國(guó)外天然氣管道內(nèi)涂層評(píng)價(jià)技術(shù)研究進(jìn)展

馬衛(wèi)鋒，羅金恒，陳志昕，蔡 克，張 華，趙新偉

（中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院安全評(píng)價(jià)與完整性研究中心，陜西西安 710065）

國(guó)外天然氣管道內(nèi)涂層評(píng)價(jià)技術(shù)研究進(jìn)展

馬衛(wèi)鋒，羅金恒，陳志昕，蔡 克，張 華，趙新偉

（中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院安全評(píng)價(jià)與完整性研究中心，陜西西安 710065）

對(duì)新建、已建管道的內(nèi)涂層材料，服役運(yùn)行后的內(nèi)涂層的完整性、安全性、可靠性進(jìn)行評(píng)估具有重要意義。文章總結(jié)了國(guó)外近年來(lái)開展的天然氣管道增輸聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目JIP（Joint Industry Project）研究的最新部分成果，包括JIP目標(biāo)、流體與涂層材料的交互作用、流量提高、直徑355.6 mm管道內(nèi)涂層表面結(jié)構(gòu)調(diào)整等，并提出了相應(yīng)的建議。

天然氣管道；減阻內(nèi)涂層；評(píng)估技術(shù)；研究進(jìn)展

0 引言

內(nèi)涂層對(duì)于管道的運(yùn)行有著十分重要的作用，它能起到一定的防腐作用，更重要的是能使管道內(nèi)表面光滑，減少摩阻，增大輸量，降低動(dòng)力消耗，降低管道的建設(shè)成本和運(yùn)行維修費(fèi)用[1-4]。國(guó)外研究表明，減少天然氣管道投資費(fèi)用有兩個(gè)方面：確定最佳流量和減小流動(dòng)摩擦阻力。眾所周知，內(nèi)涂層可以減小管壁粗糙度，但很少有人知道涂層材料本身的特性對(duì)摩擦因子有很明顯的影響。在安裝初期，裸管管壁粗糙度可達(dá)20 μm量級(jí)，但會(huì)以1～4 μm/a的速度增大，20年后基本上達(dá)到大于50 μm。一般來(lái)說，內(nèi)涂層的使用可以得到低的水壓粗糙度，第一次內(nèi)涂層的應(yīng)用至今大約已經(jīng)50多年，研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)涂層的狀態(tài)在服役20年后幾乎不變化，水壓粗糙度基本相等。另外，涂層的摩擦因子受兩個(gè)主要參數(shù)影響：涂層表面狀態(tài)和涂層材料組成。

但是，由于管壁清理不干凈、涂膜不能很好地流平、防護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，涂層?jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些常見的缺陷，比如：質(zhì)點(diǎn)、氣泡或針孔、縮孔或露底、凹坑、橘皮、結(jié)皮或脫落、流掛、流滴、流淌、螺旋線、二次污染、涂料缺陷、外力破損、厚度偏差等。因此對(duì)于涂層的評(píng)估就顯得尤為重要。目前，對(duì)于內(nèi)涂層的實(shí)驗(yàn)評(píng)估技術(shù)還是屬于比較前沿的，國(guó)內(nèi)還沒有這方面的研究，國(guó)外已經(jīng)開展了部分針對(duì)管道內(nèi)涂層的實(shí)驗(yàn)，主要有英國(guó)ADVANTICA與法國(guó)IFP兩個(gè)公司的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其中IFP正在研究有關(guān)天然氣管道減阻的技術(shù)。天然氣管道壓力損失是運(yùn)營(yíng)商主要關(guān)注的問題，雷諾數(shù)對(duì)壁面粗糙度的影響很大，包括相對(duì)較高的資本和運(yùn)營(yíng)成本。而ADVANTICA流體研究中心是一個(gè)面向石油和天然氣工業(yè)的測(cè)試和科研設(shè)備公司，從屬于英國(guó)國(guó)家天然氣傳輸流動(dòng)中心系統(tǒng)，由世界最大的高壓天然氣流動(dòng)設(shè)備公司——英國(guó)天然氣建立。其測(cè)試場(chǎng)地運(yùn)行25年以來(lái)，由于其技術(shù)上的專業(yè)、高品質(zhì)及迅速快捷的服務(wù)得到了世界范圍的贊譽(yù)。測(cè)試場(chǎng)地可以操作的壓力范圍為3～6 MPa，流動(dòng)速率為1.5萬(wàn)～300萬(wàn)scmd（standard cubic meter of dry gas，標(biāo)準(zhǔn)立方米干氣），測(cè)試系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)90 m，能夠模擬實(shí)際的工作條件，包括大部分商業(yè)管道全尺寸測(cè)試，且逆流和順流測(cè)試均可，測(cè)試部件直徑范圍為25～900 mm。場(chǎng)地的許多測(cè)試管道操作靈活，可以最大限度地模擬實(shí)際環(huán)境，不確定容積流量測(cè)試范圍0.21%～0.29%，該流體中心具有600組實(shí)驗(yàn)設(shè)施，可以提供300～2 500項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試作業(yè)。

