国外天然气管道内涂层评价技术研究进展.pdf

第3 8 卷第3 期 石 油工 { jf建 设 国外天然气管道 内涂层评价技术研究进展 马卫锋，罗金恒，陈志昕，蔡 克，张 华，赵新伟 中国石油集团石油管工程技术研究院安全评价与完整性研究中心，陕西西安7 1 0 0 6 5 摘要 对新建、已建管道的 内涂层材料 。服役运行后 的内涂层的完整性、安全性、可靠性进行 评估具有重要意义 文章总结了国外近年来开展的天然气管道增输联合工业项 目J I P J o i n t I n d u s ． t r y P r o j e c t 研 究 的最新部 分成 果 ， 包括 J I P 目标 、流体 与涂层 材 料 的交 互作 用 、流量提 高、 直径 3 5 5 ． 6 mm管道内涂层表面结构调整等．并提 出了相应的建议。 关键词天然气管道 减阻内涂层评估技术 ；研究进展 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 1 - 2 2 0 6 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 0 1 0 引言 内涂层对 于管道的运行有着十分重要的作用 ． 它能起到一定的防腐作用 ．更重要 的是能使管道 内 表面光滑 ，减少摩阻 ，增大输量 ，降低动力消耗 ， 降低管道的建设成本和运行维修费用[ 1 - 4 ] 国外研 究表明，减少天然气管道投资费用有两个方面 确 定最佳流量和减小流动摩擦阻力。众所周知 ．内涂 层可 以减小管壁粗糙度 ．但很 少有人知道涂层材 料本 身的特性对摩擦因子有很 明显的影 响 在安 装 初 期 ，裸 管 管 壁 粗糙 度 可达 2 0 m 量 级 ，但 会 以 1 4 i x m ／ a的速 度 增 大 ．2 0年 后 基 本 上 达 到 大 于 5 0 m。一般来说 ，内涂 层 的使用可 以得 到低 的水压粗糙度 ．第一次 内涂层 的应用至今 大约 已 经 5 O多年 ．研究发 现 ．内涂层 的状态在 服役 2 0 年后 几乎不变化 ，水压粗糙 度基本相 等。另外 ， 涂层的摩擦因子受两个主要参数影响 涂层表面状 态 和涂 层材 料组成 但是 ，由于管壁清理不干净 、涂膜不能很好地 流平、防护不当等因素的影响。涂层经常会出现一 些常见的缺陷，比如 质点 、气泡或针孔 、缩孔或 露底、凹坑、橘皮 、结皮或脱落、流挂 、流滴 、流 淌 、螺旋线、二次污染 、涂料缺陷、外力破损 、厚 度偏差等。因此对于涂层的评估就显得尤为重要 目前 ．对于内涂层的实验评估技术还是属于 比较前 沿的，国内还没有这方面的研究 ．国外 已经开展了 部 分 针 对 管 道 内 涂 层 的 实 验 ． 主 要 有 英 国 A D V AN T I C A与法国 I F P两个公司的实验技术 ．其 中 I F P正在研究有关天然气管道减阻的技术 天然 气管道压力损失是运营商主要关注的问题 ．雷诺数 对壁面粗糙度的影响很大 ．包括相对较高的资本和 运营成本 而 A D V A N T I C A流体研究 中心是一个面 向石油和天然气工业的测试和科研设备公司 ．从属 于英 国国家天然气传输流动中心系统 ．由世界最大 的高压天然气流动设备公 司英 国天然气建立 其测试场地运行 2 5年以来 ，由于其技术上的专业 、 高品质及迅速快捷 的服务得到 了世界范围的赞誉 测试场地可 以操作的压力范围为 3～6 MP a ．