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研究與應用輸氣管道內壁涂層技術是明智之舉

時間:2017-11-18 15:22:00 來源:本網 添加人:admin

  ;m述丨丨研究與fi用輸氣管道內壁濂屋技術明智之舉權忠輿(中國石油天然氣管道科學研究院)權忠輿:研究與應用輸氣管道內壁涂層技術是明智之舉,油氣儲運,2000,19(9)的論點,從國外輸氣管道內涂層的應用概況、內涂層的優點與應用效果、涂敷內涂層的經濟效益以及內涂層的涂料種類和涂敷作業等方面做了較為詳盡的介紹,認為在當前建設西氣東輸管道的前期階段,應當對包括輸氣管道內涂層技術的研究與應用等眾多技術問題進行深入研究和論證,并積極汲取國外的經驗,以合理開發和利用天然氣,提高行業的整體效益。

  主題詞輸氣管道內涂層技術研究應用065000,河北省廊坊市金光道51號;電話:(0316)2073171.一、前言大力開發和利用天然氣是優化我國能源結構、保證國民經濟可持續發展的一項重要舉措。我國天然氣資源豐富,常規天然氣總資源量就達3. 8X1012m3,到2005年,剩余可采儲量可達16 000X108m3,具備年產天然氣500X 108m3的條件;到2015年,剩余可采儲量可達28 000X108m3,具備了年產天然氣1000X108m3的條件。到那時,我國會真正成為天然氣大國,可以把天然氣在一次能源結構中的比重從目前的2 提高到79我國天然氣資源主要集中在中西部地區,四川、陜甘寧、柴達木和塔里木四大盆地探明儲量占全國的60 以上。而廣闊的天然氣市場卻主要分布在東部沿海地區,這就決定了通過近4 200km的管道實現“西氣東輸”勢在必行。建設這樣大輸量、長距離的干線輸氣管道,在我國是次。對這樣的重大工眉,既要起點高,又必須審慎從事,在工程前期階段有許多技術問題值得認真探討和論證。以下僅就一項雖非重大卻很有研究價值的問題管內壁涂層技術,依據調研結果,提出一些淺見。

  二、輸氣管道內涂層的應用概況國外自20世紀50年代初期,作為輸送非腐蝕性天然氣的干線輸氣管道就開始應用了內涂層(并非以內防腐為主要目的)。1954年,美國ManufacturersLight Heat公司率先在70km(管徑分別為406mm和508mm)天然氣管道涂敷了內涂層。1955年美國Transcontinental管道公司次對長距離(325km)、大口徑(762mm、914mm)天然氣管道進行了內涂敷。1959年首次發表了分析內涂層對大口徑氣管道改善流動增加輸量的理論和效果的現場試驗報告。此后,加拿大于1962年、意大利于1965年、英國于1966年、蘇聯于1967年相繼應用了大口徑氣管道的內涂層技術。目前世界范圍內應用內涂層的干線輸氣管道典型例子不勝枚舉,例如,19731983年間修建的阿爾及利亞一意大利穿Pipeline),其陸上管道口徑為1 220mm,穿越西西里海峽(160km)和墨西拿海峽(15km),選用三條509mm管徑,壁厚20mm的X65鋼管并行,所有管子都用環氧樹脂進行了內涂敷m.1984199C年,英國BritishGas公司所轄北海天然氣管道采用內涂層的達1746km.1990年美國管道工業雜志報道,挪威至比利時的Zeepipe天然氣管道,全長810km,管徑996mm,輸氣壓力高達16MPa,為了降低摩阻,采用了內涂層厚為4060fmi的環氧樹脂;內焊口處裸露總長為13km(占全長的1.6)未做內涂處理,對于減阻作用的影響可忽略不計£8.從非洲馬格利布經直布羅陀到歐洲的一條輸氣管道,全長1352km,管徑1219mm,穿越海峽48km雙線管徑529mm,也采用內涂敷厚度為50Mm的環氧樹脂。加拿大大的天然氣公司NOVA公司,到1995年為止,其所轄輸氣管道的76(全長約7200km)都采用了內涂層un. 1968年美國石油學會發布了編號為APIRP5L2的非腐蝕性氣體輸送管道內涂層推薦準則,1987年發布了第三版(修訂版),應當說這是目前該領域有的一項技術標準。此外,英國天然氣理事會發布的GBE/CM1鋼管和管件內涂層施工方法和GBE/CM2鋼管和管件內涂層材料技術規定(1971),在1993年修訂后又得到歐共體的認可。1975年美國土木工程師協會(ASCE)發布了美國管道設計工程實踐工作委員會報告烴類氣體和液體的管道設計,其中4. 3節特別指出,“對于雷諾數高的輸氣管道,可以采用內壁涂層來節約動力投近年來,我國天然氣管道工作者也對國外輸氣管道內減阻涂層有所關注。四川石油管理局主編的輸氣管道工程(1997)―書中第六章第三節指出,節約動力,降低維修費用等優點”,又列舉了美國、英國、法國、荷蘭、加拿大等國有關內涂層的爹個標準編號U3.另外,我國標準GB50251―94輸氣管道工程設計規范第3.1.5條也明確規定了“有條件的地方宜采用內涂技術”‘。

