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研究与应用输气管道内壁涂层技术是明智之举

文章来源：本站收集上传时间：2018-6-25 浏览量：2813

　　研讨与fi用输气管道内壁濂屋技能明智之举权忠舆（中国石油天然气管道科学研讨院）权忠舆：研讨与运用输气管道内壁涂层技能是明智之举，油气储运，2000，19（9）的观点，从国外输气管道内涂层的运用概略、内涂层的长处与运用效果、涂敷内涂层的经济效益以及内涂层的涂料品种和涂敷作业等方面做了较为翔实的介绍，以为在当时建造西气东输管道的前期阶段，应当对包含输气管道内涂层技能的研讨与运用等很多技能问题进行深入研讨和证明，并活跃罗致国外的阅历，以合理开发和运用天然气，进步职业的整体效益。

　　　　主题词输气管道内涂层技能研讨运用065000，河北省廊坊市金光道51号；电话：（0316）2073171.一、前语大力开发和运用天然气是优化我国能源结构、确保国民经济可持续发展的一项重要行动。我国天然气资源丰富，常规天然气总资源量就达3.8X1012m3，到2005年，剩下可采储量可达16 000X108m3，具有年产天然气500X 108m3的条件；到2015年，剩下可采储量可达28 000X108m3，具有了年产天然气1000X108m3的条件。到那时，我国会真实成为天然气大国，能够把天然气在一次能源结构中的比重从现在的2%进步到7%9我国天然气资源首要会集在中西部区域，四川、陕甘宁、柴达木和塔里木四大盆地探明储量占全国的60%以上。而广阔的天然气商场却首要散布在东部沿海区域，这就决议了经过近4 200km的管道完结“西气东输”势在必行。建造这样大输量、长距离的干线输气管道，在我国是第一次。对这样的重大工眉，既要起点高，又有必要审慎从事，在工程前期阶段有许多技能问题值得仔细探讨和证明。以下仅就一项虽非重大却很有研讨价值的问题管内壁涂层技能，依据调研成果，提出一些浅见。

　　　　二、输气管道内涂层的运用概略国外自20世纪50年代初期，作为运送非腐蚀性天然气的干线输气管道就开端运用了内涂层（并非以内防腐为首要意图）。1954年，美国ManufacturersLight Heat公司率先在70km（管径别离为406mm和508mm）天然气管道涂敷了内涂层。1955年美国Transcontinental管道公司第一次对长距离（325km）、大口径（762mm、914mm）天然气管道进行了内涂敷。1959年初次宣布了剖析内涂层对大口径气管道改善活动添加输量的理论和效果的现场实验陈述。尔后，加拿大于1962年、意大利于1965年、英国于1966年、苏联于1967年相继运用了大口径气管道的内涂层技能。现在国际规模内运用内涂层的干线输气管道典型比如不胜枚举，例如，19731983年间建筑的阿尔及利亚一意大利穿Pipeline），其陆上管道口径为1 220mm，穿越西西里海峡（160km）和墨西拿海峡（15km），选用三条509mm管径，壁厚20mm的X65钢管并行，所有管子都用环氧树脂进行了内涂敷m.1984199C年，英国BritishGas公司所辖北海天然气管道选用内涂层的达1746km.1990年美国管道工业杂志报导，挪威至比利时的Zeepipe天然气管道，全长810km，管径996mm，输气压力高达16MPa，为了下降摩阻，选用了内涂层厚为4060fmi的环氧树脂；内焊口处露出总长为13km（占全长的1.6%）未做内涂处理，关于减阻效果的影响可疏忽不计￡8.从非洲马格利布经直布罗陀到欧洲的一条输气管道，全长1352km，管径1219mm，穿越海峡48km双线管径529mm，也选用内涂敷厚度为50Mm的环氧树脂。加拿大最大的天然气公司NOVA公司，到1995年停止，其所辖输气管道的76%（全长约7200km）都选用了内涂层un.1968年美国石油学会发布了编号为APIRP5L2的非腐蚀性气体运送管道内涂层引荐原则，1987年发布了第三版（修订版），应当说这是现在该领域最有威望的一项技能标准。此外，英国天然气理事会发布的GBE/CM1钢管和管件内涂层施工办法和GBE/CM2钢管和管件内涂层材料技能规则（1971），在1993年修订后又得到欧共体的认可。1975年美国土木工程师协会（ASCE）发布了美国管道规划工程实践工作委员会陈述烃类气体和液体的管道规划，其间4.3节特别指出，“关于雷诺数高的输气管道，能够选用内壁涂层来节约动力投近年来，我国天然气管道工作者也对国外输气管道内减阻涂层有所重视。四川石油管理局主编的输气管道工程（1997）―书中第六章第三节指出，节约动力，下降修理费用等长处”，又列举了美国、英国、法国、荷兰、加拿大等国有关内涂层的爹个标准编号U3.别的，我国标准GB50251―94输气管道工程规划标准第3.1.5条也明确规则了“有条件的当地宜选用内涂技能”‘。

