馬衛(wèi)鋒，羅金恒，陳志昕，蔡 克，張 華，趙新偉

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院安全評價與完整性研究中心，陜西西安 710065）

國外天然氣管道內(nèi)涂層評價技術(shù)研究進展

馬衛(wèi)鋒，羅金恒，陳志昕，蔡 克，張 華，趙新偉

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院安全評價與完整性研究中心，陜西西安 710065）

對新建、已建管道的內(nèi)涂層材料，服役運行后的內(nèi)涂層的完整性、安全性、可靠性進行評估具有重要意義。文章總結(jié)了國外近年來開展的天然氣管道增輸聯(lián)合工業(yè)項目JIP（Joint Industry Project）研究的最新部分成果，包括JIP目標、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，并提出了相應的建議。

天然氣管道；減阻內(nèi)涂層；評估技術(shù)；研究進展

0 引言

內(nèi)涂層對于管道的運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，降低動力消耗，降低管道的建設(shè)成本和運行維修費用[1-4]。國外研究表明，減少天然氣管道投資費用有兩個方面：確定最佳流量和減小流動摩擦阻力。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20 μm量級，但會以1～4 μm/a的速度增大，20年后基本上達到大于50 μm。一般來說，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、防護不當?shù)纫蛩氐挠绊?，涂層?jīng)常會出現(xiàn)一些常見的缺陷，比如：質(zhì)點、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。因此對于涂層的評估就顯得尤為重要。目前，對于內(nèi)涂層的實驗評估技術(shù)還是屬于比較前沿的，國內(nèi)還沒有這方面的研究，國外已經(jīng)開展了部分針對管道內(nèi)涂層的實驗，主要有英國ADVANTICA與法國IFP兩個公司的實驗技術(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營商主要關(guān)注的問題，雷諾數(shù)對壁面粗糙度的影響很大，包括相對較高的資本和運營成本。而ADVANTICA流體研究中心是一個面向石油和天然氣工業(yè)的測試和科研設(shè)備公司，從屬于英國國家天然氣傳輸流動中心系統(tǒng)，由世界最大的高壓天然氣流動設(shè)備公司——英國天然氣建立。其測試場地運行25年以來，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。測試場地可以操作的壓力范圍為3～6 MPa，流動速率為1.5萬～300萬scmd（standard cubic meter of dry gas，標準立方米干氣），測試系統(tǒng)長達90 m，能夠模擬實際的工作條件，包括大部分商業(yè)管道全尺寸測試，且逆流和順流測試均可，測試部件直徑范圍為25～900 mm。場地的許多測試管道操作靈活，可以最大限度地模擬實際環(huán)境，不確定容積流量測試范圍0.21%～0.29%，該流體中心具有600組實驗設(shè)施，可以提供300～2 500項實驗測試作業(yè)。

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

1 JIP目標

JIP有四個基本目標：

（1）提供關(guān)于有無內(nèi)涂層管道壓力損失的預測模型 （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測技術(shù)，并將該技術(shù)應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）提高對復雜現(xiàn)象的認識，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供應商的影響。

（4）顯著減小天然氣管道的投資成本和運行維護成本。主要研究途徑包括應用涂層技術(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，摩擦因子會隨流體的成分不同既有可能增加也有可能減小。JIP主要測試以下兩個方面的內(nèi)容，并得出了相應結(jié)論。

（1）全新的環(huán)氧涂層和聚酰胺11涂層。研究發(fā)現(xiàn)，當管道內(nèi)壁物理粗糙度相同時，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品的使用，摩擦因子明顯增大，但對于其他化學品，這種影響可以忽略。

空氣動力學測試借助IFP于2000年研制的旋轉(zhuǎn)柱體設(shè)備來完成，其工作原理如下：由設(shè)備內(nèi)部旋轉(zhuǎn)式噴灌器產(chǎn)生的測試用高速氣體 （壓力最高達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行測量。該設(shè)備一直采用惰性氣體運行，但現(xiàn)在已經(jīng)改進，可以采用生產(chǎn)氣體進行測試；另外，為了提高設(shè)備的精確性和可重復性，測量流動阻力的傳感器數(shù)量由原來的一個增加到三個，每個皮托管至少有兩個微分壓力傳感器，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，急需評估：

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

（2）測試具有不同材料成分內(nèi)涂層的潛在候選者。

空氣動力學測試選用氮氣、甲烷氣和甲烷—二氧化碳混合氣。測試項目如表1所示：

表1 服役前涂層材料和不同氣體的空氣動力學性能測試

隨著服役期的延長，環(huán)氧類涂層的摩擦因子會輕微或者顯著地增大，因此，很有必要評估服役涂層在許多化學品環(huán)境下的行為。測試項目如表2所示。結(jié)果表明，隨著甲醇和三甘醇兩種化學品的使用，摩擦因子明顯增大，但對于其他化學品，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力學性能測試

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。

當物理粗糙度低到接近于0時，摩擦因子減小的程度較大。根據(jù)Colebrook和White聯(lián)合方程式，當雷諾數(shù)為3×107（大多數(shù)天然氣管道）、粗糙度從20 μm減小到5 μm時摩擦因子減小20%。而當粗糙度進一步從 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)，并當粗糙度由20 μm減小到1 μm時，摩擦因子減小大約30%。

超光滑的第一個優(yōu)點在于能夠減小摩擦因子，第二個好處是減少管道內(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，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20%。

4 內(nèi)涂層表面結(jié)構(gòu)調(diào)整

為了實現(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的管道測試裝置。表面調(diào)整和超光滑技術(shù)均應用到表面改性技術(shù)中。

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

（1）內(nèi)表面管A端。

（2）長度為510 mm的測試圓柱體B（空氣動力學測試）。

（3）長度為100 mm的測試環(huán)C （物理化學測試）。

（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)

測試設(shè)備中的各個部分內(nèi)徑均為350 mm，表面調(diào)整設(shè)備在A端和D端均可運行操作。A端長于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和測試環(huán)C的內(nèi)涂層，圓柱體B和測試環(huán)C在涂層干燥后，可分別用于流動阻力測試和物理化學檢查。

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)，可對三種實驗方案進行分析和對比：

（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)修補的涂層。

5 結(jié)束語

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

但是，由于內(nèi)涂層技術(shù)在國內(nèi)研究應用起步較晚，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用。由于中國管道建設(shè)的長期性，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、清管檢測的磨損影響、內(nèi)涂層運行期質(zhì)量的評估和可靠性、內(nèi)涂層壽命影響分析及延長方法、內(nèi)涂層運行管理與檢測等均需要研究，目前國內(nèi)還沒有開展管道內(nèi)涂層評價技術(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，吸收國內(nèi)外研究成果，為今后國內(nèi)的天然氣管道內(nèi)減阻涂層評價、相關(guān)技術(shù)標準等改進提供技術(shù)參考，填補國內(nèi)空白。

[1]韓文禮，林竹，申強，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.國內(nèi)外管道內(nèi)壁涂層技術(shù)的綜述[J].油氣儲運，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，博士，目前從事天然氣管道減阻內(nèi)涂層及管道復合修復補強技術(shù)等研究工作。

2011-05-25