研究与应用输气管道内壁涂层技术是明智之举

时间:2017-11-18 15:22:00 来源:本网 添加人:admin

  ;m述丨丨研究与fi用输气管道内壁濂屋技术明智之举权忠舆(中国石油天然气管道科学研究院)权忠舆:研究与应用输气管道内壁涂层技术是明智之举,油气储运,2000,19(9)的论点,从国外输气管道内涂层的应用概况、内涂层的优点与应用效果、涂敷内涂层的经济效益以及内涂层的涂料种类和涂敷作业等方面做了较为详尽的介绍,认为在当前建设西气东输管道的前期阶段,应当对包括输气管道内涂层技术的研究与应用等众多技术问题进行深入研究和论证,并积极汲取国外的经验,以合理开发和利用天然气,提高行业的整体效益。

  主题词输气管道内涂层技术研究应用065000,河北省廊坊市金光道51号;电话:(0316)2073171.一、前言大力开发和利用天然气是优化我国能源结构、保证国民经济可持续发展的一项重要举措。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,剩余可采储量可达16 000X108m3,具备年产天然气500X 108m3的条件;到2015年,剩余可采储量可达28 000X108m3,具备了年产天然气1000X108m3的条件。到那时,我国会真正成为天然气大国,可以把天然气在一次能源结构中的比重从目前的2 %提高到7%9我国天然气资源主要集中在中西部地区,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。而广阔的天然气市场却主要分布在东部沿海地区,这就决定了通过近4 200km的管道实现“西气东输”势在必行。建设这样大输量、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,又必须审慎从事,在工程前期阶段有许多技术问题值得认真探讨和论证。以下仅就一项虽非重大却很有研究价值的问题管内壁涂层技术,依据调研结果,提出一些浅见。

  二、输气管道内涂层的应用概况国外自20世纪50年代初期,作为输送非腐蚀性天然气的干线输气管道就开始应用了内涂层(并非以内防腐为主要目的)。1954年,美国ManufacturersLight Heat公司率先在70km(管径分别为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年首次发表了分析内涂层对大口径气管道改善流动增加输量的理论和效果的现场试验报告。此后,加拿大于1962年、意大利于1965年、英国于1966年、苏联于1967年相继应用了大口径气管道的内涂层技术。目前世界范围内应用内涂层的干线输气管道典型例子不胜枚举,例如,19731983年间修建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采用内涂层的达1746km.1990年美国管道工业杂志报道,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,为了降低摩阻,采用了内涂层厚为4060fmi的环氧树脂;内焊口处裸露总长为13km(占全长的1.6%)未做内涂处理,对于减阻作用的影响可忽略不计£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,也采用内涂敷厚度为50Mm的环氧树脂。加拿大最大的天然气公司NOVA公司,到1995年为止,其所辖输气管道的76%(全长约7200km)都采用了内涂层un. 1968年美国石油学会发布了编号为APIRP5L2的非腐蚀性气体输送管道内涂层推荐准则,1987年发布了第三版(修订版),应当说这是目前该领域最有权威的一项技术标准。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方法和GBE/CM2钢管和管件内涂层材料技术规定(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)发布了美国管道设计工程实践工作委员会报告烃类气体和液体的管道设计,其中4. 3节特别指出,“对于雷诺数高的输气管道,可以采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关注。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,降低维修费用等优点”,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.另外,我国标准GB50251―94输气管道工程设计规范第3.1.5条也明确规定了“有条件的地方宜采用内涂技术”‘。

  三、管道内涂层的优点与应用效果关于干线输气管道应用内涂层的效果和优点,国外多有介绍。APIRP5L的前言归结为,“干线输气管道从内涂层获得的益处是:①改善流动性;②防止施工期间的腐蚀;③有助于管子内表面的目视检;④改善清管效果”。此外,还有减少环境污染、减少维修量、延长管道和阀门及管件的寿命、减少沉积物、提高气体纯度、有助于管道干燥加速投产、降低管道投资等。专家认为诸多好处并不一定同时存在,但在具体工程中总会在一些方面起作用~‘17.分析结果表明,管道内涂层最基本的效能,应该说具有减少气体流动摩擦阻力的作用。

  流体力学基本概念认为,在不同流态下,流体管道流动阻力有不同的规律,而区分不同流态的判据是雷诺数。流体在管道中一般存在着贴近管壁的层流底层,依据该底层厚度分为层流、部分紊流和完全紊流,而这一底层厚度与雷诺数成反比。由此可以简单地看出,当雷诺数足够大时,层流底层厚度将相当小,流体流动状态就有可能达到完全的紊流。在研究了大量试验和经验数据后,得到了判别进人完全紊流流态的第二临界雷诺数表达式,并推出许多公式,表明此时管道流动的水力摩阻系数几乎与雷诺数无关(例如最通用的Colebiook-White方程),仅成为管壁绝对粗糙度的函数。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定因素,如果改进了管道内壁粗糙度,将会有效地降低水力摩阻。