  三、管道內涂層的優點與應用效果關于干線輸氣管道應用內涂層的效果和優點,國外多有介紹。APIRP5L的前言歸結為,“干線輸氣管道從內涂層獲得的益處是:①改善流動性;②防止施工期間的腐蝕;③有助于管子內表面的目視檢;④改善清管效果”。此外,還有減少環境污染、減少維修量、延長管道和閥門及管件的壽命、減少沉積物、提高氣體純度、有助于管道干燥加速投產、降低管道投資等。專家認為諸多好處并不一定同時存在,但在具體工程中總會在一些方面起作用~‘17.分析結果表明,管道內涂層基本的效能,應該說具有減少氣體流動摩擦阻力的作用。

  流體力學基本概念認為,在不同流態下,流體管道流動阻力有不同的規律,而區分不同流態的判據是雷諾數。流體在管道中一般存在著貼近管壁的層流底層,依據該底層厚度分為層流、部分紊流和完全紊流,而這一底層厚度與雷諾數成反比。由此可以簡單地看出,當雷諾數足夠大時,層流底層厚度將相當小,流體流動狀態就有可能達到完全的紊流。在研究了大量試驗和經驗數據后,得到了判別進人完全紊流流態的第二臨界雷諾數表達式,并推出許多公式,表明此時管道流動的水力摩阻系數幾乎與雷諾數無關(例如通用的Colebiook-White方程),僅成為管壁粗糙度的函數。此時,這一區內的阻力和流量的平方成正比,即進人所謂“阻力平方區”。在這種流態下,管道內壁粗糙度成為摩阻的決定因素,如果改進了管道內壁粗糙度,將會有效地降低水力摩阻。

  事實上,按照天然氣管道水力計算常用的公式,很容易導出流量(Q)與內壁粗糙度(A)的關聯式,進而可知有無內涂層的管道流量之比(當管徑、壓降相同時),即/二夕)111.例如,如果未涂的管道內壁粗糙度為19Mm,涂敷后的管道內壁粗糙度為6. 4則當其它條件不變時,流量可以提高11.5,如果未涂的管道內壁粗糙度為40nm(在實際管道中也是常見的),流量可提高到20.1.干線輸氣管道因其管徑大,流速也較高,基本上是處于線輸氣管道輸送效率的極其有效的手段。這就是內涂層減少流動摩擦阻力的簡單原理。就此,不少研究者通過試驗或現場實際數據做了大量深人的研究,簡要歸納起來,大體有以下幾點結論:①摩阻系數的縮減率隨雷諾數的增大而增大,隨管徑的減小而增大;②雷諾數越大,管徑的影響越小;③摩阻系數在雷諾數105107時變化大;④內涂層若使表面粗糙度減少90,輸氣管道摩阻系數則減少33,輸送量提高24由此可以推論:①在同樣輸量壓力下,可延長增壓站的站間距,減少增壓站的數量;②使管徑計算值減少,從而節約管材和施工費用,降低管道綜合造價;③在同樣管徑輸量下,可降低輸氣動力消耗。,除降低摩阻之外,內涂層其它幾個突出作用也不可忽視。首先是防止管道儲存期的內壁腐蝕。一般鋼管出廠后不會立即使用,到鋪t時往往要經歷在大氣中數月時間的暴露。據有關介紹,新鋼管內壁粗糙度約1319Hm,在大氣中暴露6個月后即變為2532 24個月以后則篼達4551而具有內涂層的鋼管可長期儲存,粗糙度保持在58xinH2.其次,內涂層避免了運行中銹渣等污物沉積對所輸天然氣的污染,保證了氣質純凈。再者,借助內涂層漆膜的光澤,可以方便地進行內壁目視檢,容易事先發現缺陷,避免或減少運行使用中的事故。據國外天然氣公司的數據表明,有內涂層管道通球清管的驅動壓力僅為無內涂層管道的一半,而且因污物不易粘結,清管變得容易,通球次數減少,使得維護費用降低。