　　　　三、管道内涂层的长处与运用效果关于干线输气管道运用内涂层的效果和长处，国外多有介绍。APIRP5L的前语归结为，“干线输气管道从内涂层取得的好处是：①改善活动性；②防止施工期间的腐蚀；③有助于管子内外表的目视检；④改善清管效果”。此外，还有削减环境污染、削减修理量、延伸管道和阀门及管件的寿数、削减堆积物、进步气体纯度、有助于管道枯燥加速投产、下降管道出资等。专家以为诸多好处并不一定一起存在，但在详细工程中总会在一些方面起效果~‘17.剖析成果标明，管道内涂层最根本的效能，应该说具有削减气体活动摩擦阻力的效果。

　　　　流体力学根本概念以为，在不同流态下，流体管道活动阻力有不同的规则，而区别不同流态的判据是雷诺数。流体在管道中一般存在着靠近管壁的层流底层，依据该底层厚度分为层流、部分紊流和彻底紊流，而这一底层厚度与雷诺数成反比。由此能够简略地看出，当雷诺数满意大时，层流底层厚度将适当小，流体活动状况就有可能到达彻底的紊流。在研讨了很多实验和阅历数据后，得到了判别进人彻底紊流流态的第二临界雷诺数表达式，并推出许多公式，标明此时管道活动的水力摩阻系数简直与雷诺数无关（例如最通用的Colebiook-White方程），仅成为管壁肯定粗糙度的函数。此时，这一区内的阻力和流量的平方成正比，即进人所谓“阻力平方区”。在这种流态下，管道内壁粗糙度成为摩阻的决议要素，假如改善了管道内壁粗糙度，将会有用地下降水力摩阻。

　　　　事实上，按照天然气管道水力核算最常用的公式，很简单导出流量（Q）与内壁粗糙度（A）的相关式，进而可知有无内涂层的管道流量之比（当管径、压降相一起），即/二夕）111.例如，假如未涂的管道内壁粗糙度为19Mm，涂敷后的管道内壁粗糙度为6.4则当其它条件不变时，流量能够进步11.5%，假如未涂的管道内壁粗糙度为40nm（在实践管道中也是常见的），流量可进步到20.1%.干线输气管道因其管径大，流速也较高，根本上是处于线输气管道运送功率的极端有用的手法。这就是内涂层削减活动摩擦阻力的最简略原理。就此，不少研讨者经过实验或现场实践数据做了很多深人的研讨，简要归纳起来，大体有以下几点定论：①摩阻系数的减缩率随雷诺数的增大而增大，随管径的减小而增大；②雷诺数越大，管径的影响越小；③摩阻系数在雷诺数105107时改变最大；④内涂层若使外表粗糙度削减90%，输气管道摩阻系数则削减33%，运送量进步24由此能够推论：①在相同输量压力下，可延伸增压站的站距离，削减增压站的数量；②使管径核算值削减，然后节约管材和施工费用，下降管道归纳造价；③在相同管径输量下，可下降输气动力耗费。，除下降摩阻之外，内涂层其它几个杰出效果也不行忽视。首先是防止管道贮存期的内壁腐蚀。一般钢管出厂后不会当即运用，到铺t时往往要阅历在大气中数月时刻的露出。据有关介绍，新钢管内壁肯定粗糙度约1319Hm，在大气中露出6个月后即变为2532 24个月今后则篼达4551而具有内涂层的钢管可长时刻贮存，肯定粗糙度保持在58xinH2.其次，内涂层防止了运转中锈渣等污物堆积对所输天然气的污染，确保了气质纯洁。再者，凭借内涂层漆膜的光泽，能够方便地进行内壁目视检，简单事前发现缺点，防止或削减运转运用中的事端。据国外天然气公司的数据标明，有内涂层管道通球清管的驱动压力仅为无内涂层管道的一半，并且因污物不易粘结，清管变得简单，通球次数削减，使得维护费用下降。