流动 速 率为 1 ． 5万 ～3 0 0万 s c rod f s t a n d a r d c u b i c i n e t e r o f d r y g a s ，标准立方米干气 ，测试系统长达 9 0 m， 能够模拟实际的工作条件 ．包括大部分商业管道全 尺寸测试 ，且逆流和顺流测试均可 ．测试部件直径 范围为 2 5～9 0 0 m m。场地的许多测试管道操作灵 活 ．可 以最大 限度地 模拟 实 际环境 ．不确 定容 积 流 量测试范围 0 ． 2 1 ％ ～0 ． 2 9 ％．该 流体 中心具有 6 0 0 组实验设施 ．可以提供 3 0 0～2 5 0 0项实验测试作 业 。 本文总结 了英 国 A D V A N T I C A和法国 I F P近年 来开展 的天然气管道增输联合工业项 目 J I P J o i n t I n d u s t ry P r o j e c t 研究的部分最新成果 对 内涂层 评估技术的研究具有重要意义 ．这些研究成果为国 内新建和已建管道内涂层材料的使用 ．服役运行后 的内涂层的完整性 、安全性 、可靠性评估打下坚实 2 石 t,b 工 程 建 设 2 0 1 2 年6 月 的基础 。 1 J I P目标 J I P有四个基本 目标 f 1 提供关于有无 内涂层管道压力损失 的预 测 模 型 新涂 层 和 服役 老涂 层 该模 型研 究 的主 要 内容包括 摩擦因子的变化与溶剂 型涂层干膜 厚度之间的关系 涂敷聚酰胺 l 1管道内涂层摩擦 因子研究 焊接接合引起 的压力损失研究 ；裸管 和 内涂 层 管 道 物 理 粗 糙 度 和水 压 粗 糙 度 之 间 的联 系以及服役涂层的摩擦因子和老化原因研究 2 在行业 内建立天然气管道压力损失预测技 术 ．并将该技术应用到更多的气体和液体。主要研 究方向包括 管道内涂层超光滑技术 ；管道 内涂层 表面结构 能够提高传输量 的涂层材料 。 3 提高对复杂现象的认识 ，尤其是气体和涂 层材料之间的交互作用．并且该相互作用明显影响 摩擦因子和流体 的传输。主要研究不同涂层材料的 影响、不同气体类型的影响和化学供应商的影响。 4 显著减小天然气管道的投资成本和运行维 护成本。主要研究途径包括应用涂层技术 、新涂层 材料的开发和表面结构调整技术 下 面介绍 和 总结 J I P比较有 特色 的研究 成果 。 2 流体 与涂 层材 料的 交互作 用 众所周知 ．摩擦因子强烈依赖于流体的成分和 管 道 内壁材料 的耦 合 与管道 内壁 相 比较 ，摩 擦 因 子会 随流 体 的成 分 不 同 既有 可 能 增 加 也 有 可 能 减 小 J I P主要测试 以下两个方面的内容 ．并得出了 相应结 论 1 全新 的环氧涂层和聚酰胺 1 1 涂层 。研究 发现 ．当管 道 内壁物理 粗糙 度相 同时 ．摩擦 因子 明 显减小 。 2 服役的环氧涂层。随着 甲醇和四甘醇两种 化学品的使用 ．摩擦因子明显增大，但对于其他化 学 品 ．这 种影 响可 以忽略 。 空气动力学测试借助 I F P于 2 0 0 0年研制 的旋 转柱体设备来完成 ．其工作原理如下 由设 备内 部旋转式喷灌器产生 的测试用高速气体 压力最 高达 l O MP a ．经过 内壁涂敷涂层 的外 圆筒 减慢 其速度 ．外圆筒的水压粗糙度根据 内鼓室和外圆 筒之 间气体的速度进行测量 。该设备一直采用惰 性气体运行 ．但现在已经改进 ．