  此外,內涂層兼有明顯的內防腐作用,可以使鋼管使用壽命延長24倍。

  四、涂敷內涂層的經濟效益基于以上認識,針對具體管道而言,內涂層究竟能有多大的實際效益,則是一個比較復雜的技術經濟問題。因為流動阻力的減低固然是內涂層的基本效能,但是并非全部;如果僅從工藝的角度計算出摩阻系數的縮減率,就作為內涂層的選用依據也并非充分。事實上,其減阻之外的效能也會帶來不小的效益。另一方面,采用內涂層的管道需要增加的資金投人也是一個決定因素。國外報道了不少針對具體管道的經濟評價實例,其評價結果并不完全一致。

  但通過實例分析,則可對其經濟效益做出綜合評判。

  輸送壓力為7MPa,流量為1415X104m3/d,如采用內涂層比裸管輸送效率提高6 (這是比較保守的)。假設壓降1MPa時每天輸送1415X104m3,理論上需要功率3200kW;而裸管壓降1.2MPa,壓縮同樣氣體就需要功率4100kW.由此看出,內涂層管可節省功率900kW,安裝壓縮機的費用可減少182X104美元,同時運行期間的燃料費用也相應的節省10.4X104美元/a.據稱內涂層施工預計總花費僅135.2X1(美元,經濟性十分明顯徑為914mm的天然氣管道進行了研究,結果表明,當氣體處于中高流速范圍,且天然氣價格超過0.04美元/m3時,采用內涂層經濟上是合算的;而當氣體流速低時,天然氣價格要升至。160.24美元/m3時,采用內涂層才合算au.有研究者提出了一個用以判定管道采用內涂層的經濟性程序。依照這一程序,首先要判定天然氣在管道中的流態,以建立水力模型來確定燃料消耗,然后計算內涂層投資和管道運行成本來確定運營費用,后得出經濟性結論。研究者采用了“累積費用現值”(CPVCOS)來表征,并認為內涂層管的CPV-COS越低,經濟性越好。這個CPVCOS是包含了氣體性質、工程建設情況、管道及設備情況、運行工藝條件、經濟要素等的一個綜合指標。考慮到內涂層的次生效益和社會效益,推薦當CPVCOSt<1.02CPVCOSwt時即應使用內涂層。依據這種評估,1985 1992年,研究者所在的NOVA公司有幾百公里管徑在558.8mm以上的管道未涂內涂層,原因在于在80年代后期北美涂層市場成本提高達400,而燃料價格卻只略有上漲。另外,當時認為管道的有效粗糙度在未涂時為16.5um,而涂敷后僅減為10.2fxm,不足以使內涂層成為經濟合算的選擇。但后來市場行情變化,而且在1993年對粗糙度又進行了專門研究,認為有無內涂層管道的樘效粗糙度取值應分別修正為6.4urn和19.1fim.根據這一判定程序,NOVA公司于1994年對200km、直徑為762mm和300km、直徑為7621 219.2mm干線輸氣管道實施了內涂層,并預計在管道服役期內可節省輸送成本7X106美元五、內涂層涂料與涂敷作業內涂層作為一項頗具優越性的應用技術,其關鍵技術在于涂料和涂敷作業兩個方面。從一定意義上來說,關鍵技術和發展水平是這項技術推廣應用的前提。目前國外干線輸氣管道內涂層技術的廣泛應用,標志著涂料和涂敷技術相應的發展水平。先以涂料來說,針對干線輸氣管道減阻的內涂層,合適的涂料應當使內涂層具備下列特性。

  機械性能(耐磨性、抗沖擊性)好;涂料本身的涂敷性能還應盡量滿足涂敷工藝(尤其是機械化噴涂)的要求,例如合適的粘度、流平性、適用期、固化時間等t2‘223.但內涂層厚度只有50xm左右,又不與陰極保護結合,所以對電絕緣性與涂層針孔率要求不高。值得注意的是,諸多都對內涂層的幾個特殊要求進行了介紹,一是干線輸氣管道要求盡量減少機械雜質,以保證氣質清潔,同時防止過濾器堵塞,所以內涂層的附著力應相當高,并且在管道施工和輸氣運行中能長期保持,否則因脫落反而會導致雜質增加;二是天然氣管道運行壓力高且變化大,這就要求內涂層應具有很好的耐壓性能,在突然失壓時不起泡、不脫落;三是為避免涂敷施工時損壞外防腐層,內、外涂層的涂敷工序往往是先內后外,這就提出了內涂層能否耐受高溫的問題,如果外防腐層擬采用FBE或三層復合結構,其施工時必然要經歷230250C(即便是短時間)的高溫,內涂層必須能耐受這樣的溫度而不變化失效;四是內涂層的光滑表面要有足夠的硬度和很好的耐磨性,使之經得起氣體乃至清管器的沖刷磨蝕;五是輸氣管道內壁可能常常接觸天然氣夾帶的H2S、S02和注人的一些化學品(如緩蝕劑、加味劑等),這就要求內涂層的抗化學性更要篼于一般外涂層。

