非金属材料在油田防腐中的应用.pdf

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1、1994年1 1断块油气田第1卷第6期非金属材料在油田工程防腐中的应用综述候高文常宝林刘新全杨海颖(中原石油勘探局采油工艺研究院)摘要昨金属材料 作为一种新 型的结构材 料近代已广泛地应用 于工业的各个领域,但在油田工程防腐方面,柞金属材 料还未能得以很 好地开发和利用。本文总结了国内外近年来在这方面研究的经验,介绍 了几种昨金 属 材料 在油田设备 防腐中的应用方 法。这些经验对柞金 属材料令后在油田工程 防腐中的进一步开 发利用,从根本土控制腐蚀,具 有积极的意义。主题词防腐防腐材料昨金属材料衬里涂层强化塑性塑料管引言腐蚀问题是 当今世界石油 工 业共有的一大难题,据1 975年的调查统计

2、,美 国的石油工业因腐蚀造成 的损 失每年达8亿美 元以上。此外,一些 石油 公司每年还 得花5 0 0。万美元的额外投资用于化学 防腐,而 用于腐蚀损 坏设备的维修费用更为可观。197 7年,美国仅用 于抽油井的油管、抽 油杆和 深井泵的修理费用就高达7.5亿美元。在我国,腐蚀一直 是各油田普遍存在 的 一个严重问题,因腐蚀给 油田生产建设造成 的直接经济损失 是巨大 的。仅以中原 油田为例,19 92年全 油田因腐蚀造成的直接经济损 失为7 4 0 0多万 元,间接经济损 失达2亿多元,腐蚀已严重影 响油田的 生存与发展。据调查,目前,全 油田 已有10 0多口水井套 管腐蚀穿孔,40 0

3、多口井套管 出现问题,3 0多口井因其 报废。注 水井 油管的使用 寿命平均为1年,最短为4个 月。1 99 1年仅30。多口油水井因腐蚀更换油管达 6 4.o6 3x1 0毛m,耗资2 9 79万元。全局n座联合站因腐蚀已不 同程度地改造了4 7座次,耗资70 0 0多万元。生产系统腐蚀率高达1.53.om m/a。据统计,198919 92年间全局 因腐蚀报废的注水管线12 1.gkm,单井集油管线腐蚀穿孔达1889次,报废3 3.8 5km。集油支线累计穿孔 8 25次,报废9.63k m,更 换 费用1 6 1.4万 元。集油干 线 累计穿孔2061次,报废5 5.68km,耗资17

4、68.9万元。其中,腐蚀最严 重的胡状油田南一线从 投产 到首次 穿孔仅 4 3d。胡状 油田是 中原 油田腐蚀问题最为严重 的 一个区域。1 99 0年以来,油 水 系统因腐蚀改造设 备共投入2852.9 7万元。原 油集输干线 因腐蚀更换约3 0km,打卡子3460个,穿 孔漏 失原 油2万余吨,被迫停产 7 5。井次,影响产量960 0t,损失16 51.5万 元,赔偿污染费3 18.1 4万元。注水干线累计穿孔2 9处,影响 水量4 350 0m,注水井更 换腐蚀油管245 54 0m,直接经济损失11 09.4万 元。进入199 3年以来,原油集输干线穿孔更加严重,截止到1 9 93

5、年8月份,已打卡,候高文,男,1 9 5 4年生,1 9 7 7年毕业于华东石油学院开发系采油工程专业,现任 中原石油勘探局采油工 艺研究院科技情报室副主任,高级工程师.地址(45 70 01):河南省浪阳市;电话:(03529)52一 525断块油气田1994年l 一月子121 0个,损失原油850。余吨。腐蚀问题已严重 影响油田的生存与发展。综上所述,腐蚀象一颗毒瘤正在严重吞 噬着油田的机体,对油田的健康发展构成了严重的威胁。鉴 于这种情况,在积极做好防腐工作的同时,必须尽快寻找一种能够较好解决油田工程设备腐蚀的方法。目前,国 内外都在 积极研制和 开发新型的结构材 料来取代传统的碳钢。根

