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复杂地形长输管道外防腐设计

2020-05-21 21:05:02  来源:http://www.xcastonline.com  编辑:admin

复杂地形长输管道外防腐设计

  防腐保温复杂地形长输管道外防腐设计12马国光付志林(西南石油学院)(中国石油西南油气田分公司川西北气矿恒丰天然气公司)杨静张友波(西南石油学院)(成都市天然气经济研宄所)马国光付志林等:复杂地形长输管道外防腐设计,油气储运,2005,杂地形条件下的长输管道外防腐要求提出了设计要点,即应综合考虑环境条件和施工条件,通过技术与经济分析来确定管道外防腐层。

  主题词长输管道复杂地形外防腐设计目前,国内外石油天然气主要通过长距离埋地管道进行输送,长输管道敷设在复杂的环境中,因受土壤中大气、水质及酸碱盐介质的影响,极易发生电化学腐蚀作用而报废。据测算,在山区和水网等复杂地区,管道外防腐工程造价较平原地区约高出60%.深入开展复杂地形条件外防腐设计的技术经济研究,对长输管道的经济运行和使用寿命都具有十分重要的意义。

  一、长输管道外防腐设计现状埋地管道腐蚀形式主要表现为电化学腐蚀,防止其外腐蚀的最有效方法是采用管道外防腐层和阴极保护相结合的双层保护体系。其中,以外防腐层保护为主(占99%),阴极保护为辅,当外防腐层选择不当时,阴极保护将不能发挥作用。管道外防腐层种类较多,包括石油沥青防腐层、煤焦油瓷漆防腐层、环氧煤沥青防腐层、聚乙烯胶粘带防腐层、聚乙烯防腐层、熔接环氧粉末涂层以及硬质聚氨酯泡沫防腐保温层等。随着管道向极地、海洋、冻土、沼泽及沙漠等复杂地形环境延伸,对管道外防腐设计提出了更严格的要求。因此,在管道外防腐材料研究中,都着眼于发展复合材料或复合结构,如三层PE结构、双层FBE结构等,以期进一步提高管道外防腐层的防护性能(如具有良好的介电性能、物理性能、稳定的化学性能及较宽的温度适应性能等),并达到防腐、保温、加强度等多种目的〔〕。

  1、管道外防腐材料的基本要求通常,管道外防腐层材料的基本性能要求有以下几个方面。

  良好的电绝缘性,防腐层相对两面之间一定面积的电阻不应小于10000D*m2,耐击穿电压强度不得低于电火花检测仪检测的电压标准。

  防腐层应有耐阴极剥离强度的能力。

  足够的机械强度。有一定的抗冲击强度,以防止由于搬运和土壤应力而造成损伤;有较好的抗弯曲性,以确保管道施工时受弯曲而不致损坏;有较好的耐磨性,以防止由于土壤摩擦而损伤;针入度达到足够的指标,应确保涂层可抵抗较集中的负荷;与管道有良好的粘接性。

  良好的稳定性。耐大气老化性能和化学稳定性好;耐水性好,吸水率低;有足够的耐热性,确保其在使用温度下不变形、不流淌、不加快老化速度;耐低温性能好,确保其在堆放、拉运和施工时不龟裂、不脱落。

  防腐层破损后易于修补。

  2、防腐性能指标及评价目前,国内外对防腐性能的评价往往是定性评价或重要性评价,为正确选择涂层,现推荐采用独立试验室评价对防腐材料性能进行分析。加拿大NOVA公司材料质量监督部门1983年在BHRA第五届国际管子内外涂层保护会议上提出一份独立试验室评价报告,该报告后来为许多公司所引用。

  Roychem公司也是用此法进行评价,他们通过试验研究,制定外防腐材料选择的技术标准〔2(见表1和在对具体的管道工程进行防腐设计时,应根据管道外防腐层的性能和要求,对照各种防腐材料的物理化学性质,对防腐层的选择提出一个主导性的意见。表3给出了几种管道外防腐层的性能对比结果3〕。

