天然气管道内壁涂层的工艺技术研究.pdf

2 0 09正 第 2期 管 技 木 Pi p e l i n e Te c h ni q u e 5 镊 舌 a nd Eq u i p me n t 2 0 o 9 No ． 2 天然气 管道 内壁涂层 的工艺技术研究 王旺， 袁宗明 西南石 油大学 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 摘要 介绍 了管道 内壁绝对粗糙度在 工艺设计 中的取值； 然后从 天然气管道 内壁涂层对水力摩 阻 系数、 管输能力、 压缩机站站间距 、 压缩机功率 4个方面的影响， 从有、 无 内壁涂层 的两个情 况下， 采用 公式推导对工艺进行比较。结果显示 采用管道内壁涂层， 可以改善和提高天然气在管道中的流动特 性 ； 可以减少管道沿线压缩机站的数量 ； 可以降低输送的动 力成本和泵输成本； 可以提 高管输量； 可以 延长清管周期； 可以降低输送动力消耗和成本， 从而取得 良好的经济效益。 关键词 天然气管道； 内壁涂层 ； 水力摩 阻系数 ； 粗糙度； 输气量； 站间距 ； 压缩机功率 中图分类号 T E 8 3 2 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 9 0 2 0 0 0 7 0 3 Te c hn i c a l Re s e a r c h o n t h e I nn e r W a l l Co a t i ng o f Ga s Pi pe l i ne W ANG W a n g， YUAN Zo n g mi n g S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t F i r s t g i v e n i s a b ri e f i n t r o d u c t i o n t o t h e a b s o l u t e r o u g h h e s s o f t h e i n n e r w a l l o f g a s p i p e l i n e． a n d a n e x a mp l e o f h o w t o o b t a i n a p r e c i s e a b s o l u t e rou g h n e s s b y m e a n s o f g o i n g thr o u g h t h e e n gi n e e ri n g p a m p h l e t and l i t e r a t u r e ． S e c o n d i s an a p p l i c a t i o n o f a f o r m u l a d e d u c t i o n m e tho d f o r a c o mp a ri s o n o f t w o o p e r a t i n g m o d e s i n t e c h n o l o gi c a l d e s i g n w i th o r w i t h o u t i n s i d e c o a t i n g， a c o mp a r i s o n f o c u s e d o n f ri c t i o n c o e ff i c i e n t s ，t h e t h r o u g h p u t o f p i p e l i n e ， t h e d i s t a n c e o f c o mp r e s s o r s t a t i o n s a n d t h e c o mp r e s s o r s e f fi c i e n c y ． Th e r e s u l t p r o v e d the i n s i d e c o a t i n g c o u l d i mp r o v e t h e fl o w b e h a v i o r ， r e d u c e t h e am o u n t o f c o mp r e s s o r s t a t i o n s ， r a i s e t h e t h rou g h p u t o f p i p e l