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 710065）

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 710065）

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JIP（Joint Industry Project）研究的最新部分成果，包括JIP目标、流体与涂层材料的交互作用、流量提高、直径355.6 mm管道内涂层表面结构调整等，并提出了相应的建议。

天然气管道；减阻内涂层；评估技术；研究进展

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20 μm量级，但会以1～4 μm/a的速度增大，20年后基本上达到大于50 μm。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50多年，研究发现，内涂层的状态在服役20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ADVANTICA与法国IFP两个公司的实验技术，其中IFP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ADVANTICA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25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 MPa，流动速率为1.5万～300万scmd（standard cubic meter of dry gas，标准立方米干气），测试系统长达90 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25～900 mm。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0.21%～0.29%，该流体中心具有600组实验设施，可以提供300～2 500项实验测试作业。

本文总结了英国ADVANTICA和法国IFP近年来开展的天然气管道增输联合工业项目JIP（Joint Industry Project）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的基础。

1 JIP目标

JIP有四个基本目标：

（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11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JIP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。JIP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11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IFP于2000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10 MPa），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1 旋转柱体设备示意

环氧类型涂层和聚酰胺11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—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

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

3 管道系统 （直径356 mm）流量提高

传统工艺涂敷的管道内涂层，其表面粗糙度大约在15～20 μm，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Colebrook和White联合方程式，当雷诺数为3×107（大多数天然气管道）、粗糙度从20 μm减小到5 μm时摩擦因子减小20%。而当粗糙度进一步从 5 μm减小到 1 μm，摩擦因子能够再次降低10%。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20 μm减小到1 μm时，摩擦因子减小大约30%。

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10%。另外，使用优化的三维结构形状，摩擦因子可以减小达20%。

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356 mm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Courbis公司设计 （见图4），主要包括：

（1）内表面管A端。

（2）长度为510 mm的测试圆柱体B（空气动力学测试）。

（3）长度为100 mm的测试环C （物理化学测试）。

（4）内表面管D端。

图4 直径为356 mm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350 mm，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ADVANTICA与法国IFP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，2000年管道内壁减阻涂层首先在西气东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。

[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，2003，29(2):1-4.

[2]张宗荣.国内外管道内壁涂层技术的综述[J].油气储运，1985,4（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].石油工程建设，2004,30(3):16-18.

[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,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

简介作者：马卫锋 （1979-），男，陕西周至人，工程师，2009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。

2011-05-25