  管道內涂層涂料品種繁多,有乙烯基樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂等數十種。美國天然氣協會(AGA)的管道研究委員會專立的NB14項目研究了38種不同類型的內涂層涂料,得出結論,認為環氧型涂料適合用作輸氣管道的內涂層2W.環氧型涂料主要有雙組分液態環氧樹脂和熔結粉末環氧樹脂(FBE)兩大類。據報道,熔結環氧粉末作為內涂層多用于油、水和天然氣管道的內防腐,涂層厚度常在250以上。而液態環氧類涂料更適用于干線輸氣管道內的薄涂層u2a,其中聚酰胺固化的環氧樹脂涂層更具柔韌性和耐水性,且能與金屬表面較好的潤濕,涂層不易流掛,有較長的使用期和更小的毒性與刺激性。而胺類固化者則對溶劑和化學品抵抗力較好,但其易于形成多孔涂膜。

  行銷多年的英國E.Wood公司生產的COPON EP2306,即是專門用于天然氣管道內涂層的一種聚酰胺做固化劑的液態環氧樹脂,它滿足了APRP5L2和英國GBE/CM1標準的要求。對內涂層涂料的耐熱性能,日本Nippon公司專門做了研究,他們采用了硫醇(mercaptan)類代替聚酰胺做環氧固化劑,推出的涂料產品EPX-8在耐受30min的266C高溫之后仍然滿足APIRP5L2的技術指標,特別適合于先內后外的涂敷施工雙組分液態環氧樹脂也有尚待改進之處,例如目前一般的固化時間還太長(16h實干),固化溫度低限還太篼(1CTC左右),這都限制了涂敷施工條件。另外,內涂層的使用壽命仍是一個不完全令人放心的因素,據報道,內涂層之所以應用不廣泛,原因之一就是其使用壽命還不能很好地確定,研究者致力于其使用壽命的評價,提出的一些試驗方法還有待驗證2.再者,目前液態環氧涂料的固體分多在4050,大量溶劑的存在既不利于涂層的完整性,也給涂敷場所帶來環境污染,研制高固體分而又易于涂敷的涂料是個發展方向。不過無論如何,這類涂料畢竟有了10年以上的應用歷史,有的長達40年,可以認為比較成熟。在合適的應用場合加上合適的涂敷條件,內涂層涂料還是有可供選擇的余地。

  關于內涂層的涂敷施工,在國外有數以萬公里的干線輸氣管道應用了內涂層,其涂敷施工作業的水平是不言而喻的。國外比較有名的涂敷作業廠商有德國的EUPEC公司、意大利的Socotherm公司、荷蘭的Selmers公司和BL公司、新加坡的Bredero Price公司等。涂敷可分為現場施工和工廠預制兩大類型。對于已建管道需采用現場擠涂,表面機械清理、化學清洗和涂料涂敷分段由特制清管器完成。現場涂敷雖然不需專門車間和設備,但工藝復雜,質量難以控制,然而內補口可同時完成t25~2n.對于新鋼管一般還是在工廠預制,其優點是涂層質量容易控制,周期短產量高,又可在鋼管廠或防腐廠與外防腐作業聯合進行。工廠預制也需要對管內壁先進行噴(拋)磨料的表面預處理,達到SISSa2. 5級表面要求后,再對液態環氧與固化劑混合物料實施無氣噴涂。在工廠預制作業中,表面處理是保證涂層質量的關鍵步驟,對大口徑管道,國外多采用機械式內拋丸除銹,在保證除銹質量的前提下,施工費用低,工作效率也完全滿足連續作業的要求。有關認為,預制以減阻為主要目的的內涂層管道,一般不再做內補口,使用中對效能的影響可以忽略W16in.對于必須進行內補口的防腐型內涂層,工廠預制內涂層的管道則會遇到不小的麻煩,要依靠專門的技術與設備來解決3.根據多方面資料得到的總體印象是,防腐型內涂層以現場涂敷更含適,而減阻型的以工廠預制為多。

  根據目前掌握的資料可以看出,國外干線輸氣管道應用內涂層已經比較廣泛,它們主要以提高流動效率為目的,同時獲得了多方面的效益。內涂層技術在涂料和涂敷施工兩方面都比較成熟,足以滿足長距離、大口徑管道的需要。相應的技術標準、規范和檢測方法也有不少可供遵循。針對如何確定是否采用內涂層以及內涂層的實際效益估算,許多管道運營公司提出了技術經濟評價的模式,頗有價值。在當前天然氣大開發、干線輸氣管道大建設的時期,認真研究和汲取國外管道內涂層技術與應用經驗,當是明智之舉,肯定會大有裨益。

  本文得到了中國石油管道公司管道科技研究中心劉廣文和中國石油天然氣管道科學研究院焦如義的大力協助,一并致以謝意!

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