李寧

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán) 天津天然氣管道有限責(zé)任公司，天津 300450）

0 引 言

相比傳統(tǒng)能源，天然氣具有多種優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、日常民用等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。陸地長(zhǎng)距離天然氣輸送多采用鋼質(zhì)管道的方式。管道輸送的天然氣含有酸性氣體、水汽等雜質(zhì)時(shí)，易在鋼質(zhì)管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕反應(yīng)，使管道局部壁厚減薄，造成安全隱患。

內(nèi)涂層可有效減緩管道內(nèi)腐蝕的發(fā)生，同時(shí)提升天然氣的輸送效率。管道內(nèi)涂層技術(shù)應(yīng)用條件復(fù)雜，國(guó)外技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)目前實(shí)際應(yīng)用較少。

本文對(duì)天然氣管道內(nèi)涂層的可用材質(zhì)、優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)分析，嘗試為相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供幫助。

1 內(nèi)涂層的材質(zhì)

可用的天然氣管道內(nèi)涂層材質(zhì)分為有機(jī)和無(wú)機(jī)2 種。有機(jī)材質(zhì)技術(shù)發(fā)展較為成熟，經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)用較多，無(wú)機(jī)材質(zhì)是近年來(lái)開始研究發(fā)展的新技術(shù)。有機(jī)材質(zhì)有液體環(huán)氧涂料、粉末環(huán)氧涂料、酚醛環(huán)氧樹脂、煤焦油環(huán)氧樹脂等；無(wú)機(jī)材質(zhì)有耐腐蝕金屬涂層、陶瓷類涂層、類金剛石碳膜、玻璃鋼等。

1.1 有機(jī)材質(zhì)

1.1.1 液體環(huán)氧涂料

環(huán)氧樹脂是最常用的一種液體環(huán)氧涂料，具有經(jīng)濟(jì)性好、涂敷效率高、附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)氧樹脂涂層有環(huán)氧和樹脂2 種組分，環(huán)氧為固化劑，起固化和活化的作用；樹脂為基礎(chǔ)涂層。2 種組分都是液態(tài)，使用時(shí)將2 種組分混合，用雙組份噴涂裝置進(jìn)行管道涂敷。環(huán)氧樹脂涂料涂敷前不需要預(yù)加熱，2 種組分等量混合，工作溫度范圍大，固化時(shí)間長(zhǎng)，噴涂工藝操作相對(duì)簡(jiǎn)單。

環(huán)氧樹脂內(nèi)涂層技術(shù)成熟，在國(guó)外應(yīng)用廣泛。1958 年美國(guó)田納西管道公司首次進(jìn)行了環(huán)氧樹脂管道內(nèi)涂層實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析得到管道內(nèi)涂層可使天然氣輸送效率提高6%。

挪威北海天然氣管道（管道長(zhǎng)度443 km，管徑914 mm） 采用厚度為0.08 mm 的環(huán)氧樹脂內(nèi)涂層，馬格里布-歐洲天然氣管道（管道長(zhǎng)度1 352 km，管徑1 219 mm） 采用厚度為0.05 mm 的環(huán)氧樹脂類涂料進(jìn)行內(nèi)涂敷。

1.1.2 粉末環(huán)氧涂料

環(huán)氧粉末涂層原料包括固體環(huán)氧樹脂、固化劑、催化劑、助催化劑、流平劑、顏填料等。環(huán)氧樹脂涂料和鋼質(zhì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生牢固的化學(xué)鍵結(jié)合，附著力強(qiáng)。經(jīng)高溫熔融、固化形成的一種熔結(jié)式環(huán)氧粉末防腐層具有極強(qiáng)的黏結(jié)力。環(huán)氧粉末涂層具有黏結(jié)力強(qiáng)、防腐層牢固、耐腐蝕性好、耐陰極剝離性好等優(yōu)點(diǎn)。常見的環(huán)氧粉末涂層有單層和雙層2 種。