　　　　此外，内涂层兼有显着的内防腐效果，能够使钢管运用寿数延伸24倍。

　　　　四、涂敷内涂层的经济效益基于以上知道，针对详细管道而言，内涂层终究能有多大的实践效益，则是一个比较杂乱的技能经济问题。由于活动阻力的减低固然是内涂层的根本效能，可是并非悉数；假如仅从工艺的视点核算出摩阻系数的减缩率，就作为内涂层的选用依据也并非充沛。事实上，其减阻之外的效能也会带来不小的效益。另一方面，选用内涂层的管道需求添加的资金投人也是一个决议要素。国外报导了不少针对详细管道的经济点评实例，其点评成果并不彻底一致。

　　　　但经过实例剖析，则可对其经济效益做出归纳评判。

　　　　运送压力为7MPa，流量为1415X104m3/d，如选用内涂层比裸管运送功率进步6%（这是比较保存的）。假定压降1MPa时每天运送1415X104m3，理论上需求功率3200kW；而裸管压降1.2MPa，压缩相同气体就需求功率4100kW.由此看出，内涂层管可节约功率900kW，装置压缩机的费用可削减182X104美元，一起运转期间的燃料费用也相应的节约10.4X104美元/a.据称内涂层施工估计总花费仅135.2X1（美元，经济性十分显着径为914mm的天然气管道进行了研讨，成果标明，当气体处于中高流速规模，且天然气价格超越0.04美元/m3时，选用内涂层经济上是合算的；而当气体流速低时，天然气价格要升至。160.24美元/m3时，选用内涂层才合算au.有研讨者提出了一个用以断定管道选用内涂层的经济性程序。按照这一程序，首先要断定天然气在管道中的流态，以树立水力模型来断定燃料耗费，然后核算内涂层出资和管道运转本钱来断定运营费用，最后得出经济性定论。研讨者选用了“累积费用现值”（CPVCOS）来表征，并以为内涂层管的CPV-COS越低，经济性越好。这个CPVCOS是包含了气体性质、工程建造状况、管道及设备状况、运转工艺条件、经济要素等的一个归纳指标。考虑到内涂层的次生效益和社会效益，引荐当CPVCOSt<1.02CPVCOSwt时即应运用内涂层。依据这种评价，1985 1992年，研讨者地点的NOVA公司有几百公里管径在558.8mm以上的管道未涂内涂层，原因在于在80年代后期北美涂层商场本钱进步达400%，而燃料价格却只略有上涨。别的，当时以为管道的有用粗糙度在未涂时为16.5um，而涂敷后仅减为10.2fxm，缺乏以使内涂层成为经济合算的挑选。但后来商场行情改变，并且在1993年对粗糙度又进行了专门研讨，以为有无内涂层管道的樘效粗糙度取值应别离修正为6.4urn和19.1fim.依据这一断定程序，NOVA公司于1994年对200km、直径为762mm和300km、直径为7621 219.2mm干线输气管道施行了内涂层，并估计在管道执役期内可节约运送本钱7X106美元五、内涂层涂料与涂敷作业界涂层作为一项颇具优越性的运用技能，其关键技能在于涂料和涂敷作业两个方面。从一定意义上来说，关键技能和发展水平是这项技能推广运用的条件。现在国外干线输气管道内涂层技能的广泛运用，标志着涂料和涂敷技能相应的发展水平。先以涂料来说，针对干线输气管道减阻的内涂层，适宜的涂料应当使内涂层具有下列特性。

　　　　机械功能（耐磨性、抗冲击性）好；涂料本身的涂敷功能还应尽量满意涂敷工艺（尤其是机械化喷涂）的要求，例如适宜的粘度、流平性、适用期、固化时刻等t2‘223.但内涂层厚度只要50xm左右，又不与阴极保护结合，所以对电绝缘性与涂层针孔率要求不高。值得注意的是，诸多都对内涂层的几个特殊要求进行了介绍，一是干线输气管道要求尽量削减机械杂质，以确保气质清洁，一起防止过滤器阻塞，所以内涂层的附着力应适当高，并且在管道施工和输气运转中能长时刻保持，不然因掉落反而会导致杂质添加；二是天然气管道运转压力高且改变大，这就要求内涂层应具有很好的耐压功能，在俄然失压时不起泡、不掉落；三是为防止涂敷施工时损坏外防腐层，内、外涂层的涂敷工序往往是先内后外，这就提出了内涂层能否耐受高温的问题，假如外防腐层拟选用FBE或三层复合结构，其施工时必定要阅历230250C（即便是短时刻）的高温，内涂层有必要能耐受这样的温度而不改变失效；四是内涂层的润滑外表要有满意的硬度和很好的耐磨性，使之经得起气体甚至清管器的冲刷磨蚀；五是输气管道内壁可能常常触摸天然气夹藏的H2S、S02和注人的一些化学品（如缓蚀剂、加味剂等），这就要求内涂层的抗化学性更要篼于一般外涂层。