  表1外防腐层最低性能要求抗冲击(J)土壤多石地段剪切粘结强度抗弯曲抗穿透性耐土壤硬度%应力耐阴极剥离半径耐温耐水及化学介质4010无变化最高运行4级温度表2外防腐层检测方法及要求性能方法备注抗冲击保证搬运、施工中的机械损伤及多石土壤的冲击,Raychem研宄的019mm的石砾,从2m的高处下落产生0.56J冲击能剪切粘结强度抗纵向应力、钢管热胀冷缩抗环向应力、土壤干/湿交替应力抗弯曲ANSIB31.4,大于508mm管子的最大弯曲度为30D,加上安全余量,要求暂时弯曲变形达到一定的度数硬度反映抗动载荷能力、岩石、沙漠腐蚀及擦伤抗穿透性反映抗静载荷能力,管子自重及回填土自重的压力及岩石穿透耐土壤应力抗粘性土干/湿交替应力耐阴极剥离适应阴极保护耐温耐水及化学介质根据土壤介质环境选择化学介质4级为无明显影响表3几种外防腐层材料的性能对比结果抗冲击性抗穿透性抗(弯曲耐土壤应力耐阴极剥离半径耐温耐水性石油沥青差煤焦油瓷漆中挤出聚乙烯中熔结环氧粉末优聚乙烯胶粘带稍有折皱中3、常用管道外防腐材料性能特点环氧粉末涂层的强粘结性能、良好的耐阴极剥离性常用的管道外防腐材料包括石油沥青防腐层、煤焦油瓷漆防腐层、聚乙烯防腐层等7种,每种防腐层均有其相应的特点,现只对其中三种进行介绍。

  聚乙烯防腐层技术是目前国内外埋地管道外防腐主要技术体系之一,近二十年来在国内埋地长输管道上获得了广泛应用。三层PE防腐层既有熔结能,又有PE良好的机械性能和抗透湿性能。表4列出了加拿大某公司提供的三层PE应用情况。

  我国过去都采用两层结构的聚乙烯(PE)防腐层,从1995年开始应用三层结构的聚乙烯防腐层(3PE)。目前,己在陕京输气管道、库鄯输油管道共计有2000km使用了三层PE,近几年建设的西气东输管道、涩宁兰管道、兰成渝管道等国家重点工程也大多采用了三层PE防腐层,累计超过6在国内己经形成了广泛的应用趋势。

  表4 3PE防腐层应用情况管道胶粘剂(Um)聚乙烯(mm)总厚度玻利维亚一巴西意大利美国熔接环氧粉末涂层熔接环氧粉末涂层(FBE)与金属的粘结力很好,抗阴极屏蔽和阴极剥离能力强,无污染、抗弯曲性能好、耐土壤应力好,但由于热喷涂价格较高,涂装过程要求也十分严格。在我国的大型管道(例如库鄯输油管道)及新疆、西北等地的输油、输气管道和黄河穿越管道外防腐上己得到了应用,取得了较好的防护效果,是一种可为管道提供长期保护的防腐材料。

  煤焦油瓷漆防腐层煤焦油瓷漆具有吸水率低、电绝缘性能好、抗细菌腐蚀等特点,是国内外用于管道防腐的主要材料之一。但其属于热塑性材料,存在低温脆性、高温流淌等缺点,在操作时中毒性较大,须采取适当的保护措施。目前,国内己在轮台一库尔勒(复线)、塔中一轮南原油与天然气管道、东海平湖陆上管道等工程中应用了煤焦油瓷漆防腐层。

  20世纪70年代以来,国内外在长输管道防腐材料研究中,着眼于发展复合材料或复合结构,逐步形成了聚烯烃、环氧树脂等高分子聚合物的防腐材料。80年代应用最成功的防腐材料是熔结环氧粉末,而90年代以来,熔结环氧粉末和由聚乙烯发展而来的三层聚乙烯成为了管道防腐的主导材料。目前,在国内己建长输管道上采用的防腐层以熔结环氧粉末、两层、三层聚乙烯防腐层为主,另外还有少量的煤焦油瓷漆;油田主要集输管道多采用熔结环氧粉末、三层聚乙烯防腐层;非主要管道上仍采用石油沥青防腐层;城市供水、供气管道则一般选用环氧煤沥青和聚乙烯胶粘带防腐层。

