鋼骨架塑料復合管在平臺海水系統的應用解析

司紅濤　劉吉飛　莊福佳

海洋石油工程股份有限公司,　天津　300451

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鋼骨架塑料復合管在平臺海水系統的應用解析

司紅濤劉吉飛莊福佳

海洋石油工程股份有限公司,天津300451

復雜多變的海洋環境和不同的輸送工況介質,對金屬管線的內外壁均有千差萬別的腐蝕影響,腐蝕事故與案例不勝枚舉,在海洋石油領域早已引起關注。鋼骨架塑料復合管以優異的性能,低廉的造價,快速成為碳鋼等材料的管道替代產品,能夠很好地應用于海上石油平臺海水系統。

鋼骨架塑料復合管；海水；腐蝕；海洋石油平臺

0　前言

海洋對于各種金屬材料來說是一個非常嚴酷的腐蝕環境,根據不同海況對金屬腐蝕的差異,海洋環境大致可分為五個區帶：海洋大氣區、浪花飛濺區、潮差區、海水全浸區和海底泥土區。海水是一種高含鹽的強電解質溶液,由于含有大量的氯離子,因而對大多數金屬結構具有較高的腐蝕活性[1]。腐蝕損壞經常危及海上平臺設施、設備及管線的安全運行,由此造成的經濟損失、事故隱患及其嚴重后果,一直困擾著海上設施的操作者和管理者,腐蝕事故與案例不勝枚舉,在海洋石油領域早已引起關注[2]。在低壓工況下,鋼骨架塑料復合管(以下簡稱SRPE)以優異的性能,低廉的造價[3],快速成為碳鋼管、不銹鋼管、銅鎳管等的替代產品,能夠很好地應用在海上石油平臺海水系統。

1　海水系統材料

海上石油平臺海水管道系統管材的選擇一直是個選擇難題,常規金屬材料耐腐蝕性能不理想,耐腐蝕金屬材料非常昂貴,非金屬管道耐腐蝕性能好,但也存在一些使用問題[4]。

1.1碳鋼內涂層管道

碳鋼管內涂鋅、涂塑等內涂層管道強度高,管道的防腐蝕性能取決于涂層工藝和涂層過程的控制,制作過程復雜,涂層工藝質量不能較好保證,耐海水腐蝕效果不理想,不能全壽命使用[4-5]。

1.2碳鋼內襯管道

碳鋼管內襯塑、襯橡膠管道強度高,管道在使用過程中襯層容易脫離,其原因是襯層與金屬管膨脹系數不一致,制造工藝質量控制不嚴,管道制作過程復雜,涂層工藝質量不能很好保證,耐海水腐蝕效果不理想,不能全壽命使用。

1.3合金、雙相不銹鋼管道

Cu/Ni合金、雙相不銹鋼管道強度高,在海水中有較好的耐腐蝕性,可以全壽命使用,但價格昂貴,費用是碳鋼內涂層管道的十幾倍,需進口,采辦周期長。

1.4玻璃鋼管道

玻璃鋼管道(以下簡稱FRP)強度低,在海水中有較好的耐腐蝕性,但FRP的連接過程對施工工藝、環境、固化時間、施工人員的技術要求較高[6],FRP使用壽命一般在20年左右,FRP連接后耐壓能力受各種因素影響較大,在試壓過程以及有沖擊的管道上易斷裂、泄漏,易產生安全隱患和安全風險。FRP在以往項目的試壓和調試中出現過一些問題,原因可能是由多種因素引起,如設計、材料、施工工藝、粘接液固化時間等。

渤海某海上石油平臺,消防水系統采用FRP,管道施工由FRP提供方進行指導,FRP在平臺試壓時斷裂,見圖1。

東海某海上石油平臺,消防海水系統采用FRP,管道施工由FRP提供方進行指導,FRP在起泵憋壓時斷裂,見圖2。

1.5SRPE管道

圖3　SRPE結構

SRPE是以鋼網為增強骨架,塑料為內外層填充基體的雙面防腐蝕材料復合管,由于SRPE結合了PE 80的耐腐蝕性與金屬(鋼絲)的高強度優勢,管壁的內外層塑料通過管壁中間的金屬鋼絲網孔連接為一體(如同鋼筋混凝土的結構形式)。其特性包括：管道的PE材料具有較強的抗老化能力,典型試驗是50年,使用壽命長；具有較強的抗開裂能力、內壁光滑、抗磨性能較高；抗溶蝕性能好、耐腐蝕能力強；管道使用電熔連接,連接可靠(這點相對其他非金屬管尤為突出)；管道可供性好、產品工業領域應用成熟；管道適用溫度低(小于80 ℃),抗高溫能力差、抗尖銳破壞能力差；SRPE 硬度低(相對于FRP)[7-8]。SRPE已在燃氣、石油、化工等行業中逐漸使用。SRPE結構見圖3。