單層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層抗沖擊損傷能力有限，隨著防腐涂層厚度的增加，涂層的抗沖擊、抗彎曲能力下降，所以通常控制涂層厚度在合適的范圍以保證管道的內(nèi)防腐性能。

雙層環(huán)氧粉末涂層是在單層的基礎(chǔ)上增加塑性材料，提高涂層的抗沖擊能力。雙層環(huán)氧粉末涂層采用環(huán)氧粉末作為外層，常規(guī)防腐粉末作為內(nèi)層，抗損傷能力強(qiáng)，耐高溫性好。環(huán)氧粉末材質(zhì)作為天然氣管道外防腐涂層應(yīng)用廣泛。20 世紀(jì)50 年代，單層環(huán)氧粉末涂層首次在管道外防腐層中得到應(yīng)用，20 世紀(jì)90 年代，單層環(huán)氧粉末外防腐涂層在管道防腐措施中應(yīng)用量處于首位。雙層環(huán)氧粉末外涂層由美國(guó)公司開發(fā)，至今已應(yīng)用超過10 a。環(huán)氧粉末內(nèi)防腐涂層存在安裝周期長(zhǎng)、成型工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，目前技術(shù)尚不成熟，實(shí)際應(yīng)用不多。

1.1.3 酚醛環(huán)氧樹脂

酚醛環(huán)氧樹脂內(nèi)防腐涂層具有耐熱性好、抗酸性好等優(yōu)點(diǎn)，但其材質(zhì)本身內(nèi)應(yīng)力大、質(zhì)脆、耐沖擊性差，已逐漸被新型材質(zhì)取代。1940 年美國(guó)西德克薩斯州首次采用酚醛環(huán)氧樹脂作為原油管道內(nèi)防腐涂層。

1.2 無(wú)機(jī)材質(zhì)

1.2.1 耐腐蝕金屬涂層

耐腐蝕金屬涂層是將Zn、Sn、Cd、Pb、Al 等金屬材料利用電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、熱滲鍍等方式覆蓋于管道內(nèi)壁形成防腐層的方法。

金屬防腐涂層利用陽(yáng)極優(yōu)先腐蝕來(lái)保護(hù)管道本身，同時(shí)耐腐蝕性金屬涂層起到隔絕管壁和腐蝕性介質(zhì)的作用。金屬內(nèi)防腐涂層對(duì)天然氣輸送影響小，但生產(chǎn)成本高，多用于小管徑、低壓力管道的內(nèi)防腐。

1.2.2 陶瓷類涂層

陶瓷類涂層是將含有氧化物、磷酸鹽、硅酸鹽、膠泥等成分的陶瓷涂料利用燒附、噴鍍、蒸鍍等工藝涂敷在管道內(nèi)壁形成防腐涂層的方法。國(guó)內(nèi)采用磷酸二氫鋁、二氧化硅、氧化鎂等成分的鋼質(zhì)管道內(nèi)防腐涂層模擬實(shí)驗(yàn)取得了一定研究成果。陶瓷類涂層化學(xué)穩(wěn)定性高，耐腐蝕性好，耐高溫性好，耐氧化性好，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，目前實(shí)際應(yīng)用不多。

1.2.3 類金剛石碳膜

類金剛石碳膜是一種硬度高、摩擦系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好的新型管道內(nèi)防腐涂層，其化學(xué)組成和物理特性與金剛石相近。類金剛石涂層的生產(chǎn)工藝主要有物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積，碳原子在類金剛石碳膜中以sp3和sp22 種鍵合存在，屬于無(wú)定形碳中含sp3鍵的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，歐美等國(guó)家在類金剛石碳膜涂層的技術(shù)研究取得較多成果。國(guó)外已研制出將類金剛石碳膜應(yīng)用于小管徑、短距離鋼質(zhì)管道內(nèi)防腐涂層的技術(shù)。類金剛石碳膜管道防腐涂層相比其他材質(zhì)優(yōu)點(diǎn)較多，但其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)屬于亞穩(wěn)態(tài)材料，熱穩(wěn)定性不高，且其自身固有內(nèi)應(yīng)力較高，實(shí)際應(yīng)用不多。