  表5给出了近年来国内外各类防腐层的应用情况,从中可以看出,熔结环氧粉末因其优异的防腐性能,一直是世界管道工程的首选防腐层材料,三层PE的应用也逐步得到认可,到1996年,其用量由1994年的13.46%上升到25.07%,居防腐材料总用量的第二位。与之相反的是,煤焦油瓷漆和石油沥青的用量呈下降趋势,特别是石油沥青材料,己逐渐被其它防腐材料所取代。

  表5近年各类防腐层应用情况年份环氧粉末%煤焦油瓷漆%二层PE三层PE石油沥青%环氧煤沥青胶粘带硬质聚氨酷%其它二、复杂地形长输管道外防腐设计对复杂地形条件下的管道防腐工程,必须根据管道的运行条件、土壤状况、施工环境和工艺以及经济合理性等各方面进行全面考虑,综合平衡,确保管道外防腐设计符合生产实际,满足管道运行寿命要求。以某输气管道为例,以下说明复杂地形条件下某输气管道沿线所经地区为低山丘陵、低洼积水滩地、平沙地、山前冲积平原等地形环境。在丘陵山区,石方地段较多,因此管道防腐层的选用首先要考虑防腐层在下沟回填过程中和运输过程中的机械破坏因素。机械强度性能是选用防腐层的先决条件,在这方面熔结环氧粉末、挤出聚乙烯、二层和三层PE占有优势。在低洼积水地段首先应考虑耐管道外防腐设计的具体要求。:alEleetroniepublis水耐化学腐蚀的H可选择环氧煤/沥青及煤焦油瓷漆。在通过平沙地地段时,由于气候干燥,降水量少,土壤中电阻率在20 *m以下,腐蚀性较强,应局部(约40km)加强防腐。在氯化物盐渍地段,应选择耐Cl-的涂层,这方面熔结环氧、三层PE及煤焦油瓷漆占优势。在碳酸盐型土壤地段,可考虑选择耐CO2的石油沥青涂层和聚乙烯胶粘带。在运行温度高的情况下,首先应考虑选用熔结环氧粉末。

  另外,由于该工程管道采用螺旋焊缝钢管,对焊缝处的涂层施工有较高质量要求,如果处理不好,将直接影响整个管道的防腐效果,带来安全隐患。对螺旋焊缝钢管,可以考虑选择煤焦油瓷漆涂层。应注意的是,在复杂地形环境下,长输管道所处环境恶劣、土壤腐蚀性强、社会依托差,在经济承受力允许的情况下,应尽可能选用综合性能好的防腐层,如3PE、BE等。

  结合上述分析,并依据当地环境条件和技术经验,选择的防腐层主要有煤焦油瓷漆、三层PE、熔结环氧粉末。这几种防腐层的技术、经济对比见表6.表6外防腐层材料技术经济分析型类价m2层度m)涂厚m适用温度补口施工工艺适用范围无较好煤焦油预制时较好瓷漆有烟气污染三层PE无较差一次喷涂施工大部分土壤环境,特别是简单,速度快,静电定向钻穿越及粘土地段,不适喷涂技术要求高用于碎(卵)石土壤、山区石方段和土壤含水高的地区大规模机械化大部分土壤地区,特别是作业,速度快,质量沙漠、戈壁、地下水位高、沼泽、好,效率高灌木丛林地段的土壤环境静电喷涂+挤大部分土壤环境,特别是出或缠绕包敷,大规碎(卵)石土壤、山区石方段、盐模机械化作业,施工碱地带、植物根茎发达地区,不要求高,新建作业线适用于架空和河流穿越段一次投资高通过技术经济对比并结合管道防腐工艺的要求,选择了防腐性能好、价格合理的煤焦油瓷漆作为该管道的主要外防腐材料,可保证焊缝处防腐处理的质量。虽然煤焦油瓷漆在预制过程中存在烟气污染问题,但在施工时使用的管子己涂装完毕,在敷设和回填过程中不存在污染,而且随着工业技术的发展,在生产和涂敷过程中都采用了一定的劳动保护措施。此外,在低山丘陵地段,在管道定向钻穿越河流及隧道穿越施工中,选用强度高、耐磨性好、表面摩擦阻力小的熔结环氧涂层。在石方地段和局部土壤腐蚀性强的地段(约40km),可采用机械性能好、耐磨、耐冲击、适用于复杂土壤环境的三层PE. 2、对复杂地区外防腐设计的几点建议针对复杂地形长输管道外防腐层的选择,在此提出以下建议。