2　SRPE在某海水系統的應用

2.1管道強度分析

2.1.1海水系統設計參數

設計壓力：系統中最高設計壓力1 350 kPa；

設計溫度：30～40 ℃(除中冷器海水出口以外)[9-10]。

2.1.2SRPE管材特性

選用標準：HG/T 3690～3691-2001；

額定壓力等級：1.6 MPa；

溫度折減系數選取見表1[11-12]：0.9(30～40℃),0.86(40～50℃)；

SRPE管材耐壓能力：額定壓力×溫度折減系數=1.6×0.9=1.44 MPa>1.35 MPa,1.6 MPa等級的SRPE管道材料滿足設計參數要求。

表1公稱壓力修正系數

溫度t/(℃)0

2.2設計性能要求

耐海水腐蝕性能：SRPE是耐海水腐蝕的特優材料[13]；

抗老化能力：SRPE具有較強的抗老化能力[13](優于FRP,使用壽命50年[14])；

溫度限制：SRPE可在≤70 ℃環境長期使用；

抗振動、抗開裂能力：SRPE中PE材料具有典型的彈性和流體性的混合性能,具有較強的抗擊低周振動的能力,SRPE是鋼絲網和PE材料的熔合體,具有較強的抗蠕變和管道開裂的能力；

熱膨脹：由于鋼絲網的存在控制了PE材料的膨脹,SRPE與鋼管有基本相同的膨脹系數；

使用損壞的可能性：SRPE抗尖銳和高熱能力較差(平臺日常作業,尖銳和火焰幾率較小)；

試驗方法：水壓試驗,方便易行；

氣孔和滲透性：無氣孔、不吸水(優于FRP)；

管道匹配性：與ASME標準元件匹配；

施工風險：風險低,管道連接接頭可靠。

鑒于上述設計性能要求SRPE管道均能滿足,選擇1.6 MPa等級的SRPE材料即可適用于平臺海水系統。且SRPE價格低,國內采購,采辦周期短。

2.3SRPE選用要求

SRPE與其他管道在設計、施工、檢驗、使用上相比有其特殊性,具體選用要求如下。

2.3.1設計選用

1)SRPE的公稱壓力是以20 ℃條件下輸水時(預期壽命50年)允許使用的最大壓力。公稱壓力包括1.0、1.6、2.5、4.0 MPa共5個級別。隨著管徑的增大,承壓能力會相應降低。

2)如果用于輸水20 ℃以上的介質時,SRPE的最大許用應力,應考慮相應的壓力折減系數。

3)SRPE兼有非金屬管和鋼管的優點,但剛度比鋼管小,所以其支架的間距應小于同等規格的鋼管,需參見廠家的推薦做法。尤其是法蘭連接處,是整個管線系統的薄弱點,應在法蘭連接處兩側均設置合適的支架。2個法蘭連接面之間的閥門應考慮獨立支撐,避免大的重量載荷作用在法蘭上。

4)SRPE與支架的連接方式建議采用U形鋼帶方式。如果采用U形管卡,或者直接布置在剛性支架上,中間應加橡膠墊。

5)SRPE采用的非金屬材料為高密度聚乙烯,其本身并不耐火。如果用于有耐火要求的場合,應采用外加耐火夾克的方式。

2.3.2SRPE安裝

1)管材搬運時必須采用軟保護吊裝帶進行裝卸、嚴禁劇烈撞擊,應小心輕放,排列整齊,不得拋摔和沿地拖拽。

2)SRPE安裝采用專用連接機具和焊接設備,焊接電源必須符合焊接工藝要求。SRPE采用電熔連接時,嚴禁隔夜焊接。SRPE組裝時,必須保證管材、管件連接部位(熔區)的清潔,不得污染[16]。

3)焊接完后在冷卻過程中要讓接頭處于自然狀態,且應保證冷卻過程中不受外力作用,不得移動、轉動接頭部位及兩側管道。冷卻時間應根據氣候條件、管件大小等確定[16]。

4)法蘭接口處存在金屬法蘭和非金屬管端的連接，由于非金屬材料剛性差,在法蘭螺栓緊固時,應按照中心對稱的原則,逐個緊固螺栓,同時各個螺栓的扭矩應一致。避免由于螺栓的受力不均,影響法蘭的密封。

5)帶密封水線的法蘭端面為非金屬材料,施工中應做好端部保護,避免受熱及硬物的損傷。

2.3.3SRPE檢驗

1)支、吊架安裝完畢,配置正確,緊固可靠。

2)要保證試壓系統的嚴密性及其安全性能,應對管端堵板的嚴密性,彎頭、三通和管道附件處支撐的牢固性進行認真檢查和確認。

3)管道系統試壓時,應分級升壓,將管內水壓緩慢升至試驗壓力的1/3,保壓30 min；繼續升壓至試驗壓力的2/3,保壓30 min,同時進行巡視檢查；再升壓至試驗壓力,保壓10 min,再將試驗壓力降至設計壓力,保壓30 min,以壓力不降,無滲漏為合格；壓力波動范圍一般在0.05～0.10 MPa。

4)在試壓過程中,一旦發現法蘭發生泄漏,必須在管道系統泄壓后查找原因,如墊片不對中,螺栓受力不均,重新調整,嚴禁帶壓緊固螺栓。在管道系統試壓后,所有的法蘭螺栓應依次緊固一次,確保管道系統運行中法蘭不泄漏。

2.3.4操作要求

運行過程應定期檢查,尤其是在有較大壓力和振動工況運行后,有針對性地對法蘭部位進行檢查,如發現有泄漏,應在減壓后緊固法蘭。

3　結論

通過上述解析,鋼骨架塑料復合管以良好的耐腐蝕性、低廉的造價和安裝便捷等優點,在某海水系統成功試用,并獲得了項目客戶和施工單位的認可,在海上石油平臺海水系統可推廣應用。但在使用同時也發現了一些問題,材料的性能有待進一步提高,如防火和阻燃性能應重點研究。

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2015-11-02

司紅濤(1980-)，男，河南許昌人，工程師，學士，主要從事油氣田總圖與管道設計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.004