长输天然气管道内涂层技术及其应用.pdf

2 0 0 9年 第 4期 警 披 术 Pi p e l i n e F e c h ni q ue 彳 曼 各 Eq u i p me n t 2 00 9 No ． 4 长输 天然气 管道 内涂层 技术及 其应用 陈耿 ， 潘代波。 ， 骆晖。 ， 季寿宏 ， 罗 勇 1 ． 中石化西南油气分公 司联益公 司 ，四川德 阳6 1 8 0 0 0 ； 2 ． 中石油北京油气调控 中心 ，北京1 0 0 1 0 1 ； 3 ． 中石 油四川科宏工程设计公司 ， 四川成 都6 1 0 2 1 5 ； 4 ． 浙江省天 然气 开发 有限公 司 ， 浙江杭州3 1 0 0 0 6 摘要 天然气长输管道 内壁采用覆盖层不仅 可以减 少管道的 内壁腐蚀 ， 而且可 以降低 管道 内壁粗 糙度， 减 少输 气时的摩 阻， 提 高输气量， 减少清管次数 ， 减 少中间加压站 ， 有效地降低压缩机功耗 ， 提 高 经济性。文 中分析 了采 用天然气管道 内涂层技术的必要性和优点以及 内涂层 的涂覆工艺和技术难点。 关键词 长输管道 ； 内涂层； 涂覆工艺 中图分类号 T E 8 3 2 ． 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 49 6 1 4 2 0 0 9 0 4 0 0 1 5 0 3 The Te c hno l o g y a nd App l i c a t i o n s o f Lo n g- di s t a n c e Na t u r a l Ga s Pi p e l i ne s I nt e r na l Co a t i ng CHEN Ge n g ’ ，P AN Da i b o ， L OU Hu i ， J I S h o u ． h o n g ， L UO Yo n g 1 ． L i a n y i C o mp a n y o f S o u t h w e s t C o mp a n y ， S i n o p e c ， D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． C N P C B e i j i n g Oi l Ga s C o n t r o l Ce n t e r ， B e i j i n g 1 0 0 1 0 1， C h i n a ； 3 ． S i c h u a n Ke h o n g En g i n e e r i n g Co mp a n y，Ch e n g d u 6 1 0 2 1 5，Ch i n a； 4 ． Na t u r a l Ga s D e v e l o p me n t C o ． ， L t d ． ， o f Z h e j i a n g ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t L o n g d i s t a n c e n a t u r a l g a s p i p e l i n e i n t e r n a l c o a t i n g c a n r e d u c e t h e p i p e wa l l c o r r o s i o n a n d r o u g h n e s s ， t h u s d e c r e a s i ng fri c t i o n a n d i nc r e a s i n g t h e vo l u me o f g a s，l o we r i ng t h e fre q u e nc y o f pi g g i ng，n u mbe r a n d p o we r o f t h e c o mpr e s s o r s t a t i o n s a nd i mp r o v i ng t h e e c o no my ．