6、据调查的结 果,非金 属材料应用于石 油工程 防腐中是最理想的材料之 一。水泥衬里水泥衬里用 于钢管的防腐在美国已有1 00多年的历史,近5 0年来,水泥衬里已普遍应用于油田的系统防腐。在美国和加拿大,已有数百万米的水泥衬里应用 于注水系统和盐水处理系统。近几年来,随着材料与工艺的不断改进,水 泥衬里已广 泛地应用于CO:注入系统、含COZ与HZS气体的油水集输系统、腐蚀问题严重的 自喷井井下管柱及腐蚀性湿气集输系统。水泥衬里在我国已研究应 用 多年,是 一项较为成熟的技术,具有较好的防腐效果。中原 油田文 一联1000m3注水罐,1 9 7 9年投 产,1 99 0年检罐一 切完好。目前胜利

7、油田油建二 公 司技 术发 展 中心在 水 泥衬里方面已取得较为成功的经验。他们开发 出了多种水泥砂浆,采 用离心 成型、单根预 制 现 场 对接(大型管道现场预制)和复 合金 属 补口复合搪瓷 补口的工艺方法,自19 87年以来成功 地 对纯梁油田、滨南油田、河口等油田多 条 水管线实施 了水泥衬里工艺,使用效果 良好(管径范围在1 1 4一42 6m m)。水泥衬里防止钢管腐蚀的方式很独特,与其它类型的衬里或涂层相比,它具有更好的防腐性能。其 它衬里和涂层都是试图通过 阻止腐蚀性流体与管壁的接触来达到防腐目的,因此,对衬里或涂层的完整性要求极为严格,任何由于操作 不当而造成的结构破坏都会导

8、致防腐措施的失 败。而水泥衬里是渗透性的,腐蚀性水可以穿过衬里,润湿整 个钢管的内表面,同时,水吸收氢 氧化 钙,形成水化,使其pH值上 升到n或更高,从 而钝化钢管表 面,起到 防腐的作用。水泥 衬里 的一个重要 特性是,它 具有 一种 自修复功能。在安装 水泥衬 里管道 和井下 注水管柱 时,水泥衬里往往会产生 一些 微细 裂纹。特别是井下管柱,由于 油管 的伸长超过 了水泥 衬里的抗拉强度,作用于水泥衬里上的拉应力释放,便会形成一些周向裂纹。计算和现场测试表明,当油管的长度不超过4524m时,这些裂纹的宽度一般不会超过0.0 5m m。这种情况下,由于通过裂纹的水的运移为毛细管作用,消除

9、了湍流,故钝化作用非常有效。只要油管保持湿润,裂纹会在二至三周内重新愈合,这是因为连续的水合作用形成了新的胶结物质,填住了裂缝。由于水泥衬里的这种自修复性,无需 担心 在施工中损坏衬里,同时,也赋 予 了它可靠的防腐性能。水泥 衬里 之所以长 久得以广 泛应 用,主 要是因为其防腐性能好、寿命长而且成本低。一般来讲,在腐蚀环境中用于注 水管柱的水泥衬里其有效使用 寿命为1 52 0a,输送管线 水泥衬里的使用寿命可达 2 0一3 0a,而其成 本却只有其它 材料衬里的4 0%一5 0%。由此可 见,水 泥衬里是管道防腐的一种较经济有效的方法。塑料衬里美国PhillipSDris。opipe公司

10、新近生产了一种用 于 注水管柱的代号为Drise opipe920 0的高密度聚乙烯(HD PE)衬套和接头密封件。试验证明,这种衬套(或衬里)和接头密封件能够成功地 应用于注 水管柱的防腐.且具 有 良好的耐磨蚀性,多次起下管子也不致 损坏。目前,美国西第l卷第6期非金属 材料在油田工程 防腐中的应用综述得克萨斯地区已有2 0多口井采用 了加有这种衬套的管柱。腐蚀大多发生在两节管子末端之间的空隙部位,即所谓的“J”区。将HD PE密封件装在该部位,可有效地控制腐蚀。HD PE衬套和接头密封件对于流过管柱的盐水中的腐蚀性物质及其它化学元素在化学性质 上皆呈 惰性,因此可以避免钢管及接头受到腐蚀