i n e ， p r o l o n g t h e pe ri od s o f p i g g i n g ， l o we r the c o s t s ， a n d a c q u i r e a c o n s i d e r ab l e e c o n o mi c b e n e fi t ． Ke y w o r d s g a s p i pel i n e ； i n n e r w al l c o a t i n g ； h y d r o e l e c t ri c f ri c t i o n c oeffic i e n t ； a b s o l u t e ro u ghn e s s ； t h r o u g h p u t o f p i pel i n e ； t h e d i s t an c c o f c o mp r e s s o r s t a t i o n s； c o mp r e s s o r e ffic i e n c y 0 引言 管道在涂敷 内涂层后 ， 可 以降低表面粗糙度 ， 从 而减小摩阻 、 增大输气量、 减少清管次数 、 减少 中间加 压站 的个数和压缩站的功耗 ， 因此 ， 内涂层技术 已经 广泛运用于各国输 气管道工程中。管道内涂层技术 的优点已被广泛认可， 为 了定量地分析在应用 内涂层 技术后， 对于水力摩阻系数 、 管道输量、 起点压力 、 压 缩站功耗等技术指标的影响 ， 文中从输气管道 内涂层 的工艺设计的角度， 对管道内涂层技术的优势作以简 述 。 1 输气管道工艺设计内壁粗糙度的取值 干线输气管道中 ， 天然气的流态大多处于阻力平 方区， 不满负荷时处在混合摩擦区。国内输气管道工 程设计规范中， 水力摩阻系数采用 C o l e b r o o k公式， 这 是一个适用于紊流各个 区的综合公式 ， 该公式是管 内 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 0 7 壁粗糙度 k与雷诺数 的函数。当输气管道 内壁粗 糙度值不同时， 水力摩阻系数的计算值会出现差异， 甚至影响到输气 管道管输能力和压气站驱 动功率的 计算。因此 ， 输气管道内壁绝对 当量 粗糙度的取值 是输气管道工艺计算中的一个不可忽视的问题 。 美国对气体管道绝对粗糙度 的估值 1 9 9 0年 如 下 新的干净 的裸管绝对粗糙度可取值在 0 ． 0 1 2 7 0 ． 0 1 9 m m之间 ； 用喷砂处理后的管道 ， 绝对粗糙度可 取值为 0 ． 0 0 7 6～ 0 ． 0 1 2 7 m m； 用清管器处理后 的管道 绝对粗糙度可取值为 0 ． 0 0 5 1 ～ 0 ． 0 0 7 6 m l n ； 用环氧粉 末或丙烯酸内涂层处理后的管道， 绝对粗糙度可取值 在 0 ． 0 0 5 0 8～ 0 ． 0 0 7 6 2 r f ll n之 间。 俄罗斯对气体管道绝对粗糙度的估值如下 对于 新而清洁的无缝钢管道 ， 绝对粗糙度取值为 0 ． 0 1～ 0 ． 0 2 m m之间 ； 对于使用了数年后的无缝钢管道 ， 取值 为 0 ． 0 1 5～ 0 ． 0 3 m m； 而采用新而清洁的焊接钢管 ， 绝 对粗糙度取值为 0 ． 0 3～ 0 ． 1 m m； 轻微腐蚀下 ， 经处理 8 Pi p e l i n e Te c h n i q u e a nd Eq u i p me n t Ma t ． 2 o o9 后的焊接钢管绝对粗糙度取值为0 ． 1 ～ 0 ． 2 mi l 1 ． 法国的输气管道设计手册对于绝对粗糙度的取 值是 清除后的裸管可在 0 ． 0 2～0 ． 0 5 m m之间取值； 而未经清除的裸管则在 0 ． 0 3～ 0 ． 0 5 mm间取值 ； 有 内 涂覆盖层的管道在 0 ． 0 0 5～ 0 ． 0 1 m m间取值。 加拿大的 N O V A公司对于裸管取值 0 ． 0 1 9 1 mm； 对在大气中暴露 了 1 2个月的管道 ， 绝对粗糙度取值为 0 ． 0 3 6 mm； 对于采用了内涂层 的管道 ， 绝对粗糙度取 值为 0 ． 0 0 6 4 mm ． 根据上述数据以及现场实际， 裸管粗糙度的取值 在 0 ． 0 2～ 0 ． 