1.2.4 玻璃鋼涂層

玻璃鋼內(nèi)防腐涂層具有物理性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，具有良好的發(fā)展前景。玻璃鋼內(nèi)防腐涂層的成分有環(huán)氧樹脂、聚酰胺、水楊酸、玻璃纖維、增塑劑等。

玻璃鋼涂層在鋼質(zhì)管道外防腐層的應(yīng)用較多，內(nèi)防腐涂層的相關(guān)技術(shù)目前仍處于研究實(shí)驗(yàn)階段。我國(guó)研究人員已開發(fā)出一種耐磨性好、耐酸堿性強(qiáng)、附著力好的管道玻璃鋼內(nèi)涂層技術(shù)。

2 天然氣管道內(nèi)涂層的優(yōu)缺點(diǎn)

管道內(nèi)涂層可以將氣體介質(zhì)中的腐蝕性組分與管道內(nèi)壁隔離開，起到減緩管道內(nèi)壁腐蝕的作用。加拿大NOVA 公司研究測(cè)得在一定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，涂敷內(nèi)涂層的管道內(nèi)壁粗糙度保持不變，沒有內(nèi)涂層的管道粗糙度每年增加1 ～4 μm。管道內(nèi)涂層還可降低管道內(nèi)壁摩阻系數(shù)，改善天然氣的流動(dòng)性，減少天然氣在輸送過程中的能量損耗，提高氣體介質(zhì)的流動(dòng)效率。美國(guó)Transco 公司通過對(duì)管徑為914 mm 的鋼質(zhì)管道試驗(yàn)測(cè)得隨著管道內(nèi)壁粗糙度的增加，氣體介質(zhì)的流動(dòng)效率降低。

管道內(nèi)涂層對(duì)氣體介質(zhì)流動(dòng)效率的影響見表1。

表1 管道內(nèi)涂層對(duì)氣體介質(zhì)流動(dòng)效率的影響Table 1 Influence of pipeline inner coating on gas flow efficiency

涂敷內(nèi)涂層的天然氣管道內(nèi)氣流示意圖如圖1所示。

圖1 涂敷內(nèi)涂層的天然氣管道內(nèi)氣流示意Fig.1 Schematic diagram of gas flow in natural gas pipeline with inner coating

內(nèi)涂層可有效提高天然氣管道的安全性和經(jīng)濟(jì)性，但涂層失效會(huì)對(duì)管道生產(chǎn)運(yùn)行造成影響。由于生產(chǎn)過程中管壁清理、涂料流動(dòng)性等因素影響，管道內(nèi)涂層容易產(chǎn)生氣泡、針孔、凹坑、二次污染、破損、厚度不均勻等缺陷。在長(zhǎng)期生產(chǎn)運(yùn)行過程中，由于管道途經(jīng)地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件、介質(zhì)流態(tài)、介質(zhì)組分等因素影響，易導(dǎo)致管道內(nèi)涂層的失效。

管道內(nèi)部為密閉空間，失效的內(nèi)涂層會(huì)老化脫落，隨氣體介質(zhì)由上游向下游移動(dòng)，從而對(duì)管道沿線場(chǎng)站和閥室內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備發(fā)生故障。在實(shí)際應(yīng)用中除了要對(duì)內(nèi)涂層的質(zhì)量嚴(yán)格控制外，還要充分論證評(píng)估內(nèi)涂層失效對(duì)管道運(yùn)行產(chǎn)生的影響。英國(guó)ADVANTICA 公司和法國(guó)IFP 公司通過壓力對(duì)內(nèi)涂層的影響、表面改進(jìn)、涂層老化、防腐蝕性能、磨損影響、涂層與流體的交互作用等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)管道內(nèi)涂層的運(yùn)行進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

