防垢型非金属集输油管道选型研究｜孙方勇

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防垢型非金属集输油管道选型研究

孙方勇

x2 2021-12-13 16:22:39 评论（0）

防垢型非金属集输油管道选型研究

巨萌1 王丽2 张俊涛3 牛振宇4

1.长庆油田分公司第一输油处；

2.长庆油田分公司第二输油处；

3.长庆油田分公司第八采油厂；

4. 长庆油田分公司长庆工程设计有限公司

摘要：当油田开发进入高含水阶段时，管道腐蚀结垢现象日益加重，通常3～6个月管道就因堵塞而无法正常运行，需停运清理。通过对油田管道结垢机理分析，探究防垢型非金属复合管道的内层、加强层、外层材料的最优选型，实践证明在油田集输、污水处理、注水、供水等油田地面工程具有广泛用途，具备大规模推广应用价值。

关键词：油品集输；管道腐蚀；非金属管道；防垢；材料选型

油田集输油管道结蜡结垢，降低了管道输送能力，严重时阻塞管道，导致管道停产，还会导致仪表或阀门灵敏度下降，存在安全风险。管道结蜡处理相对比较简单，定期在输送管道内通高温热水或投放橡胶球，利用热水熔蜡或橡胶球的摩擦作用把管道内壁的结蜡层清除掉即可。而管道内壁的结垢层处理，至今没有找到一个简便、高效的方法。防垢涂料[1]虽然有较好的防结垢效果，但在钢管内均匀涂覆的工艺难度大、造价高，且涂料与钢管的结合强度及输送介质对涂层的磨损均影响涂层使用寿命，综合经济性不高。

非金属管道[2]内壁光滑、不易结蜡结垢、防腐性能好、水力摩阻小，输送能耗及安装维护费用低，不需阴极保护，使用寿命长，综合经济效益好；对提高管道建设质量和保障安全运行有重要作用。

1 非金属管道的选型

1.1 防垢型内层材料选择

通过对油田管道内壁结垢机理[3]的研究发现，降低管道材料的表面能可以减轻输油管道内壁的结垢程度。通常极性金属材料的表面能很高，非极性材料的表面能低。因此，具有低表面能的高分子聚烯烃材料成为首选（表 1）。

表 1 不同材料的表面能

研究表明，选用含有硅、氟等原子的有机化合物（改性剂）对高分子聚烯烃（LH-PE）进行改性，将改性剂均匀的分散在聚烯烃中，与聚烯烃形成分子互穿网络结构（图 1），稳定性很好，材料的表面能也很低。这种改性聚烯烃材料管道即使表面被磨损，材料内部的结构与表面一致，性能不会改变，因此具有永久的抗结垢效果。

图 1 分子互穿网络结构示意图

同时LH-PE分子量很高，材料的耐热性好，长期使用温度可达到60 ℃以上。其耐腐蚀性、耐磨性超过了普通聚烯烃，耐气体阻隔性也比聚烯烃有所提高。LH-PE的主要理化性能及与高密度聚乙烯性能对比见表 2。

表 2 低表面能高分子量聚烯烃LH-PE的主要性能表

1.2 加强层材料的选型

常见的增强材料有纤维增强材料和钢丝增强材料[4]。从强度上看，玻璃纤维、碳纤维、钢丝、芳纶都适合作为防垢型非金属管道管的加强层材料，其性能比较见表 3。

表 3 增强材料多方案对比表

综合对比，钢丝性价比高、芳纶次之、玻纤和碳纤维差。因此，本文重点研究钢丝增强复合管。

1.3 外层材料选用

外层材料软管可以选择硫化橡胶或热塑性弹性体，硬管可以选择热固性塑料或热塑性塑料。聚乙烯是高度结晶型、饱和脂肪烃长链聚合物（―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―CH2―），无极性、热塑性好决定了它对水和各种化学试剂具惰性，有优异的耐酸、碱、盐特性。综合考虑管材柔韧性、可盘卷性以及耐温等要求，防垢型非金属管外层选用耐温聚乙烯，结合长期运行的工作温度以及设计安全系数要求，优选耐温聚乙烯树脂，以及具有同等性能的改性树脂。

2 防垢型非金属管道技术方案

2.1 管道结构

根据长庆油田集输油管道工况，采用钢丝缠绕增强LH-PE非金属复合管。该复合管为三层结构，内层为低表面能高分子聚乙烯（LH-PE）复合芯管，起到防结垢、防结蜡、防腐蚀以及流体密封作用；中间增强层由高强度镀层钢丝与特殊黏结剂组成，是内压载荷及轴向载荷的主要承担者，同时能够承担一定的外压载荷；外保护层为高密度耐温聚乙烯，在一定范围内具有抗划伤、抗磨损能力，对增强层及整个复合管起到保护作用。管体结构如图 2所示。

图 2 复合管结构示意图

2.2 试验管道规格参数

选择某采油厂结垢严重的集油管段进行实地试验，先期试验用防垢复合管设计参数见表 4。

表 4 复合管主要设计参数

2.3 复合管优点

（1）耐结垢性好，芯管采用LH-PE，具有优良的耐结垢性能。

（2）管材轻便，比同等使用条件相同规格钢管重量轻3/5。

（3）安装便捷，管接头形式多样化，不需要大型起重设备。

（4）管材柔性高，不受地形条件限制和地质沉降等外部因素影响。

（5）防腐性能高，由于采用聚烯烃为基料制作内外层，具有较高的防腐性能。

（6）管材输送阻力小，比钢管小30%以上，流量增加16%。

3 结论

在长庆油田某采油厂选取10 km集输油管段作为试点，防垢型非金属复合管道防腐防垢性能表现优异。此外其承压能力强，工作压力可达6.3 MPa；具备优越的耐冲击性能；同时管道的耐温性能强，可以在﹣41℃至70℃的温度下长期工作，低温脆化温度极低，在冬季安装施工不会发生管道脆裂。在油田集输、污水处理、注水、供水等油田地面工程具备大规模推广应用价值。建议进一步探究非金属管材剩余寿命评价方法，以消除长期服役条件下可能产生的安全隐患。

参考文献：

[1]王瑞英.防垢耐蚀耐磨涂层的制备与性能研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2010.

[2]穆剑，徐兆明，张丽，等.非金属管道在石油工业中的应用[M].北京：石油工业出版社，2011.

[3]马尚余.玻璃钢油套管结垢结蜡机理研究[D].成都：西南石油大学，2016.

[4]孙红镱，马文琦，赵慧春，等.油田非金属压力管道技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2014.