0 4 5 m m之 间是合理的； 而施加了内涂层 的管道内壁粗糙度明显要小很多 ， 一般可在 0 ． 0 0 7～ 0 ． 0 1 mm间取值。 目前 ， 在国内输气管道设计 规范中 ， 没有对输气 管道 内壁粗糙度作出规定和提出推荐值 的情况下 ， 一 般都建议在输 气管道工程设计 中， 对管道 内壁绝对 当量 粗糙度 k的取值为 输气 管道采用直缝钢管 时， 取 k 0 ． 0 2 m m； 输气管道采用螺旋缝钢管时 ， 取 k 0 ． 0 3 m m； 输气管道采用直缝钢管且采用环氧 内壁 覆盖层时 ， 取 k 0 ． 0 0 7 6 2 m m． 2 内壁涂层对水力摩 阻系数的影响 根据流体在管道 内流态的不同， 采用的水力摩阻 计算公式也随之不同， 文中只对输气管道工程设计中 最常用的计算水力摩 阻系数的 C o l e b r o o k公式进行讨 论 ， 以得到采用内涂层后的管道会对水力摩阻系数产 生的影 响。 C o l e b r o o k公式为 1 - 2 _0 l lg m2 ． 5 1 ／ 1 式中 A为水力摩阻系数 ； k为钢管 内壁绝对粗糙度 ， m； d为管内径 ， m； R e 为雷诺数。 R e1 ． 5 3 6 2 式中 △ 为天然气相 对密度 ； 为天然气动 力黏度 ， P a s ； g 为天然气体积流量。 以某干气 管道 为例 ， 令 d0 ． 6 9 2 m， q 9 9 ． 2 m ／ s ， △ 0 ． 5 8 ， 1 ． 2 21 0 ～P a s ， 代人式 2 ， 则 雷诺数为 Re--1 ． 5 3 6 _1 ． 04 6 81 0 0 6 9 2 1 2 2 1 0 ． ． 如果输气管道不采用内涂层 ， 取 k0 ． 0 2 m m， 将 上述各参数及 如 代入式 1 中， 由迭代法可求 出水力 摩阻系数 A 0 ． 0 0 9 9 ； 而当输气管道采用环氧树脂内 涂层时， 取 k 0 ． 0 0 7 6 2 mm， 将各 参数及 代入 式 1 ， 可得水力摩阻系数 A 0 ． 0 0 8 9 。因此 ， 在这条 输气管道采用了内涂层之后 ， 水力摩阻系数的减少值 为 AlA2 0． 0 09 90 ． 0 0 8 9 一一 Al 0． 0 09 9 l 0 ．1 ％ 同样 ， 不采用 内涂层时 ， 也可取值 k 0 ． 0 0 0 0 3 m， 并得到 A 0 ． 0 1 0 5 。 因此 ， 当管道 内壁绝对粗糙度增加时 ， 水力摩阻 系数会相应增加， 而采用了内涂层后， 会显著降低管 道内壁绝对粗糙度， 并最终 降低水力摩 阻系数 ， 最终 改善介质流动性能， 提高输送效率 ， 增大管输量。 3 内壁涂层对管输能力的影响 输气管道计算的基本公式 高程差小 于 2 0 0 m时 的输气公式 为 Q c -A L 3 式 中 Q为天然气在标况下的体积流量 ， m ／ s ； p 。 ， P 分 别为计算管段起点和终点压力 ， MP a ； D为管道 内径 ， m； T为管道中天然气平均温度 ， K； C为常数； 为管道 起终点的距离 ； z为天然气压缩系数 。 在其他条件相同的情况下 ， 可得 出输量 Q与水力 摩阻系数 A的关系。将 C o l e b r o o k公式代入式 3 ， 得 ㈩ 式 中 带0角标的表示有内涂层的情况 ； 没有角标的表 示没有 内涂层的情况 。 将其他的摩 阻系数计算公式 ， 如 P a n h a n d l e公式 A 百 代人式 3 ， 可得 5 将苏联 天然 气公 式 A 1 代 入式 3 ， 可得 害 6 可以看出， 无论用何种公式 ， 都可得 出 A 。Q ． 根据一些文献报道 ， 对于敷设前粗糙度为 4 5 m 的管道 ， 当粗 糙度 减少 9 0 ％ ， 摩 阻系数 降低 3 3 ％， 而输量可提高 2 4 ％。 4 内壁涂层对增压站站间距的影响 第 2期 王 旺等 天然气管道 内壁涂层的工艺技术研究 9 在输量 、 工作压 力以及其 他因素不变的情况下 ， 由式 3 可得 A 7 L。 A0 、 式中 L 为管道沿线 中， 其 中一个增压站与下一个增压 站之间的距离 同样 ， 因为 A 。 L o 。随着 内涂层 的运 用， 使用距离的增加 ， 增压站的站间距也相应增加， 这 样可以减少增压站的数量。