  事实上,按照天然气管道水力计算最常用的公式,很容易导出流量(Q)与内壁粗糙度(A)的关联式,进而可知有无内涂层的管道流量之比(当管径、压降相同时),即/二夕)111.例如,如果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,流量可以提高11.5%,如果未涂的管道内壁粗糙度为40nm(在实际管道中也是常见的),流量可提高到20.1%.干线输气管道因其管径大,流速也较高,基本上是处于线输气管道输送效率的极其有效的手段。这就是内涂层减少流动摩擦阻力的最简单原理。就此,不少研究者通过试验或现场实际数据做了大量深人的研究,简要归纳起来,大体有以下几点结论:①摩阻系数的缩减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时变化最大;④内涂层若使表面粗糙度减少90%,输气管道摩阻系数则减少33%,输送量提高24由此可以推论:①在同样输量压力下,可延长增压站的站间距,减少增压站的数量;②使管径计算值减少,从而节约管材和施工费用,降低管道综合造价;③在同样管径输量下,可降低输气动力消耗。,除降低摩阻之外,内涂层其它几个突出作用也不可忽视。首先是防止管道储存期的内壁腐蚀。一般钢管出厂后不会立即使用,到铺t时往往要经历在大气中数月时间的暴露。据有关介绍,新钢管内壁绝对粗糙度约1319Hm,在大气中暴露6个月后即变为2532 24个月以后则篼达4551而具有内涂层的钢管可长期储存,绝对粗糙度保持在58xinH2.其次,内涂层避免了运行中锈渣等污物沉积对所输天然气的污染,保证了气质纯净。再者,借助内涂层漆膜的光泽,可以方便地进行内壁目视检,容易事先发现缺陷,避免或减少运行使用中的事故。据国外天然气公司的数据表明,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,而且因污物不易粘结,清管变得容易,通球次数减少,使得维护费用降低。

  此外,内涂层兼有明显的内防腐作用,可以使钢管使用寿命延长24倍。

  四、涂敷内涂层的经济效益基于以上认识,针对具体管道而言,内涂层究竟能有多大的实际效益,则是一个比较复杂的技术经济问题。因为流动阻力的减低固然是内涂层的基本效能,但是并非全部;如果仅从工艺的角度计算出摩阻系数的缩减率,就作为内涂层的选用依据也并非充分。事实上,其减阻之外的效能也会带来不小的效益。另一方面,采用内涂层的管道需要增加的资金投人也是一个决定因素。国外报道了不少针对具体管道的经济评价实例,其评价结果并不完全一致。

  但通过实例分析,则可对其经济效益做出综合评判。

  输送压力为7MPa,流量为1415X104m3/d,如采用内涂层比裸管输送效率提高6 %(这是比较保守的)。假设压降1MPa时每天输送1415X104m3,理论上需要功率3200kW;而裸管压降1.2MPa,压缩同样气体就需要功率4100kW.由此看出,内涂层管可节省功率900kW,安装压缩机的费用可减少182X104美元,同时运行期间的燃料费用也相应的节省10.4X104美元/a.据称内涂层施工预计总花费仅135.2X1(美元,经济性十分明显径为914mm的天然气管道进行了研究,结果表明,当气体处于中高流速范围,且天然气价格超过0.04美元/m3时,采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,采用内涂层才合算au.有研究者提出了一个用以判定管道采用内涂层的经济性程序。依照这一程序,首先要判定天然气在管道中的流态,以建立水力模型来确定燃料消耗,然后计算内涂层投资和管道运行成本来确定运营费用,最后得出经济性结论。研究者采用了“累积费用现值”(CPVCOS)来表征,并认为内涂层管的CPV-COS越低,经济性越好。这个CPVCOS是包含了气体性质、工程建设情况、管道及设备情况、运行工艺条件、经济要素等的一个综合指标。考虑到内涂层的次生效益和社会效益,推荐当CPVCOSt<1.02CPVCOSwt时即应使用内涂层。依据这种评估,1985 1992年,研究者所在的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年代后期北美涂层市场成本提高达400%,而燃料价格却只略有上涨。另外,当时认为管道的有效粗糙度在未涂时为16.5um,而涂敷后仅减为10.2fxm,不足以使内涂层成为经济合算的选择。但后来市场行情变化,而且在1993年对粗糙度又进行了专门研究,认为有无内涂层管道的樘效粗糙度取值应分别修正为6.4urn和19.1fim.根据这一判定程序,NOVA公司于1994年对200km、直径为762mm和300km、直径为7621 219.2mm干线输气管道实施了内涂层,并预计在管道服役期内可节省输送成本7X106美元五、内涂层涂料与涂敷作业内涂层作为一项颇具优越性的应用技术,其关键技术在于涂料和涂敷作业两个方面。从一定意义上来说,关键技术和发展水平是这项技术推广应用的前提。目前国外干线输气管道内涂层技术的广泛应用,标志着涂料和涂敷技术相应的发展水平。先以涂料来说,针对干线输气管道减阻的内涂层,合适的涂料应当使内涂层具备下列特性。

