基于管道振動的管道防腐蝕裝置

雷銘達

基于管道振動的管道防腐蝕裝置

雷銘達

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

管道的局部振動損傷和靜電腐蝕是目前管道運輸所要面臨的巨大問題，二者都有可能導致內容物泄漏、爆炸等事故，而因此廢棄的管道會造成鋼鐵材料以及防腐材料的浪費。裝置主要分為吸振發電和防腐蝕部分，通過管道的振動帶動齒輪旋轉并啟動電機以達到儲能的目的，再將這部分能量用于外加電流的陰極保護法以防止管道銹蝕，從而達到節能減排的目的。

管道振動；管道防腐蝕；陰極保護；地下水

當前中國油氣管道事業飛速發展，隨著2017年國家發展改革委、國家能源局發布《中長期油氣管網規劃》，中國長輸油氣管道行業迎來新一輪的發展高峰期。截至2017年底，中國油氣長輸管道（主要指三大油公司級省網公司建設的產地、儲存庫、使用單位間用于輸送商品介質的管道）總里程已達1.314×105km。根據《中長期油氣管網規劃》，到2020年全國長輸油氣管網規模將達到1.69×105km。

與此同時管道腐蝕與振動問題也逐漸被人們重視。鋼制埋地管道易被輸送介質、地下水、土壤和雜亂電流腐蝕，最終導致穿孔泄漏，造成經濟損失和環境污染。而隨著地方經濟的快速發展，埋地天然氣管道附近工程施工行為越來越多。施工過程中炸藥與沖擊鉆、強夯產生的能量形成地振波、非爆破振動對埋地管道形成安全風險。

管道是油氣運輸的主要設施，防腐蝕一直是影響到可靠性的重要因素，以2013年發生的青島“11·22”事故為例，此次事故共造成62人死亡、136人受傷，直接經濟損失 7.517 2億元。而事發的直接原因是輸油管道腐蝕減薄、管道破裂、原油泄漏。而施工產生的地振波同樣可能破壞管道造成事故。由此可見管道的防振防腐蝕工作的重要性。

GB/T 21447—2018《鋼制管道外腐蝕控制規范》要求埋地油氣長輸管道、油氣田外輸管道和油氣田內集輸干線管道應采用陰極保護。

1 方案設計

本裝置利用管道本身振動的特性使用吸振模塊通過發電模塊的作用將動能轉換為電能，利用電流對管道進行外加電流的陰極保護法。減少管道的腐蝕破裂，降低發生管道泄漏、破裂事故的發生率，延長使用壽命，能夠取得良好的節能減排效益。整體如圖1所示。

如圖1所示，本裝置主要分為夾持模塊、吸振模塊、發電模塊及支撐架，其中夾持模塊夾在管道外面，該模塊上面放置4個吸振模塊，吸振模塊連接發電模塊，同時外殼部分固定在地面上。裝置的運作流程為：當管道發生振動，壓迫彈簧，吸振模塊開始運作，減少管道的振動幅度同時帶動發電模塊的運轉，產生的電壓連接在管道上，起到防腐蝕的作用。現有的預防腐蝕措施效率低，費時費力，而本裝置同時設有檢測系統，利用管道振動所產生的動能轉換出的多余的電流用于維持電流監測傳感器的運作，以監測管道的腐蝕速率，防止因腐蝕而導致的泄漏事故發生。裝置的工作流程如圖2所示。

圖1 整體示意圖

圖2 裝置工作流程圖

夾持模塊用于安放吸振模塊，4個振動模塊以及固定管道使得裝置能夠更全面地減少管道振動，更好地保護管道。主要設計為如圖1的上下2個固定結構組成，中間空洞為管道放置位置，可根據管道大小更改尺寸，同時在4個方位均勻設置圓形突出槽以安放吸振模塊。外殼模塊上的支撐腳與欄狀結構分別起到固定整體裝置與發電模塊的作用，增強了裝置的整體穩定性。

吸振發電模塊用于吸收管道產生的振動并將動能轉化為電能來保護管道。此模塊位于夾持模塊上的四個圓形突出槽中。如圖1，該模塊主要分為上下圓形擋片，由一根彈簧以及一個扭花螺旋桿組成，在大彈簧左右放置兩個小型側彈簧，以減少其他方向上的振動，使得吸振模塊更加穩定。上擋片中間設計一個開口，使得扭花螺旋桿能夠自由伸出，當管道振動時，吸振模塊受到壓迫，彈簧壓縮，上下擋片距離縮短，扭花螺旋桿從開口伸出。