Th i s p a p e r a n a l y z e s t he ne c e s s i t y a nd a d v a n t a g e s o f t h e u s e o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e s i nt e r n a l c o a t i n g， t h e c o a t i ng p r o c e s s a n d t h e t e c h ni c a l pr o b l e ms a r i s i ng t he r e o f ． Ke y wo r ds l o n g d i s t a n c e n a t u r a l g a s pi pe l i ne；i n t e r na l c o a t i n g；c o a t i ng p r o c e s s 0 引 言 天然气管道 内涂技术 是在管道 内壁 喷涂 一定厚 度的环氧树脂 ， 不仅可 以避免管道 内壁在输送酸性气 体受到腐蚀 ， 而且能防止夹杂在气流中的其他污物杂 质沉积在被腐蚀的管道内壁边面上 ， 防止管道 的实际 流通面积减少 、 降低管道的输气能力。国外从 2 0世纪 6 0年代 以来 ， 就在长输管道 中采用 内涂技术 ， 且部分 国家规定新建设 的输气 管道 必须采 用 内涂 层技 术。 管道在喷涂内涂层后可降低气体输送时摩阻的 7 ％ ～ 1 4 ％ ， 在长距离大口径输气管道中可产生很好 的经济 效益 j 。 1 采用内涂减阻的必要性 天然气的输气干线能耗是相 当大的 ， 所 以节约燃 用天然气 ， 以降低天然气 的市场价格是管道输气 的重 要研究 内容。 收高 E t 期 2 0 0 9 0 21 9 收修改稿 日期 2 0 0 90 32 6 减少输气管道的能耗有两个途径 在设计 阶段优 化管道 的管径 、 工作压力和压 比的选择 ， 并且优化压 气站的设置及主机设备 的选择 ； 减少管道的输气摩擦 阻力损失 ， 也就是减少输气时所需要的压力 - 3 1 。现 在减少输气管道 的摩 阻损 失的唯一办法 就是在 管道 的内表面覆盖一层减阻 内涂层 。管道 内壁覆 盖一层 减阻内涂层后 ， 它的最主要 的作用就是降低水力摩阻 系数 ， 同时也降低 了输气时所需要 的输气压力。也就 是说 ， 减阻内涂层的作用在保持 既定的管径和输气量 的条件下 ， 减少全线管道的输气功率 ； 或者 已定 的全 管道的总功率下 ， 提高管道的输气量。对于大 口径 的 输气管道 ， 其效益是非常大的。 2涂料的组成及选择 管道 内涂技术 的主要功 能是减阻、 防蚀 。因此， 减阻内涂涂料 的性能基本要求主要有 黏结力、 渗透 性 、 耐磨性 、 耐压性 、 耐热性 、 化学稳定性和耐腐蚀性 及光泽度等。 1 6 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J u 1 ． 2 0 0 9 涂料的组成物质有很多， 可以分为成膜物 、 颜料 、 助剂和溶剂 4类， 其 中成膜物是必不 可少的。为了能 在管道内壁形成具有 良好性能的覆盖层 ， 涂料的组分 必须选择得当， 配方科学合理。国内的化工行业制定 按涂料的主要成膜物对涂料进行分类 ， 但在实际运用 中还按覆盖层成型时是否发生化学反应、 按涂料的防 护作用 、 及按涂料的物理形态进行分类 J 。 按 A P I 标准进行涂料的选择 ， 目前国内外一致的作 法是选用双组分液体环氧树脂 ， 属反应固化型。作为内 涂涂料 ， 它的粘结力、 耐磨性、 光洁度、 施工条件、 固化时 间等是主要因素， 但实际应用的成功经验也是不可忽视 的一项指标。据国外的涂覆公司介绍， 有些涂料按 A P I 标准检测没有问题 ， 但经不起实践的考验。 3 内涂层的涂覆工序 3 ． 1 内涂覆施工的基本程序 管道预热一表面处理一 除尘一端部胶带一 无气 喷涂一加速固化一检验一堆放 储存待运 。 3 ． 2 表 面处理 管道内壁表面处理是内涂前的必做工作 ， 表面处 理质量的好坏决定 了内涂覆盖层质量的好坏 ， 是内涂 技术 的关键工序。表面处理 的 目的是将管道 内表面 上的油污 、 轧制氧化皮及疏松的锈渣等附着物除掉 。 