本文總結(jié)了英國(guó)ADVANTICA和法國(guó)IFP近年來(lái)開展的天然氣管道增輸聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目JIP（Joint Industry Project）研究的部分最新成果，對(duì)內(nèi)涂層評(píng)估技術(shù)的研究具有重要意義，這些研究成果為國(guó)內(nèi)新建和已建管道內(nèi)涂層材料的使用，服役運(yùn)行后的內(nèi)涂層的完整性、安全性、可靠性評(píng)估打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 JIP目標(biāo)

JIP有四個(gè)基本目標(biāo)：

（1）提供關(guān)于有無(wú)內(nèi)涂層管道壓力損失的預(yù)測(cè)模型 （新涂層和服役老涂層）。該模型研究的主要內(nèi)容包括：摩擦因子的變化與溶劑型涂層干膜厚度之間的關(guān)系；涂敷聚酰胺11管道內(nèi)涂層摩擦因子研究；焊接接合引起的壓力損失研究；裸管和內(nèi)涂層管道物理粗糙度和水壓粗糙度之間的聯(lián)系以及服役涂層的摩擦因子和老化原因研究。

（2）在行業(yè)內(nèi)建立天然氣管道壓力損失預(yù)測(cè)技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用到更多的氣體和液體。主要研究方向包括：管道內(nèi)涂層超光滑技術(shù)；管道內(nèi)涂層表面結(jié)構(gòu)；能夠提高傳輸量的涂層材料。

（3）提高對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，尤其是氣體和涂層材料之間的交互作用，并且該相互作用明顯影響摩擦因子和流體的傳輸。主要研究不同涂層材料的影響、不同氣體類型的影響和化學(xué)供應(yīng)商的影響。

（4）顯著減小天然氣管道的投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。主要研究途徑包括應(yīng)用涂層技術(shù)、新涂層材料的開發(fā)和表面結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)。

下面介紹和總結(jié)JIP比較有特色的研究成果。

2 流體與涂層材料的交互作用

眾所周知，摩擦因子強(qiáng)烈依賴于流體的成分和管道內(nèi)壁材料的耦合。與管道內(nèi)壁相比較，摩擦因子會(huì)隨流體的成分不同既有可能增加也有可能減小。JIP主要測(cè)試以下兩個(gè)方面的內(nèi)容，并得出了相應(yīng)結(jié)論。

（1）全新的環(huán)氧涂層和聚酰胺11涂層。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道內(nèi)壁物理粗糙度相同時(shí)，摩擦因子明顯減小。

（2）服役的環(huán)氧涂層。隨著甲醇和四甘醇兩種化學(xué)品的使用，摩擦因子明顯增大，但對(duì)于其他化學(xué)品，這種影響可以忽略。

空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試借助IFP于2000年研制的旋轉(zhuǎn)柱體設(shè)備來(lái)完成，其工作原理如下：由設(shè)備內(nèi)部旋轉(zhuǎn)式噴灌器產(chǎn)生的測(cè)試用高速氣體 （壓力最高達(dá)10 MPa），經(jīng)過內(nèi)壁涂敷涂層的外圓筒減慢其速度，外圓筒的水壓粗糙度根據(jù)內(nèi)鼓室和外圓筒之間氣體的速度進(jìn)行測(cè)量。該設(shè)備一直采用惰性氣體運(yùn)行，但現(xiàn)在已經(jīng)改進(jìn)，可以采用生產(chǎn)氣體進(jìn)行測(cè)試；另外，為了提高設(shè)備的精確性和可重復(fù)性，測(cè)量流動(dòng)阻力的傳感器數(shù)量由原來(lái)的一個(gè)增加到三個(gè)，每個(gè)皮托管至少有兩個(gè)微分壓力傳感器，見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)柱體設(shè)備示意

