钢骨架塑料复合管在平台海水系统的应用解析

司红涛　刘吉飞　庄福佳

海洋石油工程股份有限公司,　天津　300451



钢骨架塑料复合管在平台海水系统的应用解析

司红涛刘吉飞庄福佳

海洋石油工程股份有限公司,天津300451

复杂多变的海洋环境和不同的输送工况介质,对金属管线的内外壁均有千差万别的腐蚀影响,腐蚀事故与案例不胜枚举,在海洋石油领域早已引起关注。钢骨架塑料复合管以优异的性能,低廉的造价,快速成为碳钢等材料的管道替代产品,能够很好地应用于海上石油平台海水系统。

钢骨架塑料复合管；海水；腐蚀；海洋石油平台

0　前言

海洋对于各种金属材料来说是一个非常严酷的腐蚀环境,根据不同海况对金属腐蚀的差异,海洋环境大致可分为五个区带：海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海底泥土区。海水是一种高含盐的强电解质溶液,由于含有大量的氯离子,因而对大多数金属结构具有较高的腐蚀活性[1]。腐蚀损坏经常危及海上平台设施、设备及管线的安全运行,由此造成的经济损失、事故隐患及其严重后果,一直困扰着海上设施的操作者和管理者,腐蚀事故与案例不胜枚举,在海洋石油领域早已引起关注[2]。在低压工况下,钢骨架塑料复合管(以下简称SRPE)以优异的性能,低廉的造价[3],快速成为碳钢管、不锈钢管、铜镍管等的替代产品,能够很好地应用在海上石油平台海水系统。

1　海水系统材料

海上石油平台海水管道系统管材的选择一直是个选择难题,常规金属材料耐腐蚀性能不理想,耐腐蚀金属材料非常昂贵,非金属管道耐腐蚀性能好,但也存在一些使用问题[4]。

1.1碳钢内涂层管道

碳钢管内涂锌、涂塑等内涂层管道强度高,管道的防腐蚀性能取决于涂层工艺和涂层过程的控制,制作过程复杂,涂层工艺质量不能较好保证,耐海水腐蚀效果不理想,不能全寿命使用[4-5]。

1.2碳钢内衬管道

碳钢管内衬塑、衬橡胶管道强度高,管道在使用过程中衬层容易脱离,其原因是衬层与金属管膨胀系数不一致,制造工艺质量控制不严,管道制作过程复杂,涂层工艺质量不能很好保证,耐海水腐蚀效果不理想,不能全寿命使用。

1.3合金、双相不锈钢管道

Cu/Ni合金、双相不锈钢管道强度高,在海水中有较好的耐腐蚀性,可以全寿命使用,但价格昂贵,费用是碳钢内涂层管道的十几倍,需进口,采办周期长。

1.4玻璃钢管道

玻璃钢管道(以下简称FRP)强度低,在海水中有较好的耐腐蚀性,但FRP的连接过程对施工工艺、环境、固化时间、施工人员的技术要求较高[6],FRP使用寿命一般在20年左右,FRP连接后耐压能力受各种因素影响较大,在试压过程以及有冲击的管道上易断裂、泄漏,易产生安全隐患和安全风险。FRP在以往项目的试压和调试中出现过一些问题,原因可能是由多种因素引起,如设计、材料、施工工艺、粘接液固化时间等。

渤海某海上石油平台,消防水系统采用FRP,管道施工由FRP提供方进行指导,FRP在平台试压时断裂,见图1。

东海某海上石油平台,消防海水系统采用FRP,管道施工由FRP提供方进行指导,FRP在起泵憋压时断裂,见图2。

1.5SRPE管道

图3　SRPE结构

SRPE是以钢网为增强骨架,塑料为内外层填充基体的双面防腐蚀材料复合管,由于SRPE结合了PE 80的耐腐蚀性与金属(钢丝)的高强度优势,管壁的内外层塑料通过管壁中间的金属钢丝网孔连接为一体(如同钢筋混凝土的结构形式)。其特性包括：管道的PE材料具有较强的抗老化能力,典型试验是50年,使用寿命长；具有较强的抗开裂能力、内壁光滑、抗磨性能较高；抗溶蚀性能好、耐腐蚀能力强；管道使用电熔连接,连接可靠(这点相对其他非金属管尤为突出)；管道可供性好、产品工业领域应用成熟；管道适用温度低(小于80 ℃),抗高温能力差、抗尖锐破坏能力差；SRPE 硬度低(相对于FRP)[7-8]。SRPE已在燃气、石油、化工等行业中逐渐使用。SRPE结构见图3。

