磨性能也得到了改善。PVC的热稳定性优于聚烯烃材料。PVC维卡软化点最高，改性PE的维卡软化点较小。各类非金属内衬管基本性能对比如图1所示。

图1 内衬管基本性能测试结果

2.2 温度对内衬材料性能的影响

在内衬材料的使用温度范围内，随着温度的升高，热塑性塑料内衬材料的硬度逐渐下降。因此，复合管必须在内衬材料的适用范围内使用才能保证它应有的力学性能(耐磨、耐冲击等)。PVC材料的耐热性能最好，在70 ℃以下材料硬度基本保持恒定。聚烯烃材料的硬度下降速度要高于PVC。其中，经过增韧改性的PE材料耐温性低于普通PE材料，这是由于增韧剂的添加引入了新的基团，改变了PE的材料分子链结构，从而降低了材料的耐温性能。内衬材料随温度的变化关系如图2所示。

图2 内衬材料耐温性能评价

2.3 内衬耐腐蚀性能的变化

2.3.1 重量变化

多数管样在浸泡H2S试验后重量增加，由于高分子材料在浸泡过程中会发生吸胀现象，因此管样的重量发生了轻微的增加。

2.3.2 外观形貌变化

通过微观与宏观方法对管样的外观进行观察，没有观察到明显的形貌变化。管样在经过苛刻的H2S、CO2、Cl-的腐蚀条件下，表现出了良好的抗腐蚀能力。部分试样在浸泡后颜色发生变化，通过已有的试验手段分析原因可能是高分子材料的吸胀作用及其高分子材料发生了老化现象造成的。腐蚀前后宏观形貌变化见表3。不同非金属管样浸泡H2S前后外观照片如图3所示。

表3 内衬材料腐蚀前后的宏观形貌变化

图3 腐蚀前后宏观形貌

2.3.3 硬度

不同非金属管样腐蚀前后硬度变化见表4。根据浸泡试样前后硬度值的对比，得出硬度值几乎一致，所以可以说明试验过程管样的材料性质没有发生明显的变化。

表4 非金属管样腐蚀前后硬度变化

2.3.4 拉伸强度

采用碟分法测得的非金属环状试样腐蚀前后拉伸强度变化如图4所示。在几种不同的腐蚀条件下，聚烯烃材料的耐腐蚀性能都比较好，随温度、CO2、H2S分压的变化没有明显的下降现象。但是玻璃钢的内腐蚀性能随温度、压力的变化有一定程度的下降。

图4 不同CO2、H2S分压下内衬材料的腐蚀前后强度变化

3 结论

厂家与油田用户应根据使用的具体环境(温度、介质条件等)综合考虑内衬的类型。温度在60℃以下优先选用聚乙烯管材，在60℃～80℃时选用聚氯乙烯管材，80℃～ 120℃时可选用合适的玻璃钢管材(酸酐或胺类固化)。常用的热塑性塑料的耐腐蚀性能比较好，玻璃钢材料在H2S和CO2存在的情况下都发生了一定程度腐蚀，随着温度和压力的升高腐蚀速度增加，且H2S对玻璃钢的腐蚀性能影响比CO2明显。因此，在选用玻璃钢管材时，应根据服役环境对树脂材料进行选择。应根据非金属内衬复合管的连接处是管道的薄弱点，对其进行针对性的设计。热塑性树脂的最高使用温度参考其维卡软化温度确定，热固性树脂(包括玻璃钢)的最高使用温度通常比玻璃化转变温度低30℃。

通过对PE、PVC、PP、FRP等六种内衬材料的耐磨、冲击、耐热和耐腐蚀等性能的对比评价研究，确定了内衬材料的基本性能。提供了非金属内衬复合管在油气田环境中应用的检测与评价方法。

[1] 李金伟.技术经济分析在内衬玻璃钢防腐工程中的应用[J].玻璃钢/复合材料，1998，25(1)：52-57.

[2] 康景峰.改性玻璃钢内衬油管在注水井中的应用[J].石油机械，2008，32(8)：55-56.

[3] 张新站.HDPE 管内衬技术在油田旧管线修复中的应用[J].石油化工腐蚀与防护，2002，19(5)：54-55.

[4] 李海林.非金属复合管道的发展及应用[J].化工施工技术，2000，22(4)：7-10.

[5] 王 兵.抗硫化氢腐蚀管材[J].油气田地面工程，2008，27(1)：75-77.

[6] 李 波.超高摩尔质量聚乙烯内衬复合管应用前景展望[J].塑料工业，2006，34(12)：1-3.

Analysis on Performance of Nonmetallic Liner Material of Composite Pipes Used in Oil and Gas Field

CAI Xuehua, LI Houbu, QI Dongtao, ZHANG Dongna, DING Nan

(StateKeyLaboratoryofPerformanceandStructuralSafetyforPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The situation of short service life, corrosion problem and scale formation of carbon steel pipes is common in oilfield, which influences and restricts the oilfield production and development. With excellent corrosion resistance, nonmetallic lined composite pipe has been applied in the corrosion of steel pipe repairing without changing the connection and operation rules of carbon steel pipe. The types of nonmetallic liner materials used in the nonmetallic lined composite pipe are introduced, and the properties of the materials are evaluated. The test of the heat resistance, corrosion resistance and mechanical properties of the nonmetallic lining materials provides a scientific evaluation of the liner materials selection for the oil and gas field.

composite pipe; nonmetallic liner material; performance analysis

蔡雪华，女，1980年生，工程师，2005年毕业于西北大学化学专业，硕士研究生，主要从事油气田常用非金属与复合材料管材的性能稳定性和可靠性评价研究，以及复合管材的种类筛选优化与油气田适用性研究工作。E-mail:caixuehua@cnpc.com.cn。

U174

A

2096-0077(2017)02-0028-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.007

2016-08-03 编辑：姜 婷)