  (1)技术可行性是选择防腐层的基本要求复杂地形长输管道外防腐层的选择应遵循“技管道所处地理环境,确定对防腐层性能的要求,在满足性能要求的基础上再考虑施工条件和施工方法等因素,以使管道得到长期的、完全的保护。

  在满足技术要求的前提下,还要综合考虑防腐材料的经济性,因为在复杂地形、地段施工,其工程造价远高于平原地区造价。应在施工环境允许的条件下,对防腐效果相同的各种涂层进行经济对比,提高管道外防腐设计的综合经济性。

  改善外防腐涂层的生产工艺环氧粉末具有良好的防腐性能,适用于大多数土壤环境。但由于价格高、涂层薄及施工要求高,对国内常用的螺旋焊缝管涂敷施工时很难保证质量。到目前为止,国内长输管道外防腐单独采用环氧粉末涂层的并不多,仅在定向钻穿越等特殊条件下使用。随着国产环氧粉末质量的提高,施工工艺的改进和完善,环氧粉末作为长输管道防腐涂层将得到节能环保油气集输系统能量分析龙凤乐3杨肖曦李松岩(中国石化胜利油田有限公司技术检测中心)(中国石油大学(华东))龙凤乐杨肖等:油气集输系统能量分析,油气储运,2005,24(12)算,并根据结果制定了提高集输系统能量利用率的措施,为集输系统的节能改造提供了科学的理论依据。

  主题词油气集输系统能量平衡效率分析油气集输系统自身消耗了大量的能源,特别是随着许多老油田开发难度的加,能耗逐年上升。节能降耗对石油企业而言是降低成本,提高经济效益的重要途径。开展节能工作,首先要进行能量分析,通过能量分析可以了解油气集输系统的用能现状、用能水平、节能潜力及节能效果,为以节能降耗为中心的技术改造提供可靠的科学依据。

  一、能量平衡法(1~3能量平衡法是建立在热力学第一定律的基础上的热力学分析方法。它对装置、过程和部门的能量转化、利用及损失情况进行分析,对能量数量的收支进行平衡,确定能量损失的数量分布,计算能量的利用效率。

  某油气集输系统是油田采用的最普通的集输流程,主要任务是对井排来液进行油气水分离,再将原油加热加压外输,天然气送到气网,污水送往注水站,油气集输系统生产流程见。

  油气集输系统整体能量平衡模型见。该系统入口为井排来液入口,出口为外输管网出口、三相分离器的天然气出口和一次沉降罐污水出口。该系统边界为各设备、管道的外表面,外部环境为大气。

  现对该系统建立能量平衡方程:结合实际采用多种外防腐工艺在对长输管道防腐层进行选择时,通常是一条管道只选用一种防腐层材料,这样有利于组织施工,但鉴于恶劣地段和普通地段的防腐要求不同以及经济性的考虑,一条管道经历不同地质单元时,可适当分段选用不同的防腐层。例如,涩宁兰管道全长950km,其中420km的管道使用了三层PE防腐层,其余则采用了煤焦油瓷漆防腐涂层。

  在进行长输管道外防腐设计时,应首先从技术方面考虑,选择的外防腐层应能确保管道防腐绝缘,延长管道使用寿命。此外,还应结合环境条件,确定对防腐层性能的要求,在满足性能要求的基础上再考虑防腐层施工的简便性、可行性和经济性,最后,通过全面衡量,对长输管道外防腐层的材料进行经济合理的选择。