11、。在“J”区安装一个环形密封件,使该部位的内径与油 管接头的内径平齐。尽管常规的衬里(如水泥衬里、塑料涂层、PVC或玻璃纤维 衬里)也能减少腐蚀,但是经过 一段时间之 后,这些系统均会在接头部位和 勺”区出现 问题。HDPE系统具有耐久性的优点,它可防止盐水对钢管的腐蚀破坏作用,因而同一 注水管柱可重复使用多次,不会因油管腐蚀脱落而进行费用极高的油井大修作业。根据这一特点,作业者可根据需要更频繁地起出管柱进行矫正和调整,使作业费用及关井时间均降至最低程度。可重复使用的HD PE衬套系统适用于外径为23/:”和2,/。”的油管。HD P E密封件在端部加厚 的公接头或接箍处可重复使用,无需进行修

12、整,从而节省了额外的修理或更新费用。HD PE衬套还可用 于 内部已受到腐蚀的旧油管。在旧油管 内加 上衬套和环形密封件之 后,整个 油管又会变成光滑、密实、无缝、可重新使用的成品油 管。此外,近年来美国还发展起了一 门利用 塑料管挤压塞入法修复地面旧管道的技术。塑料管挤压塞入法就 是把聚乙烯管塞入报废或腐蚀严重 的金属管道,充分发挥塑料管优良的耐腐蚀特性和金属管道的机械性能,使管道整体效能大大提高。据有关资料表明,采 用塑料管挤压塞入法可使管道寿命延长 4 05 0a。美国 对各种管材的研究结果表明,适用 于输气要求的塑料管以中密度聚乙烯管最好。挤压塞入法的施工过 程是先在旧管道上按规定好的

13、距离挖好两 个操 作坑(具体长 度与管子的埋地深度有关),切断旧管道,然后使用 多节清管器,圆形 刷子或类似装置清理管道内壁。第三 步把 一对液压驱动管的机具放入操作坑内,将聚乙烯管送入2对或3对专门设计的 叶轮上。在挤压过程中管子长度 及直径均 要变化,一般 长度要减少3%。一节中密度聚乙烯管挤 压塞入后,紧接着与另一节塑 料管连接。一般连接的方法是在两根 塑 料管 的管端之间放置 一块电热板,通电加热,达到 一定温 度后把电热板抽出来,再将两根管挤在一起,冷却后 形成焊缝。两节塑料管焊成一体后,要进行试压 和检漏,试验合格后,再继 续挤压塞入 另 一节塑料管,直到塞入另一管端的操作坑为止。

14、第四步在塑料管的两端安装好封堵器,从 一个接通压缩机的封堵头部往塑料管内充压,其压力为0.20.6MPa,保持2 4h,使聚乙烯外径与旧管道内径紧密接触。美国用挤压塞入技术施工的塑料衬管已超过14 96 km,直径从10 1.6一45 7.6mm不等。层 防腐涂料三 层聚烯烃 管子涂层 综 合了环 氧树脂和 挤压 聚烯烃两种 涂层 的 优良性质,形 成 一种新 的防腐系统。环氧树脂和挤 压 聚乙烯涂 层相结合,显著改善了传统的两层 防腐涂 层性质,特别是提高了抗 阴极剥离能力和粘着力。三 层 防腐系统的基本设想是将环 氧树脂的抗化学特性 与界 面特性,同聚乙烯等薄膜涂层的机械保护特性等优点结合

15、起来。它的性能有赖于涂层之间的最佳协合和增强,使涂层间具有很强的化 学粘合力。涂层 整体化学、机械性能达到最佳程度。第一 层一般使用熔化粘结环氧粉末或两次涂敷的环氧树脂液涂层,厚度为 5 010如m。断块油气田19 94年1 1月这层环 氧底漆起以下两 种作 用:(l)形成连 续薄膜.与金属表面 直接粘结,具有高抗化学浸 蚀性,保证良好的抗 阴极 剥离性能;(2)使涂层的 中 间一层 聚合物含有活性官能团,形 成 化学 粘结 部位,保证聚烯烃 外涂 层在极 限运行 温 度 下具有 良好的粘结性。第二层,或 叫 中间层,是 由共聚物 或 三聚物组成,主要成 分是 聚烯烃。它 用在涂 层 的表 层