環(huán)氧類型涂層和聚酰胺11涂層的摩擦因子明顯低于鋼管內(nèi)壁和惰性氣體的摩擦因子。因此，急需評(píng)估：

（1）涂層材料的空氣動(dòng)力學(xué)性能 （采用的氣體成分接近于實(shí)際生產(chǎn)氣體成分）。

（2）測(cè)試具有不同材料成分內(nèi)涂層的潛在候選者。

空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試選用氮?dú)?、甲烷氣和甲烷—二氧化碳混合氣。測(cè)試項(xiàng)目如表1所示：

表1 服役前涂層材料和不同氣體的空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試

隨著服役期的延長(zhǎng)，環(huán)氧類涂層的摩擦因子會(huì)輕微或者顯著地增大，因此，很有必要評(píng)估服役涂層在許多化學(xué)品環(huán)境下的行為。測(cè)試項(xiàng)目如表2所示。結(jié)果表明，隨著甲醇和三甘醇兩種化學(xué)品的使用，摩擦因子明顯增大，但對(duì)于其他化學(xué)品，這種影響可以忽視。

表2 服役后涂層材料和不同氣體的空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試

3 管道系統(tǒng) （直徑356 mm）流量提高

傳統(tǒng)工藝涂敷的管道內(nèi)涂層，其表面粗糙度大約在15～20 μm，可以在其施工過程中經(jīng)過特殊的處理小幅度減小，但也可能在其他過程中增大。

當(dāng)物理粗糙度低到接近于0時(shí)，摩擦因子減小的程度較大。根據(jù)Colebrook和White聯(lián)合方程式，當(dāng)雷諾數(shù)為3×107（大多數(shù)天然氣管道）、粗糙度從20 μm減小到5 μm時(shí)摩擦因子減小20%。而當(dāng)粗糙度進(jìn)一步從 5 μm減小到 1 μm，摩擦因子能夠再次降低10%。從圖2和圖3可以看出，摩擦因子的增加依賴于雷諾數(shù)，并當(dāng)粗糙度由20 μm減小到1 μm時(shí)，摩擦因子減小大約30%。

超光滑的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠減小摩擦因子，第二個(gè)好處是減少管道內(nèi)部沉積物的聚積，減少石蠟、水垢以及延緩水合物的形成。

同時(shí)，涂層表面組織結(jié)構(gòu)的改變也可以顯著減小摩擦因子。對(duì)于傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)表面，理想的光滑表面摩擦因子可以減小10%。另外，使用優(yōu)化的三維結(jié)構(gòu)形狀，摩擦因子可以減小達(dá)20%。

4 內(nèi)涂層表面結(jié)構(gòu)調(diào)整

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)涂層表面超光滑和表面結(jié)構(gòu)調(diào)整，研制了適合于直徑為356 mm的管道測(cè)試裝置。表面調(diào)整和超光滑技術(shù)均應(yīng)用到表面改性技術(shù)中。

表面調(diào)整設(shè)備由Courbis公司設(shè)計(jì) （見圖4），主要包括：

（1）內(nèi)表面管A端。

（2）長(zhǎng)度為510 mm的測(cè)試圓柱體B（空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試）。

（3）長(zhǎng)度為100 mm的測(cè)試環(huán)C （物理化學(xué)測(cè)試）。

（4）內(nèi)表面管D端。

圖4 直徑為356 mm管道的內(nèi)涂層表面結(jié)構(gòu)調(diào)整系統(tǒng)

測(cè)試設(shè)備中的各個(gè)部分內(nèi)徑均為350 mm，表面調(diào)整設(shè)備在A端和D端均可運(yùn)行操作。A端長(zhǎng)于D端的目的在于使表面調(diào)整設(shè)備完全或者部分越過圓柱體B。