3 天然氣管道內(nèi)涂層的應(yīng)用與發(fā)展

20 世紀(jì)，國(guó)外首先在水管道上應(yīng)用了內(nèi)防腐涂層。1953 年，美國(guó)第一次在天然氣管道上應(yīng)用了內(nèi)涂層。美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)對(duì)氯丁橡膠、聚乙烯、醇酸樹脂等28 種材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)得環(huán)氧樹脂是最合適的天然氣管道內(nèi)涂層材料。1968 年，美國(guó)石油學(xué)會(huì)頒布了《非腐蝕性氣體輸送管道內(nèi)覆蓋層推薦做法》 （API RP 5L2）。1970 年后，英國(guó)天然氣理事會(huì)頒布了《鋼管和管件內(nèi)涂層施工方法》（GBE/CM1） 和《鋼管和管件內(nèi)涂層材料技術(shù)規(guī)范》（GBE/CM1），成為歐洲各國(guó)的認(rèn)可的管道內(nèi)涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，歐美等國(guó)在天然氣管道內(nèi)涂層領(lǐng)域的研究應(yīng)用較為深入，據(jù)統(tǒng)計(jì)，20 世紀(jì)80 年代后，國(guó)外管徑508 mm 以上的天然氣管道大部分都采用內(nèi)涂層技術(shù)。

我國(guó)關(guān)于管道內(nèi)涂層的研究及應(yīng)用起步較晚，2001 年，我國(guó)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布的API RP 5L2 首次在西氣東輸管道工程應(yīng)用內(nèi)涂層技術(shù)，此后在陜京二線工程、川氣東送工程、西氣東輸二線工程等管道項(xiàng)目的建設(shè)中都將該標(biāo)準(zhǔn)作為管道內(nèi)涂層的技術(shù)依據(jù)。我國(guó)的石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0442-2018《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》 和SY/T4057-2000《鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)管道內(nèi)涂層的相關(guān)要求進(jìn)行了規(guī)范。近年來(lái)我國(guó)在管道內(nèi)涂層材料的研制方面取得了多項(xiàng)成果。我國(guó)研制出的新型材料達(dá)到API RP 5L2標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，成功在西氣東輸工程等天然氣管道項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。我國(guó)企業(yè)研發(fā)的合金化納米復(fù)合涂鍍油管技術(shù)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的性能水平。

據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)介紹，鋼質(zhì)管道的內(nèi)表面粗糙度應(yīng)＜40 μm（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為 20 μm，前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)為 30 μm）。

考慮生產(chǎn)成本和防腐減阻效果，內(nèi)涂層的最小厚度不應(yīng)低于鋼制管道內(nèi)壁的原始粗糙度。API RP 5L2 規(guī)定管道內(nèi)涂層的厚度為 50.8±5.08 μm，SY/T0442-2018 規(guī)定管道內(nèi)涂層的厚度為50 μm。

管道內(nèi)涂層的質(zhì)量指標(biāo)見表2。

表2 管道內(nèi)涂層的質(zhì)量指標(biāo)Table2 Quality index of pipeline internal coating

管道內(nèi)涂層是一種對(duì)生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格的技術(shù)，液體環(huán)氧樹脂內(nèi)涂層的生產(chǎn)過程包括原料配置、鋼管內(nèi)壁處理、噴涂等環(huán)節(jié)。

環(huán)氧樹脂內(nèi)涂層生產(chǎn)工藝流程如圖2 所示。

圖2 環(huán)氧樹脂內(nèi)涂層生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Production process of epoxy resin inner coating

4 內(nèi)涂層管道的天然氣工藝分析

管道內(nèi)涂層會(huì)對(duì)輸氣量、輸送壓力等產(chǎn)生影響，在此對(duì)管道輸送的工藝進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)要分析內(nèi)涂層對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)的影響。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，天然氣輸送工藝的相關(guān)計(jì)算公式如下：

水利摩阻系數(shù)計(jì)算公式如式（1）：

式中：λ 為水利摩阻系數(shù)；K 為管道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度，m；d 為管道內(nèi)徑，m；Re 為雷諾數(shù)。