16、,与乙基乙烯基 醋酸盐、乙基丁基乳胶,梭 基酸等官能团合成。厚度按使用特点决定,通常为 2 50一4 00拜m。中间涂 层在无极性聚烯烃外涂层间起粘结作用,与极性衬底,如裸露金属 和环氧底漆的相溶性很差。表涂层由挤压聚烯烃,如低密度、中密度聚乙烯或改性聚乙烯组成,涂层厚度为1.5一3mm或更厚,视管子直 径或管道 运行条件而定。这 层很薄的聚烯烃表面涂层 对管子 主要起机械保护 作 用,与传统 的两层 防腐 涂 层有同样的作用。全塑料管道根 据前苏联的经 验,采用 全塑料管取代传统的钢管在油田工程 防腐中具有较好的前景。前全苏干线 管道建设科学研究所分析 了 国内外的经验 后 指 出,工作压力

17、小于IMPa的管道采 用聚烯烃(低压 聚乙烯、聚丙烯和 聚丁烯)管子最有效。这类 管 子在输送腐蚀性介质时 不会遭到破坏。土壤腐蚀对聚乙烯管道也没有明显 影响,所以这种管子既不需要 绝缘,也不需要电化学保护。如 果聚乙烯管子表面光滑的话,其摩擦压头损失小于钢管和铸铁管,而输送能力与金 属管相当。鉴 于塑 料 管道的弹性模量比较低(塑料管 为7.5xlo3MPa,金 属 管 为2.1 x1 05MPa),因此 塑 料管道中的 水击大大 弱 于金 属管道。又因塑料管的导热性差(只相 当于钢的1/30 0),故冬季输送液体更 为有 利。输 送 介质的冻结 不会破坏管道,因为它的弹性可以一直保持到一6

18、 0一7 0的温度。塑料管道在腐蚀性土壤、地震区、永冻带、山地和沼泽地有广泛地发 展前途。油气田管道系统中采 用 塑料管不仅能提高其 可靠性,而且能将管道工程造价和劳动量降低1 5%2 0%。塑料管的重量只有钢管的1/6一1/8,因而能极大地简化管子的运输和安装。用h直径为10 0m m的塑料管代替钢管作水管道所形成的经济效益达 4 40卢布。根据前苏国家瓦斯管道科学研究设计院的资料,如 果用 聚乙烯管代替 I km长的管径为 5 7一2 19mm、壁厚为36m m的输气钢管,在施工 阶段就可相应地节约15 0一3 00个工时。据前全苏安装和专 门建筑工 程科学研究所基辅分所的资料,如 果 用

19、聚乙烯管代替碳素钢管作 工艺管道,按折合费用 计算,I km管道的年经济效益 可 达320 0至1080 0卢 布;如果代替不锈钢管,根据管径的大 小,年经济效 益达到240 0 0至1 3 3 0 00卢布。业已判明,制造h聚乙烯塑 料管比制造h钢管可节约标准燃料近 1 0t。使用h塑料管能获得20 0 0卢布的国 民经济效益,节约近5 t金属管和 1 00个工时。直径为 1 0om m的l t钢管可焊接成7 58 0m长的管道,而h聚乙烯管则可焊接成I km长的管道。前全苏干线管道建设科学研 究所对 用前苏产聚乙烯管建设油矿管道 的可行性进行了研究。众所周知,聚乙烯在原油和成品油的作用下要

20、膨胀,这虽然降低了它的弹性模量和强度,但第l卷第6期非金属材料在油田工程 防腐中的应 用综述是却提高了它的可塑性。对于在静载条件下 工作的低压聚乙烯管来说,限制其工作性能的因素不是持久的强度,而是蠕动性。玻璃纤维增强塑料管玻璃纤维增 强 塑料主要有两种类型,即玻璃纤维增强环氧树脂和玻璃纤维增强未饱和 聚醋树脂,应用 较多的是玻璃纤维增 强环氧树脂.在美国,这种材料首先应用 于航天技术,5 0年代末,为 了解决腐蚀问题,油田集输管线开始应用这种材料。到6 0年代后期,低压玻璃纤维增强塑料管已普遍用作油田的出油管线和集输管线,而高压管(6.9 8MPa以上)也已开始用 于二次采油和 注水领域。随着