當扭花螺旋桿伸出后，帶動大齒輪旋轉，大齒輪帶動小齒輪以更快的速度旋轉，接著小齒輪給電機提供動能進行發電，從而達到將管道振動的動能轉化為電能的目的。

本裝置使用的是強制電流陰極保護技術，工作原理是在油氣管道的回路當中接入一個直流電源，借助電源的陽極，把直流電通入油氣管道的金屬表面，進而使被保護的金屬變成陰極，從而對該金屬進行有效的保護。

本裝置運用振動產生的能量進行發電，將電流運用到管道的防腐蝕上，本裝置采用外加電流的陰極保護原理，通過發電模塊產生的電壓對裝置進行保護，由于發電模塊產生的是交流電，而陰極保護需要直流電，因此，先通過橋式整流電路，將交流電變為直流電，再通過電路連接到管道上與大地上，即可完成對管道的防腐蝕。通過查閱資料，對管道的外加電流陰極保護一般需要電壓在50 V左右，通過計算，得到發電模塊能夠產生約48 V電壓，滿足要求。

2 可行性分析

2.1 振動分析

根據EDF的管道振動水平公式，得到管道有效振動速度為：

式（1）（2）中：1為集中質量修正系數，可取值0.32；4為邊界條件和管段形狀修正系數，取值0.7；0為峰值—有效值轉換系數，一般取值3.5；碳鋼a取值112 MPa；22為二次應力指數，取值3.6；w為單位長度管道流體質量；p為單位長度上管道質量。

據計算，得到管道實際振動actual=5.22 mm/s。

同樣的，可以得到管道能承受的最大振動速度allow= 19.6 mm/s。

裝置通過減少二次應力指數22的值，可以將管道從允許的最大振動速度降低至安全振動速度內。通過計算可以發現，此裝置可以減少管道73.4%的振動速度。

2.2 對管道的腐蝕速率分析

本裝置對管道進行防振動與防腐蝕共同處理，在防腐蝕方面，裝置采用利用振動轉化的電能進行外加電流的陰極保護，而目前采用外加電流的陰極保護對管道使用壽命的延長作用巨大，根據資料外加電流的陰極保護能夠延長管道使用壽命到15年。

查數據可得，在一般情況下，油氣管道的腐蝕速度約為0.4毫米/年，在使用本裝置外加電流的陰極保護法后，腐蝕速度約為0.15毫米/年，同比減少62.5%，能極大地降低管道的腐蝕速度，大大延長了管道的使用壽命。

2.3 對管道的外加電流陰極保護分析

由能量方程可得：

式（3）（4）中：p為單位長度上管道質量，根據碳鋼密度以及裝置尺寸得知值為123 kg；w為單位長度管道流體質量，值為47 kg。

將allow=19.6 mm/s代入，得到此套裝置的單位體積上發電功率約32.65 W。為裝置四個方向上采用高效率150 W、12 V交流增速發電機，每個增速發電機都可以達到額定電壓。總電壓預估為48 V左右，達到國家對于陰極保護電源的安全標準50 V，所以此裝置在完成陰極保護的同時，無需安裝導電網、安全墊等保護裝置，節約成本。

3 結語

本裝置利用管道的振動，將振動轉化為電能，并將電能利用在管道的防腐蝕上，為當前許多油氣管道長途運輸的管道維護提供了新方式，并相對于以往的方式更加方便與節約，相對于目前的處理維護方式，本裝置減少了維護成本，延長管道使用壽命，降低管道運輸成本。同時增設有監控系統，通過對振動產生的電流進行實時的監控，在計算振動產生的機械能轉化為電能的效率的同時能夠分析得出管道內的大致腐蝕程度，達到最低成本的前提下能準確、及時更換管道，大大降低管道更換成本。當前中國管道運輸快速發展，2025年全國油氣管網規模將達到24萬千米，因此本裝置應用前景十分廣闊。

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TE988.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.011

2095－6835（2020）14－0038－02

雷銘達（1999—），男，山西呂梁人，本科，研究方向為機械工程。

〔編輯：張思楠〕