可以采用生产气体 进行测试 另外，为了提高设备的精确性和可重复 性 ，测量流动阻力 的传感器数量 由原来 的一个增加 到三个 ，每个皮托管至少有两个微分压力传感器 ． 见 图 1 。 图 l旋 转 枉 体 设 备 不 惫 环氧 类 型涂 层 和 聚酰 胺 1 1 涂 层 的摩擦 因子 明 显低于钢管 内壁和惰性气体的摩擦因子 因此 ，急 需评估 1 涂层材料的空气动力学性能 采用的气体 成分接近于实际生产气体成分 2 测试 具有不 同材 料成 分 内涂 层 的潜在候 选 者 。 空气动力学测试选用氮气 、甲烷气和甲烷一二 氧化碳混合气 测试项 目如表 1 所示 表 1 服役前涂层材料和不 同气体的 空气动力学性能测试 溶剂型 无溶剂型 涂层测试气体 聚酰胺 1 1 聚氨酯涂层 环戴涂层 环氧涂层 氮气 、 ／ 、 ／ 、 ／ 、 ／ 甲烷 、 ／ 、 ／ 、 ／ 、 ／ I- h 一低 C O 2 、 ／ 、 ／ 、 ／ 、 ／ C H r 高 C O 2 、 ／ 、 ／ 、 ／ 、 ／ 随着服 役期 的延长 ．环 氧类 涂层 的摩擦 因子 会 轻微或者显著地增大 ．因此 ，很有必要评估服役涂 层在许 多化 学 品环境下 的行 为 测试项 目如表 2所 示 结果表明．随着 甲醇和三甘醇两种化学品的使 用 ，摩擦 因子 明显增 大 ，但 对于 其他 化学 品 ，这 种 影 响可 以忽视 表 2 服役后涂层材料和不 同气体的空气动力学性能测试 服役涂层空气 溶麴型 无溶剂 型 聚酰胺 1 1 聚氨酯涂层 动力学测试 环氧涂层 环氧涂 屡 三甘醇测试 、 ／ 、 ， ／ 、 ／ 、 ／ 甲烷测试 、 ／ 、 ／ 、 ／ 、 ／ 注 甲烷测试在每种涂层服役一周 和一月后进行 3 管道 系统 直径 3 5 6 mm流量提高 传统工艺涂敷 的管道内涂层 ，其表面粗糙度大 ■ 第 3 8卷第 3期 马卫锋等 国外天然气管道内涂层评价技术研究进展 3 约在 1 5～2 0 m，可以在其施工过程中经过特殊的 处理小幅度减小 ．但也可能在其他过程中增大。 当物理粗糙度低到接近于 0时 ．摩擦 因子减 小 的程度较大。根据 C o l e b r o o k和 Wh i t e联合方程 式 ．当雷诺数为 31 o ] 大多数天然气管道 、粗 糙度从 2 0 L L m减小 到 5 m时摩擦因子减小 2 0 ％。 而 当粗 糙 度 进 一 步 从 5 m 减 小 到 1 m，摩 擦 因子 能够再 次 降低 1 0 ％ 从 图 2和 图 3可 以看 出 ．摩擦 因子 的增加依赖于雷诺数 ．并 当粗糙度 由2 0 m减 小到 1 m 时 ，摩擦 因子减 小大约 3 0 ％。 瀑 辎 世 制 黜 图 2 涂层表面超光滑技 术形成摩擦 因子减小和表面调 整 技术促其进一步减小 的情况 水压粗糙度， L L m 图 3 管道内壁粗糙度从 0增加到 4 0 p , m 引起 的摩擦 因子 增加的情况 超光滑的第一个优点在 于能够减小摩擦 因子 ． 第二个好 处是减少管道 内部沉积物的聚积 ．减少 石蜡 、水垢 以及 延缓水 合 物 的形 成 同时 ，涂层 表 面 组 织 结 构 的 改 变 也 可 以 显 著 减小摩擦 因子。对 于传统 的二维结构表面 ．理想 的光 滑 表 面摩 擦 因子 可 以减 小 1 0 ％ 另 外 ．使 用 优化 的 三维结构 形状 ．摩 擦 因子 可 以减小 达 2 0 ％ 4内涂 层表面 结构 调整 为 了实 现 内涂 层表 面超 光 滑 和 表 面结 构 调整 ． 