　　　　管道内涂层涂料品种繁多，有乙烯基树脂、聚氨酯、酚醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂等数十种。美国天然气协会（AGA）的管道研讨委员会专立的NB14项目研讨了38种不同类型的内涂层涂料，得出定论，以为环氧型涂料最适合用作输气管道的内涂层2W.环氧型涂料首要有双组分液态环氧树脂和熔结粉末环氧树脂（FBE）两大类。据报导，熔结环氧粉末作为内涂层多用于油、水和天然气管道的内防腐，涂层厚度常在250以上。而液态环氧类涂料更适用于干线输气管道内的薄涂层u2a，其间聚酰胺固化的环氧树脂涂层更具柔韧性和耐水性，且能与金属外表较好的潮湿，涂层不易流挂，有较长的运用期和更小的毒性与刺激性。而胺类固化者则对溶剂和化学品抵抗力较好，但其易于构成多孔涂膜。

　　　　行销全球多年的英国E.Wood公司出产的COPON EP2306，便是专门用于天然气管道内涂层的一种聚酰胺做固化剂的液态环氧树脂，它满意了APRP5L2和英国GBE/CM1标准的要求。对内涂层涂料的耐热功能，日本Nippon公司专门做了研讨，他们选用了硫醇（mercaptan）类替代聚酰胺做环氧固化剂，推出的涂料产品EPX-8在耐受30min的266C高温之后依然满意APIRP5L2的技能指标，特别适合于先内后外的涂敷施工双组分液态环氧树脂也有尚待改善之处，例如现在一般的固化时刻还太长（16h实干），固化温度低限还太篼（1CTC左右），这都约束了涂敷施工条件。别的，内涂层的运用寿数仍是一个不彻底令人定心的要素，据报导，内涂层之所以运用不广泛，原因之一就是其运用寿数还不能很好地断定，研讨者致力于其运用寿数的点评，提出的一些实验办法还有待验证2.再者，现在液态环氧涂料的固体分多在40%50%，很多溶剂的存在既不利于涂层的完整性，也给涂敷场所带来环境污染，研发高固体分而又易于涂敷的涂料是个发展方向。不过无论怎么，这类涂料究竟有了10年以上的运用历史，有的长达40年，能够以为比较老练。在适宜的运用场合加上适宜的涂敷条件，内涂层涂料仍是有可供挑选的地步。

　　　　关于内涂层的涂敷施工，在国外有数以万公里的干线输气管道运用了内涂层，其涂敷施工作业的水平是显而易见的。国外比较有名的涂敷作业厂商有德国的EUPEC公司、意大利的Socotherm公司、荷兰的Selmers公司和BL公司、新加坡的Bredero Price公司等。涂敷可分为现场施工和工厂预制两大类型。关于已建管道需选用现场挤涂，外表机械整理、化学清洗和涂料涂敷分段由特制清管器完结。现场涂敷虽然不需专门车间和设备，但工艺杂乱，质量难以操控，但是内补口可一起完结t25~2n.关于新钢管一般仍是在工厂预制，其长处是涂层质量简单操控，周期短产值高，又可在钢管厂或防腐厂与外防腐作业联合进行。工厂预制也需求对管内壁先进行喷（抛）磨料的外表预处理，到达SISSa2.5级外表要求后，再对液态环氧与固化剂混合物料施行无气喷涂。在工厂预制作业中，外表处理是确保涂层质量的关键步骤，对大口径管道，国外多选用机械式内抛丸除锈，在确保除锈质量的条件下，施工费用低，工作功率也彻底满意接连作业的要求。有关以为，预制以减阻为首要意图的内涂层管道，一般不再做内补口，运用中对效能的影响能够疏忽W16in.关于有必要进行内补口的防腐型内涂层，工厂预制内涂层的管道则会遇到不小的费事，要依靠专门的技能与设备来处理3.依据多方面材料得到的总体印象是，防腐型内涂层以现场涂敷更含适，而减阻型的以工厂预制为多。

　　　　依据现在掌握的材料能够看出，国外干线输气管道运用内涂层现已比较广泛，它们首要以进步活动功率为意图，一起取得了多方面的效益。内涂层技能在涂料和涂敷施工两方面都比较老练，足以满意长距离、大口径管道的需求。相应的技能标准、标准和检测办法也有不少可供遵循。针对怎么断定是否选用内涂层以及内涂层的实践效益预算，许多管道运营公司提出了技能经济点评的形式，颇有价值。在当时天然气大开发、干线输气管道大建造的时期，仔细研讨和罗致国外管道内涂层技能与运用阅历，当是明智之举，肯定会大有裨益。

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