处理方法有机械法和化学法 2种 。 管子表面处理过程 中的周围环境 温度不应低 于 1 0℃ ， 相对湿度低 于 8 0 ％。喷砂处理后 ， 立 即用吸尘 器或干燥 、 洁净的压缩空气除去所有灰尘、 碎渣及砂 粒。对于已建管道 ， 内涂敷只能在现场进行。可采用 化学处理法 ， 该方法分为脱脂 、 酸洗 除垢 冲洗 、 磷酸 处理 、 水洗干燥等工序。经过表面处理 的内表面应立 刻进行表面内喷涂作业 ， 否则有了新锈还要再处理。 3 ． 3 内喷涂作业 无气喷涂是 内涂的可取方法 ， 喷涂应 在避 风 、 防 尘 、 防污条件下进行 ， 环境温度 、 湿度均应有一定 限 制 ， 以保证涂敷质量。管子表面环境温度在 1 0～ 6 0℃ 之间． 管子表面温度在整个过程中维持在 2 1 ～3 8 c 【 之 间。内涂敷层的厚度在5 0～ 6 5 tx m之间． 管端两头要 留有一定的非涂表面 ， 用 于管道焊接， 涂后经干燥后 ， 管端要盖上管帽， 防止灰尘污染 。 喷涂应在平台上进行 ， 管子通过旋转的管架进入 喷涂平台， 平台两端的箱罩将管子两端封闭， 当喷头 从远端返 回时 ， 开始喷涂环氧涂料 ， 喷嘴距管子表 面 0 ． 1 5 0 ． 5 0 m． 喷涂时， 支持应保持匀喷速运动。管子 旋转的速度和喷嘴移动速度应通过调试， 确保覆盖层 的设计厚度。 喷涂作业完成后 ， 管子继续旋转几 s ， 然后， 应立 即除去端部保护胶带。从带有测试 片的管子 内取 出 测试片并补涂。如果喷砂后不能立 即涂覆 ， 间隔时间 超过 8 h以上时 ， 表面会快速生成新锈 ， 在施工前必须 重新处理表面。必须进行常规检测 ， 确保形成完整的 膜厚 。 涂覆后的管子进入固化程序 ， 环境温度较高时可 自然固化。要求快速 固化的管子可采用热空气加热 固化 ， 根据生产速度可一根或几根同时进行。但加速 固化的设备 、 工艺必须符合技术规范的要求 。 4 减阻内涂技术实现的难点 4 ． 1 设计参数的选择 工程设计成功与否， 主要取决于参数选取是否准 确。过去未采用 内涂 ， 很少对钢管 内壁的粗糙度加以 考虑 ， 在输气管道工程设计规范 中， 对粗糙度的取值 也没有作 出规定 。通过调研发 现， 实测 钢管粗糙度 时 ， 不同的厂家、 不同的人员的结果差异很大 ， 很难用 于设计。用于工艺计算 的当量粗糙度又与介质的雷 诺数 、 压力流量等多种因素有关 ， 这方面的文献报道 已有不少 。为了控制内涂质量， 钢管内壁要采取表面 处理， 对于大口径管道 ， 经济的作法是抛丸， 处理后的 锚纹深度是设计的又一关键参数 ， 取 大了增加造价 ， 取小了粘结力受到影响， 这一参数还决定了内涂的厚 度。 4 ． 2内涂工艺的选择 在技术上“ 先 内后外 ” 和“ 先外后 内” 两种工艺方 案都是可行的， 目前 国外这两种工艺都有应用。“ 先 外后 内” 工艺要求相对简单 ， 只需 在管道传送装置上 采取保护措施就行 了， 内涂的所有工序均不会对外涂 造成损害。从外涂线上进入 内涂作业线 的钢管带有 一 定的温度 ， 可省去 内涂预热 的工序 ， 这样可节省设 备投资并 减少 了工 时。其 优点是 不需 两次搬运 钢 管 ； 外涂中的喷砂和淋水不会影响内涂 ； 涂料不需耐 高温 ； 可利用外涂的余热， 少一道加热程序。但施工 时要注意保护外涂不受破坏； 当外覆盖层损坏时责任 难定 ； 且内涂作业易损坏外覆盖层。“ 先 内后外” 工艺 的特点是 钢管可直接内涂 ， 制约因素少； 传动装置不 需用软垫 ； 可与外涂分 开作业。其不 足是涂料要 耐 第 4期 陈耿等 长输天然气管道 内涂层技术及其应用 1 7 2 5 0℃短时高温； 要 有初期加热装 置； 外涂前 ， 内涂覆 层要有一定的固化时间。 4 ． 3采用的标准 减阻内涂在 国内尚无实 践 ， 所 以没有相关标 准 ， 作为一项技术若要应用则必须制订标准 ， 在这个问题 上 ， 根据国家 的标准化政 策 ， 实 行 “ 等 同采用” 原则 。 在 2 0 0 0年 1 1月的西气东输 内涂技术研讨会上 ， 到会 的所有公司几乎全部采用了 A P I R P 5 1 2标准 ， 国家的 标准化政策允许直接 “ 等 同采用 ” 。