研制 了适合于直径为 3 5 6 m m的管道测试装置 表 面调整和超光滑技术均应用到表面改性技术中 表面调整设备 由 C o u r b i s 公司设计 见 图 4 ． 主要 包括 1 内表面管 A端。 2 长度为 5 1 0 mm的测试圆柱体 B 空气动 力 学测试 3 长 度 为 1 0 0 m m 的测 试环 C 物理 化 学测 试 。 4 内表面 管 D端 。 测 试 环 C 注 B为圆柱体用 于空气 动力学测试 C为环形 用于物理 化学测试 。 图 4 直径为 3 5 6mm 管道的内涂层表面结构调整系统 测试设备 中的各个部分 内径均为 3 5 0 IT l m．表 面调整设备在 A端和 D端均可运行操作 A端长 于 D端的 目的在于使表面调整设备完全或者部分 越过圆柱体 B。 可以利用调整工具以传统的方式涂敷圆柱体 B 和测试环 C的内涂层 ．圆柱体 B和测试环 C在涂 层干燥后 ．可分别用于流动阻力测试 和物理 化学 检查 。 根据建议 ．圆柱体 B可 以涂敷两种类 型的涂 层 溶解环氧涂层和聚 乙烯涂层。根据表 面调整 技术 ，可对三种实验方案进行分析和对比 1 传统方式涂敷圆柱体 B，提供一种参考的 涂层 表面 2 圆柱体 B涂敷超光滑涂层。 3 圆柱体 B涂敷具有小部分结构修补 的涂 层 。 5结束语 经过几 十年 的应用 和发展 ．内涂层技术 已经 在 国外许 多国家普遍应 用 ，有些 国家甚至规定 不采用 内涂层的新输气管道不准投产 特殊情况 除 外 。另外 ，国外 已经 开 展 了许 多针 对 管道 内涂 层 的实验 ．主 要有英 国 A D V A N T I C A与 法 国 I F P两 个公司的实验技术 ．其对 内涂层管道压力损失减 小的测试和表面改进技术 、涂层老化 、腐蚀测试 、 磨损测试 、涂层与流体 的交互作用及涂层修复等 方面展开 了研究 但 是 ． 由 于 内涂 层 技 术 在 国 内研 究 应 用 起 步较晚 ．2 0 0 0年管道 内壁减 阻涂层首先在西气东 4 石 油l 程 建 设 输 干线管道工程上应用 由于中国管道建设 的长 期性 ． 目前所 有大 口径 管道均采用 内涂 层技术 ． 内壁减 阻 涂层 在管道 内的状况 、失 效 因素 、清 管检 测 的磨损 影 响 、内涂层运 行期 质 量 的评估 和可 靠 性 、内涂 层 寿命 影 响分 析及 延 长 方 法 、 内涂层 运 行管 理与检 测等 均需 要研 究 ． 目前 国 内还没有 开展管道 内涂 层评价技术研 究 的先例 ． 使得 具有 内涂 层 的管道 完整性 管 理工 作受 到极 大 的制约 ．非常有 必要 加大 研究力 度 ．吸收 国 内外 研究 成果 ．为今后 国内的天 然气 管道 内减 阻涂 层评 价 、相关 技术标 准 等改进 提 供技 术参 考 ．填 补 国 内 空 白 参考 文献 [ 1 】韩文礼， 林竹 ， 申强 ， 等． 管道涂层 防腐蚀 技术的现状与展望『 J ] ． 石 油工程建设 ， 2 0 0 3 ， 2 9 2 1 4 ． [ 2 12 张宗荣． 国内外管道 内壁涂层技术的综述田． 油气储运 ， 1 9 8 5 ， 4 3 41 - 46 ． [ 3 ]王晶岩 ， 黄骁卓 ， 林竹 ， 等． 输气管道 内减阻涂料 在西气东输工程 中的应用[ J 1 ． 石油工程建设 ， 2 0 0 4 ， 3 0 3 1 6 1 8 ． [ 4 ]4 胡士信 ， 陈 向新． 