21、工艺技术的不断完善和提高,7 0年代初美国又推出了玻璃纤维增强塑料油管和套管。目前,玻璃纤维增强塑料已广泛成功地应用于 国外油田的污水管线、注水管线、出油管线及集输管线等。根据国外有关资料介绍,美国Exxo n公司、加拿大的Es s。资源有限公司及荷兰的S hel l国际石 油公司均有大 量应用玻璃纤维增强塑料管线的成功经验。Ex xon公 司于7 0年代初 开始使用玻璃纤维增强塑 料管,用 于原油 的集输,污水回注三次采油的注CO:系统及水气交替注入系统。到 目前为 止,有3 0%的管线均为玻璃钢增强塑 料管。管 子 的直径从5 04 0omm不等。工作压 力范围在1.0 3一1 7.2 3

22、MPa,温度8 0左右。据介绍,早期安装的管线至今已使用 1 0多年的时间仍完好无损。AS耐腐混凝土 压力管道水电部、交通部南京水利科学研究院在以往研究水泥混凝土钢材腐蚀与防腐的基础 上,用新近开发的AS胶凝材料 制造耐石 油污水腐蚀的混凝土压 力管获得成功。1.AS胶凝材料特性(l)超高强度AS胶凝材料的胶 砂抗压强度 可达8 0一9 0MPa,抗折强度可达1 0一1 3MPa,混凝土抗压强度可 达goMPa,抗折可达SMPa。(2)高密实性用该材料配制的混凝土有较高的密实性,与普通混凝土相比,抗渗性可提高4倍以上。(3)高耐腐性由于AS胶凝材料水化产物中不 含氢氧化钙、高钙 水化硅酸盐和铝

23、酸盐等活性较大的水化产物,且密实性较高,所以与硅酸盐 水 泥相比,AS胶凝材料具有较高的抗酸、碱、盐腐蚀性能。此外,AS胶凝材料对钢筋还具有较大的纯化作用,具有很好的保护 能 力,使其免 于腐蚀。(4)高粘接性A S胶砂与旧混凝土的粘接抗折强度可达loMPa,钢筋的握裹 力可达1 5MPa。2.经济分析表1直径60 0mm的用AS耐腐混凝土管的钢材耗用量仅为同管径各类管材价格单位:元/m的钢管的1/3,因 此,可以节约大量钢材,其成本远低于钢管(见表1和表2)。从节省钢材和降低管材成本、节省工程造价上考虑,采用AS耐腐混凝土管预预应力混凝土管管AS混凝土管管钢管管铸铁管管1 1 160 0 0

24、100 0 03 7 8 8 823 7断块油气田一 994年11月的经济效益是 突 出的,如果再考虑管道的使用寿命,果推测,A S混凝土管的使用 寿命至少在面积试验,预 计未 来 会有较 好的使用 前景1 0a以上。其经济价值就更高了。据室内腐蚀试验结目前这种管子仍在试制中.还 没有投入大。各 类管材的 对比见表l、表2。表2直径60 0m m的各类管材主要材料耗t单位:(kg/m)亏亏熟赞赞预应力混凝土管管A S耐腐腐钢套简预应力力钢管管铸铁管管混混混混混混混混混混混凝土压力管管混凝土管管管管一一一阶段段三 阶段段段段段段钢钢材材8 8 820.1 1 12918 8 845 5 59 5

25、 5 5226 6 6水水泥泥泥92.1 1 11 1 1.15 5 58 2.5 5 5 5 5 5 5结论和建议1.腐蚀严重地损坏 了 油田的井下管柱、地 面管道和各种 设 备,给油田造成 极大的损失,某些 程度上 危 害到 油田的生存,制 约 了油田的 发展,是一项较 长期 没有 解决的问题。2.理论和实践都证明非金 属材料具有 良好的抗腐蚀性能,是油田工 程 防腐 中的很好材 料。这 些材料已在一些 油田得到应 用,并取 得好的效果,是进一步研究和 应 用 的 良好借鉴。3.非金 属材 料与金属 材料 相比,其制造工艺简单,价格低廉。特别 是在腐蚀较为严重的油田,更有其无以伦比的优越性

26、。因此,非金 属材料具有很好的经济效益。4.腐蚀和 防腐问题已是各油田普遍关注的大问题。为彻底地解决这 一 问题,建议在我国大力开 展非金属 材料防腐技术的研究、开 发和 应 用,使之更广泛 地应 用于 油田矿 场,有效地控制腐蚀,提高油田的经济效益。参考文献l昊春山,带衬里的钢管,石油知识,19 9 3年2月2郑光明,管道修 复技术塑料管挤压塞入法,石油知识,1 9 9 3年2月3C.Robbe,ANewLo okattheUseof G las s一FiberReinfor e ed PlasriePiping,COA T IN G SandLI N IN G S,MP/June,19 9