据国外资料介绍 ， 在输气 管道使用内涂层后， 其增压站的数量可以减少 1 ／ 5 。 5 内壁涂层对压缩机功率消耗的影响 输气管道输气成本的重要部分就是 压缩 机的动 力消耗 ， 动力消耗是 以压缩机的功率来计算 的。一般 选用 的都是离心式压缩机， 在站压较高 ， 而输量较小 时， 宜用往 复式 压缩机。现 以使 用离心式 压缩 机为 例 ， 说明内涂覆盖层对压缩机功率的影响。 当输气管道压气机站采用离心机时 ， 压缩机功率 可以按式 8 计算 Ⅳ 4 ． 0 0 81 0 z B 7 “／ 一1 8 ， n l 一 一 一 式中 Ⅳ为压缩机功率， k W； m为多变指数 m1 ． 2 1 ． 3 ； T B为压缩机吸人 口温度 ， K； Z 为压缩机吸入口 处压缩系数 ； 叼为压缩机效率 ； 6为压缩 机压 比， 1 ． 41 ． 6。 由流量公式 3 可以得到高程差小于 2 0 0 m的情 况下， 管道压力与摩阻系数的关系式 9 plp2 ， 将式 9 左边分子分母同时除以P 得 l一 、 _ 旱 1 1 o ． A l一 将式 1 0 整理可以得到关于具有内涂覆盖层的 压缩 比式子 √ 1 1 因此 ， 可以得到 ， 对于高程差小于2 0 0 m的平原地 带 ， 有无内涂覆盖层的压缩机功率之比为 一 一 6 - - 6 z A _ A o A o 二 - 1 ／ ＼ r 一 占 m -I 一 1 同理 ， 地形起伏的输气量公式为 r [ P 一 p 22 1 a A h ] D 1 5 i A z △ [ 1 泓 _1 厶 】 j 3 式中 为输气管道计算段长度； 为空气的气体常数， 在标况下， R 2 8 7 ． 1 m 2 ／ s K ； A h为输气管道计算 段终点对起点的标高差 ， m； r t 为输气管道沿线计算的分 段数； 为各计算分段的终点标高， m； h 为各计算分 段的起点标高， m； L 为各计算分段的长度， m； i 表示地 形起伏的高程分别为 h ， h ， h ， ⋯， i 1 ， 2 ， ⋯． 同理 ， 根据式 1 3 得到地形起伏时有无 内涂覆盖 层的压缩机功率之比为 m 一1 一 1 Ⅳ 一 一 1一 s 【 而 】 。 一 【 J s 一1 C 1 Ah 1 4 由式 1 2 和式 1 4 可看出， 在使用内涂层后， 压 缩机的输气功率将降低。 6结束语 天然气管道内壁敷设内涂层后 ， 可以有效地改善 和提高天然气在管道 中的流动特性； 可以减少管道沿 线压缩机站的数量； 可以降低输送的动力成本和泵输 成本； 在一定程度上可以提高管输量； 可以延长清管 周期 ； 可以降低输送动力消耗和泵输成本 。 因此 ， 管道 内涂层技术具有 良好 的经济效益 ， 在 国外天然气管道已经普遍采用此技术 ， 并且取得较好 效益。国内也应该尽快掌握和发展天然气管道的内 涂层技术 ， 这将有利于天然气管道事业的发展。 参考文献 [ 1 ] 李长俊． 天然气管道输送． 北京 石油工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 沈善策． 输气管道采用内壁覆盖层时的工艺设计问题． 油 气储运， 2 0 0 0 ， 9 7 1 9 2 4 ． [ 3 ] 葛国防． 管道内涂层经济可行性分析． 油气储运， 2 0 0 3 ， 2 2 2 5 4 5 7 ． [ 4 ] 焦如义． 天然气长输管道内涂层应用技术研究． 油气储 运 ， 2 0 0 0 ， 1 9 1 1 1 5 ． [ 5 ] B E N A， E N G P ． J u s t i f i c a t i o n f o r i n t e rna l c o a t i n g o f n a t u r a l g a s p i p e l i ne ． OMAE，Vo l u me V，Pi p e l i n e Te c hn o l o g y， ASME， 1 9 9 5． [ 6 ] R A Y MO N D H C ． I n t e r n a l c o a t i n g o f g a s p i p e l i n e ． O i l G as 1 2 J o u rna l ， 1 9 5 9 4 1 31 7 ． 作者简介 王旺 1 9 8 3 一 ， 硕士研究生， 研究方向为油气集输及 加工处理 。