天然气管道减阻 内涂层技术【 M】 ． 北京 化学工业 出 版 社． 2 0 0 3 ． 2 3 ． 简介作 者 马卫锋 1 9 7 9 一 ，男 ，陕西周 至人 ，3 -- ． 程 师 ， 2 0 0 9年毕业 于西北工业大学 ，博士 ， 目前从 事天然 气管道 减 阻内涂层及 管道复合修复补 强技术等研究工作。 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 5 “ t一 一 ’ 一 ”、 ； 信息综括 { k． ． ． ． ． ．． ． 我国 “ 海洋石油 9 8 1 “深水钻井平台在南海正式开钻 2 0 1 2年 5月 9日．随着 中国首座代表 当今世界最先进水平的第六代半潜式深水钻井平 台 “ 海洋石油 9 8 1 ”的钻头在南海荔湾 6 1区域 1 5 0 0 m深的水下探入地层 ．标志着我 国海洋石油工业 的 “ 深水 战略” 由此迈 出了实质性 的一 步 。 近年来 ．我国能源供应与消费关系矛盾 日趋突出。2 0 1 1 年 中国原油对外依存度达到 5 6 _ 3 ％，天然气 对外依存度为 2 1 ． 5 ％．随着中国工业化进程的不断推进 ，预计未来油气对外依存度还将进一步提升。而国 际油价的居高不下 ．使得国内油气资源供应的局面 日益严峻。因此 ，国内迫切需要发现具有战略接替性 的油气 开发新 领 域 我 国陆地和海洋浅水 区都经历 了 4 0至 5 0年的勘探 ，勘探程度较高 ．发现新的大型油气接替领域相 当困难 而南海油气资源储量丰富 ，占我 国油气总资源量的 1 ／ 3 ，其 中 7 0 ％蕴藏于 1 5 3 ． 7万 k m 的深水区 域 ．可以成为我 国油气的重要接替领域 。但 由于 自然环境恶劣、开发技术难度大、成本高以及其他一些 原因．南海 的深水油气资源一直没有得到有效开发。 为进军南海深水 ．中国海洋石油总公司打造 以 “ 海洋石油 9 8 1 ”为旗舰的 “ 深水舰队” ，作为中国首 次 自主设计、建造的超大型第六代 3 0 0 0 13 3_ 深水半潜式钻井平台， “ 海洋石油 9 8 1 ”代表 了当今世界海洋 石油钻井平台技术的最高水平 ，创造了多项世界第一的纪录。 “ 海 洋石 油 9 8 1 ”主要 用 于南海 深水 油 田的勘 探钻井 、生产 钻 井 、完井 和修井 作 业 。该 平 台设 计建 造 关键 技术 攻关 被 列入 “ 十 一五 ”期 间 国家重 点 “ 8 6 3 ”项 目和 国家科 技 重大专 项 ，是 高科 技发 展规 划 的重 点项 目．中国海油拥有 自主知识产权 。该平台的成功建造和使用 ，填补 了中国在深水钻井特大型装备项 目上 的 空 白。 “ 海洋石油 9 8 1 ”深水钻井平台长 1 1 4 m。宽 8 9 m，高 1 1 7m，最大钻井深度 1 00 0 0I T I ，最大作业水深 3 0 0 0 m．配备了国际最先进的第三代动力定位系统 ，可以在南海等海域进行钻井作业 。 据悉．“ 海洋石油 9 8 1 ”在正式开钻前 已经过两个月安全高效 的试运行 ，如今在南海正式开钻 ，使中 国成为第一个在南海 自营勘探开发深水油气资源的国家 ，表明中国的深水作业能力领先于亚洲其他国家 。 拥有独立深水油气勘探开发能力 。对有效开发南海深水油气资源具有非常积极 的意义 ，也为与周边 国家 合作勘探开发深水油气提供了坚实的技术基础。 本 刊 摘 录