27、04JohnP.Biro,UpdateonA PI Aetivirie sforFibe rgla s sPipeandD ownholeTubinga ndCasing,SOU T HWES T E R NPE T R OL EUMS HOR TCOURS E895BillJackso na ndJ.FArmstrong,Ceme ntLiningof Pipefor011Fiel dS er vie e,CO R R OSI ON896AI len5.C h iu,FR PL inepipefor011a ndGasProdu etion,COR ROSION897Staff Report

28、,Polyethyle neL ine r sResistCor rosio nonInj ectionWel l Tubing,Petroleur nEngin e erInternational,August,19 928许德全,塑料管代替钢管,输油管道译丛,1986年,第2期9崔之松译,日本钢管防腐采 用环氧粉末涂料,国外油气储运,1 9 8 9年,第2期10Runyan,E.E,AnEngin e e redAp pro achtoCeme nrL ined Tubing,SD Cietyof Petroe ur nEngine er sof A IME,PaperNo.SPE995,

29、1 9 6411A PI,R comr nended Pr aetieeforAp plie atio nofCementL iningstoSteel Tubula rGoo ds,Ha ndingInstal latio nandJoining,A PI Ree or nr ne ndedPr a etie e10E(RP一10E)S eeond E dirio n,July,198 7(本文编辑李宗田收稿日期199 4一0 6一15)(下转5 6页)5 6断块油气田1994年1 1月结束语对于二开钻进 井段 的渗透性漏失,采 用超细碳酸 钙与单向压 力封闭剂 复配堵 漏效 果明显,该方法

30、 简单易行,不影 响正常钻进,对于防止钻 井液大量漏失、节约钻井成本、缩短钻井周期有一 定的推广意义。破裂压 力试验及先期堵漏工艺的成功应 用,是解决同 一裸 眼中存在多套 压 力层系的诱发性井漏的有效方法。(本文编辑徐恩信收稿日期1 994一0 6一02)TheP lug g ingandPreventingTe chnologyA gainstLostCirC U18tioninWenliUOilfieldZhangDonghai(工万丫lling、on刃Pa叮No.2,Zhong y“anPetr ol eumEl Plor ationBur ea“)A B ST R ACTT hee

31、asternpa rtofWe nlit一Oilfield belongstoo n eofthemoste omple xfaultblo eksinZ hongyuanOilfield.Formationpre s su rehasgre atvariatio n sformtoptobot tomduetotheinflu e n e eofinje etion一Pr oduetion.Losteireulationofte no e e ur sdu ringdrilling.Ae e ordingtoge ologie aleha r a eteristieofthefault一b

32、lo ek.thispape rdeseribesseveralplug gingandpre v e ntingmethodsagainstbothperme ab lea ndindu eedlosteire ulatio n.SU BJECTWOR DSComple xfaultb lo ek,Lo steireulatio n,Permeability,Indu e e.C C CC心弋答毛 C仁CC 二C C仁一签仁毛手任CC CC亡一苦C心C(心毛C毛C C CC任毛毛C 仁 C任毛任仁任书导C C C C任毛C毛层法豁荟C毛毛仁 C CC C任畏亡毛毛庵心滩卜巴誉仁任毛法于C C

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34、。rlewtypeofr nater rolre eentye a r,.Howe v e r,theyha vexiotbeenwell de v elopedand一tilizod111eorro si()x飞proto etlo nofoilfieldeq:ipme r飞ts.ThispaPe rPrese ntsap plieatio n sa nd。xxo eriene e sofs omen or:Inetalliematerialsinthefiel dathomeandabro ad.Fromthe。xperie n e es,itwlllbes omehelpforftlrtherdevelopmentandutilizatio nofn o nmetalliemate rialstoputax飞endoxle eandfo ralltothee(lt一ipme nte or rosionintheoilfields.S U BJE CTWO R D SCor ro sio ne ontrol,Cor rosio npreventionmaterial,No nmetalmaterial.L ining,Co atizlg,Rei一lforedplastie,Plastiepipe.