可以利用調(diào)整工具以傳統(tǒng)的方式涂敷圓柱體B和測(cè)試環(huán)C的內(nèi)涂層，圓柱體B和測(cè)試環(huán)C在涂層干燥后，可分別用于流動(dòng)阻力測(cè)試和物理化學(xué)檢查。

根據(jù)建議，圓柱體B可以涂敷兩種類型的涂層：溶解環(huán)氧涂層和聚乙烯涂層。根據(jù)表面調(diào)整技術(shù)，可對(duì)三種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析和對(duì)比：

（1）傳統(tǒng)方式涂敷圓柱體B，提供一種參考的涂層表面。

（2）圓柱體B涂敷超光滑涂層。

（3）圓柱體B涂敷具有小部分結(jié)構(gòu)修補(bǔ)的涂層。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，內(nèi)涂層技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外許多國(guó)家普遍應(yīng)用，有些國(guó)家甚至規(guī)定：不采用內(nèi)涂層的新輸氣管道不準(zhǔn)投產(chǎn) （特殊情況除外）。另外，國(guó)外已經(jīng)開展了許多針對(duì)管道內(nèi)涂層的實(shí)驗(yàn)，主要有英國(guó)ADVANTICA與法國(guó)IFP兩個(gè)公司的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其對(duì)內(nèi)涂層管道壓力損失減小的測(cè)試和表面改進(jìn)技術(shù)、涂層老化、腐蝕測(cè)試、磨損測(cè)試、涂層與流體的交互作用及涂層修復(fù)等方面展開了研究。

但是，由于內(nèi)涂層技術(shù)在國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用起步較晚，2000年管道內(nèi)壁減阻涂層首先在西氣東輸干線管道工程上應(yīng)用。由于中國(guó)管道建設(shè)的長(zhǎng)期性，目前所有大口徑管道均采用內(nèi)涂層技術(shù)，內(nèi)壁減阻涂層在管道內(nèi)的狀況、失效因素、清管檢測(cè)的磨損影響、內(nèi)涂層運(yùn)行期質(zhì)量的評(píng)估和可靠性、內(nèi)涂層壽命影響分析及延長(zhǎng)方法、內(nèi)涂層運(yùn)行管理與檢測(cè)等均需要研究，目前國(guó)內(nèi)還沒有開展管道內(nèi)涂層評(píng)價(jià)技術(shù)研究的先例，使得具有內(nèi)涂層的管道完整性管理工作受到極大的制約，非常有必要加大研究力度，吸收國(guó)內(nèi)外研究成果，為今后國(guó)內(nèi)的天然氣管道內(nèi)減阻涂層評(píng)價(jià)、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等改進(jìn)提供技術(shù)參考，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

[1]韓文禮，林竹，申強(qiáng)，等.管道涂層防腐蝕技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].石油工程建設(shè)，2003，29(2):1-4.

[2]張宗榮.國(guó)內(nèi)外管道內(nèi)壁涂層技術(shù)的綜述[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1985,4（3）:41-46.

[3]王晶巖，黃驍卓，林竹，等.輸氣管道內(nèi)減阻涂料在西氣東輸工程中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2004,30(3):16-18.

[4]胡士信，陳向新.天然氣管道減阻內(nèi)涂層技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.2-3.

Foreign Research Progress about Internal Coating Assessment Technique of Natural Gas Pipeline

MA Wei-feng（Safety and Integrity Assessment Center， CNPC Tubular Goods Research Institute， Xi’an 710065， China），LUO Jin-heng，CHEN Zhi-xin，et al.

It is important to assess the integrity， safety and reliability of the internal coating of a newly or already constructed pipeline.This paper summarizes partially the newest research results of Joint Industry Project （JIP） performed by some foreign countries in recent years， which include the main objectives of the JIP，the interaction between fluid medium and coating material，the flow increment and the internal coating surface restructuring ofD355.6 mm pipeline，then it puts forward corresponding suggestions.

natural gas pipeline;resistance-reducing internal coating;assessment technology;research progress

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.001

簡(jiǎn)介作者：馬衛(wèi)鋒 （1979-），男，陜西周至人，工程師，2009年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，博士，目前從事天然氣管道減阻內(nèi)涂層及管道復(fù)合修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)等研究工作。

2011-05-25