雷諾數(shù)計(jì)算公式如式（2）：

式中：qv為天然氣流速，m3/s；Δ 為天然氣相對(duì)密度；μ 為天然氣動(dòng)力粘度，Pa·s。

天然氣流量與水力摩阻系數(shù)的關(guān)系如式（3）：

式中：qv1為無(wú)內(nèi)涂層的管道天然氣流速，m3/s；qv2為涂敷內(nèi)涂層的管道天然氣流速，m3/s；λ1為無(wú)內(nèi)涂層的管道水力摩阻系數(shù)；λ2為涂敷內(nèi)涂層的管道水力摩阻系數(shù)。

以某天然氣管道為例，對(duì)工藝的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。某涂敷內(nèi)涂層的天然氣管道內(nèi)徑為0.692 m，平均流速為99.2 m3/s，天然氣相對(duì)密度為0.58，動(dòng)力粘度為1.22×10-5Pa·s，由式（2） 計(jì)算得到該管道的雷諾數(shù)為1.046 8×107。假設(shè)管道無(wú)內(nèi)涂層，當(dāng)管道內(nèi)壁粗糙度為0.2×10-4m 時(shí)，利用迭代法計(jì)算得到λ11為9.9×10-3。對(duì)涂敷內(nèi)涂層的管道，當(dāng)管道內(nèi)壁粗糙度為7.62×10-6m 時(shí)，通過迭代法計(jì)算得到λ2為8.9×10-3。涂敷內(nèi)涂層的管道相比無(wú)內(nèi)涂層時(shí)的水力摩阻系數(shù)變化量如式（4）：

假設(shè)管道無(wú)內(nèi)涂層，當(dāng)管道內(nèi)壁粗糙度為0.3×10-4m 時(shí)，計(jì)算得到 λ12為 1.05×10-2。通過計(jì)算可知，對(duì)于無(wú)內(nèi)涂層的天然氣管道，當(dāng)管道內(nèi)壁粗糙度由0.2×10-4m 增加為0.3×10-4m 時(shí)，水力摩阻系數(shù)增加量如式（5）：

涂敷內(nèi)涂層的天然氣管道相比無(wú)內(nèi)涂層時(shí)的水力摩阻系數(shù)變化量如式（6）：

將計(jì)算得到的水力摩阻系數(shù)λ11和λ2帶入式（3），計(jì)算得到qv2為104.626 24 m3/s，所以涂敷內(nèi)涂層的管道相比無(wú)內(nèi)涂層時(shí)的流速增加量為5.426 24 m3/s。

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)的天然氣產(chǎn)業(yè)處于高速發(fā)展時(shí)期，每年我國(guó)新建天然氣管道數(shù)量巨大。天然氣管道內(nèi)腐蝕是嚴(yán)重影響管道安全運(yùn)行的因素之一，通過在管道內(nèi)壁涂敷涂層可有效減緩鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕的發(fā)生，也可提高天然氣的輸送效率。

國(guó)外關(guān)于管道內(nèi)涂層的研究應(yīng)用較早，目前大部分歐美地區(qū)天然氣管道都采用內(nèi)涂層涂敷工藝。我國(guó)關(guān)于管道內(nèi)涂層的研究開始較晚，近年來(lái)已取得多項(xiàng)研究成果，且在多個(gè)大型管道項(xiàng)目中得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外公認(rèn)最適合作為管道內(nèi)涂層的材質(zhì)是環(huán)氧樹脂，關(guān)于新型材料的研究也已取得突破。常用的有機(jī)材質(zhì)管道內(nèi)涂層在運(yùn)行中易發(fā)生老化脫落，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致設(shè)備故障。隨著科技發(fā)展和相關(guān)研究不斷深入，未來(lái)性質(zhì)更加穩(wěn)定、生產(chǎn)成本更低的新型材料必將取代易老化的常規(guī)傳統(tǒng)有機(jī)材料，同時(shí)隨著天然氣管道建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的管道將會(huì)采用內(nèi)涂層涂敷工藝。