A P I标准作 为内 涂技术的基本要求 ， 加上补充规定和设计文件 ， 基本 上可以满足管道建设工程上的需要 j 。 4 ． 4 设备选用 钢质管道 内涂设备分 3部分 表面处理、 涂覆 和 快速固化 。关键设 备是 前两部 分 ， 对 于 大 口径 的管 道 ， 表面处理采用抛丸技术是经济合理 的， 但据 了解 ， 国内还没有这类设备 ， 研 制难 度大 ； 涂覆设备是 以高 压无气喷涂为主 ， 作为 内涂专用 时， 则要求喷涂均匀 、 控制水平高。设备的选用既影响涂覆质量 的好坏 ， 还 将决定工程的进度和质量 ， 必须予以重视。 5 采用内涂层的优点 天然气管道 的减阻 内涂技术 是一项经济 效益显 著的技术 ， 虽然各 国的参数取值不尽相 同， 但结论一 致 ， 均认为初期 内覆盖层投入 的成本将会得到几倍 的 回报 ， 管径越大 、 线路越 长、 输气量越 大效益就越好 。 采用内涂层的效益主要体现在 以下几方面 1 在管径不变的前提下 ， 可提高输量 ， 降低管道 投资。管道 内涂后平均增加输气量约 1 6 ． 5 6 ％ 。根据 国外资料介 绍 ， 只要 内涂后 的输 气量 能 提高 1 ％ ～ 2 ％， 便可收 回内涂的费用 。 2 在输量一定 的前提下 ， 可缩小管径 ， 节约钢材 和施工费用。例如 ， 1 5 0 k m输气管道没有内涂时管径 为 D N 3 7 7 ， 有 内涂时管径 只需 D N 3 2 5 。两方案对 比， 内涂加上管材费用 比不加内涂的管材费用少 4 0万元。 3 可扩大增压站站 间距 ， 减少增 压站数量。管 道 内涂后 ， 增压站的站间距平均可增大约 3 2 ． 8 7 ％ ， 据 国外统计资料介绍， 输气管道使用内涂后其压气站数 量至少可减少 2 0 ％ 。 4 由于摩阻减小压缩机动力， 消耗减小。管道 内涂后 ， 输气动力可平均 降低 1 8 ． 8 9 ％ ， 据 资料介绍 ， 国外使用 内涂后 ， 输气动力消耗可降低 1 5 ％ ～ 2 0 ％。 5 可延长清管周期 、 减少清管次数 。 6 可减轻管内壁腐蚀保证介质纯度。 6 结束语 长输天然气 内涂层减 阻技术具有 良好 的技术 性 与经济性。以减 阻为 目的的天然气 内涂层技术是一 项很有推广价值的技术 。 首先 ， 国内各油田和民航系统对以防蚀为目的的内 涂技术均进行过开发利用， 并有成功的经验， 形成 了一 系列标准规范 ， 为推广减阻内涂提供 了可供借鉴的经 验 ； 其次 ， 国外几十年的实践为国内推广 内涂技术提供 了可靠的数据。国外的高性能涂料喷涂设备、 检验仪器 等可直接应用； 最后 ， 国内专业化 的管道防腐施工队伍 有丰富的外涂经验 ， 与外涂技术相 比， 内涂技术相对简 单 ， 即品种单一， 空间范围仅 限于管 内， 无需加热 ， 施工 条件较易控制。天然气 内涂层减阻技术在技术上是成 熟的， 经济上是有很大收益的。 参考文献 [ 1 ] 胡士信， 陈向新． 内涂技术在天然气长输管道的应用前 景． 石油规划设计 ， 2 0 0 0 5 1 4 ． [ 2 ] K L O H N C H． R e s u l t s o f F o l l o w U p T e s t s o n I n t e r n a l l y C o a ． t e d P i p e ． P i p e l i n e I n d u s t r y ， 1 9 6 0 4 ． [ 3 ] 胡士信， 董旭， 窦宏强． 西气东输干线管道减阻内涂技术． 材料 保护 ， 2 0 0 1 ， 3 4 1 0 1 4 ． [ 4 ] 张红兵， 刘志林， 郑云萍 ， 等． 管道内涂层涂敷技术及其应 用． 腐蚀科学与 防护技术 ， 2 0 0 3 1 5 2 1 0 71 1 0 ． [ 5 ] 赫连建峰 ， 陆琴芳， 刘金霞． 管道减阻内涂层的涂敷工艺 及质量控 制． 石油工程建设 ， 2 0 0 2 ， 2 8 2 5 7 ． [ 6 ] 杨晓鸿． 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