2　SRPE在某海水系统的应用

2.1管道强度分析

2.1.1海水系统设计参数

设计压力：系统中最高设计压力1 350 kPa；

设计温度：30～40 ℃(除中冷器海水出口以外)[9-10]。

2.1.2SRPE管材特性

选用标准：HG/T 3690～3691-2001；

额定压力等级：1.6 MPa；

温度折减系数选取见表1[11-12]：0.9(30～40℃),0.86(40～50℃)；

SRPE管材耐压能力：额定压力×温度折减系数=1.6×0.9=1.44 MPa>1.35 MPa,1.6 MPa等级的SRPE管道材料满足设计参数要求。

表1公称压力修正系数

温度t/(℃)0

2.2设计性能要求

耐海水腐蚀性能：SRPE是耐海水腐蚀的特优材料[13]；

抗老化能力：SRPE具有较强的抗老化能力[13](优于FRP,使用寿命50年[14])；

温度限制：SRPE可在≤70 ℃环境长期使用；

抗振动、抗开裂能力：SRPE中PE材料具有典型的弹性和流体性的混合性能,具有较强的抗击低周振动的能力,SRPE是钢丝网和PE材料的熔合体,具有较强的抗蠕变和管道开裂的能力；

热膨胀：由于钢丝网的存在控制了PE材料的膨胀,SRPE与钢管有基本相同的膨胀系数；

使用损坏的可能性：SRPE抗尖锐和高热能力较差(平台日常作业,尖锐和火焰几率较小)；

试验方法：水压试验,方便易行；

气孔和渗透性：无气孔、不吸水(优于FRP)；

管道匹配性：与ASME标准元件匹配；

施工风险：风险低,管道连接接头可靠。

鉴于上述设计性能要求SRPE管道均能满足,选择1.6 MPa等级的SRPE材料即可适用于平台海水系统。且SRPE价格低,国内采购,采办周期短。

2.3SRPE选用要求

SRPE与其他管道在设计、施工、检验、使用上相比有其特殊性,具体选用要求如下。

2.3.1设计选用

1)SRPE的公称压力是以20 ℃条件下输水时(预期寿命50年)允许使用的最大压力。公称压力包括1.0、1.6、2.5、4.0 MPa共5个级别。随着管径的增大,承压能力会相应降低。

2)如果用于输水20 ℃以上的介质时,SRPE的最大许用应力,应考虑相应的压力折减系数。

3)SRPE兼有非金属管和钢管的优点,但刚度比钢管小,所以其支架的间距应小于同等规格的钢管,需参见厂家的推荐做法。尤其是法兰连接处,是整个管线系统的薄弱点,应在法兰连接处两侧均设置合适的支架。2个法兰连接面之间的阀门应考虑独立支撑,避免大的重量载荷作用在法兰上。

4)SRPE与支架的连接方式建议采用U形钢带方式。如果采用U形管卡,或者直接布置在刚性支架上,中间应加橡胶垫。

5)SRPE采用的非金属材料为高密度聚乙烯,其本身并不耐火。如果用于有耐火要求的场合,应采用外加耐火夹克的方式。

2.3.2SRPE安装

1)管材搬运时必须采用软保护吊装带进行装卸、严禁剧烈撞击,应小心轻放,排列整齐,不得抛摔和沿地拖拽。

2)SRPE安装采用专用连接机具和焊接设备,焊接电源必须符合焊接工艺要求。SRPE采用电熔连接时,严禁隔夜焊接。SRPE组装时,必须保证管材、管件连接部位(熔区)的清洁,不得污染[16]。

3)焊接完后在冷却过程中要让接头处于自然状态,且应保证冷却过程中不受外力作用,不得移动、转动接头部位及两侧管道。冷却时间应根据气候条件、管件大小等确定[16]。

4)法兰接口处存在金属法兰和非金属管端的连接，由于非金属材料刚性差,在法兰螺栓紧固时,应按照中心对称的原则,逐个紧固螺栓,同时各个螺栓的扭矩应一致。避免由于螺栓的受力不均,影响法兰的密封。

5)带密封水线的法兰端面为非金属材料,施工中应做好端部保护,避免受热及硬物的损伤。

2.3.3SRPE检验

1)支、吊架安装完毕,配置正确,紧固可靠。

2)要保证试压系统的严密性及其安全性能,应对管端堵板的严密性,弯头、三通和管道附件处支撑的牢固性进行认真检查和确认。

3)管道系统试压时,应分级升压,将管内水压缓慢升至试验压力的1/3,保压30 min；继续升压至试验压力的2/3,保压30 min,同时进行巡视检查；再升压至试验压力,保压10 min,再将试验压力降至设计压力,保压30 min,以压力不降,无渗漏为合格；压力波动范围一般在0.05～0.10 MPa。

4)在试压过程中,一旦发现法兰发生泄漏,必须在管道系统泄压后查找原因,如垫片不对中,螺栓受力不均,重新调整,严禁带压紧固螺栓。在管道系统试压后,所有的法兰螺栓应依次紧固一次,确保管道系统运行中法兰不泄漏。

2.3.4操作要求

运行过程应定期检查,尤其是在有较大压力和振动工况运行后,有针对性地对法兰部位进行检查,如发现有泄漏,应在减压后紧固法兰。

3　结论

通过上述解析,钢骨架塑料复合管以良好的耐腐蚀性、低廉的造价和安装便捷等优点,在某海水系统成功试用,并获得了项目客户和施工单位的认可,在海上石油平台海水系统可推广应用。但在使用同时也发现了一些问题,材料的性能有待进一步提高,如防火和阻燃性能应重点研究。

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2015-11-02

司红涛(1980-)，男，河南许昌人，工程师，学士，主要从事油气田总图与管道设计工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.004