  机械性能(耐磨性、抗冲击性)好;涂料本身的涂敷性能还应尽量满足涂敷工艺(尤其是机械化喷涂)的要求,例如合适的粘度、流平性、适用期、固化时间等t2‘223.但内涂层厚度只有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减少机械杂质,以保证气质清洁,同时防止过滤器堵塞,所以内涂层的附着力应相当高,并且在管道施工和输气运行中能长期保持,否则因脱落反而会导致杂质增加;二是天然气管道运行压力高且变化大,这就要求内涂层应具有很好的耐压性能,在突然失压时不起泡、不脱落;三是为避免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,如果外防腐层拟采用FBE或三层复合结构,其施工时必然要经历230250C(即便是短时间)的高温,内涂层必须能耐受这样的温度而不变化失效;四是内涂层的光滑表面要有足够的硬度和很好的耐磨性,使之经得起气体乃至清管器的冲刷磨蚀;五是输气管道内壁可能常常接触天然气夹带的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)的管道研究委员会专立的NB14项目研究了38种不同类型的内涂层涂料,得出结论,认为环氧型涂料最适合用作输气管道的内涂层2W.环氧型涂料主要有双组分液态环氧树脂和熔结粉末环氧树脂(FBE)两大类。据报道,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,其中聚酰胺固化的环氧树脂涂层更具柔韧性和耐水性,且能与金属表面较好的润湿,涂层不易流挂,有较长的使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,但其易于形成多孔涂膜。

  行销全球多年的英国E.Wood公司生产的COPON EP2306,即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,它满足了APRP5L2和英国GBE/CM1标准的要求。对内涂层涂料的耐热性能,日本Nippon公司专门做了研究,他们采用了硫醇(mercaptan)类代替聚酰胺做环氧固化剂,推出的涂料产品EPX-8在耐受30min的266C高温之后仍然满足APIRP5L2的技术指标,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进之处,例如目前一般的固化时间还太长(16h实干),固化温度低限还太篼(1CTC左右),这都限制了涂敷施工条件。另外,内涂层的使用寿命仍是一个不完全令人放心的因素,据报道,内涂层之所以应用不广泛,原因之一就是其使用寿命还不能很好地确定,研究者致力于其使用寿命的评价,提出的一些试验方法还有待验证2.再者,目前液态环氧涂料的固体分多在40%50%,大量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,研制高固体分而又易于涂敷的涂料是个发展方向。不过无论如何,这类涂料毕竟有了10年以上的应用历史,有的长达40年,可以认为比较成熟。在合适的应用场合加上合适的涂敷条件,内涂层涂料还是有可供选择的余地。

  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应用了内涂层,其涂敷施工作业的水平是不言而喻的。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。对于已建管道需采用现场挤涂,表面机械清理、化学清洗和涂料涂敷分段由特制清管器完成。现场涂敷虽然不需专门车间和设备,但工艺复杂,质量难以控制,然而内补口可同时完成t25~2n.对于新钢管一般还是在工厂预制,其优点是涂层质量容易控制,周期短产量高,又可在钢管厂或防腐厂与外防腐作业联合进行。工厂预制也需要对管内壁先进行喷(抛)磨料的表面预处理,达到SISSa2. 5级表面要求后,再对液态环氧与固化剂混合物料实施无气喷涂。在工厂预制作业中,表面处理是保证涂层质量的关键步骤,对大口径管道,国外多采用机械式内抛丸除锈,在保证除锈质量的前提下,施工费用低,工作效率也完全满足连续作业的要求。有关认为,预制以减阻为主要目的的内涂层管道,一般不再做内补口,使用中对效能的影响可以忽略W16in.对于必须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麻烦,要依靠专门的技术与设备来解决3.根据多方面资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。

  根据目前掌握的资料可以看出,国外干线输气管道应用内涂层已经比较广泛,它们主要以提高流动效率为目的,同时获得了多方面的效益。内涂层技术在涂料和涂敷施工两方面都比较成熟,足以满足长距离、大口径管道的需要。相应的技术标准、规范和检测方法也有不少可供遵循。针对如何确定是否采用内涂层以及内涂层的实际效益估算,许多管道运营公司提出了技术经济评价的模式,颇有价值。在当前天然气大开发、干线输气管道大建设的时期,认真研究和汲取国外管道内涂层技术与应用经验,当是明智之举,肯定会大有裨益。

  本文得到了中国石油管道公司管道科技研究中心刘广文和中国石油天然气管道科学研究院焦如义的大力协助,一并致以谢意!

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