天然氣管道內涂層的應用

李 寧

（國家管網集團天津天然氣管道有限責任公司，天津300450）

相比傳統能源，天然氣具有多種優點，在工業生產、日常民用等領域得到越來越廣泛的應用。陸地長距離天然氣輸送多采用鋼質管道的方式[1]。管道輸送的天然氣含有酸性氣體、水汽等雜質時，易在鋼質管道內壁發生腐蝕反應，使管道局部壁厚減薄，造成安全隱患。內涂層可有效減緩管道內腐蝕的發生，同時增加天然氣的輸送效率。管道內涂層技術應用條件復雜，國外技術成熟，國內目前實際應用較少。在此對天然氣管道內涂層的可用材質、優缺點、實際應用進行總結分析。

1 內涂層的材質

可用的天然氣管道內涂層材質分為有機和無機2種。有機材質技術發展較為成熟，經濟性好，應用較多，無機材質是近年來開始研究發展的新技術[2]。有機材質有液體環氧涂料、粉末環氧涂料、酚醛環氧樹脂、煤焦油環氧樹脂等；無機材質有耐腐蝕金屬涂層、陶瓷類涂層、類金剛石碳膜、玻璃鋼等。

1.1 有機材質

1.1.1液體環氧涂料

環氧樹脂是最常用的一種液體環氧涂料，具有經濟性好、涂敷效率高和附著力強等優點。環氧樹脂涂層有環氧和樹脂2種組分，環氧為固化劑，起固化和活化的作用，樹脂為基礎涂層。2種組分都是液態，使用時將2種組分混合，用雙組分噴涂裝置進行管道涂敷。環氧樹脂涂料涂敷前不需要預加熱，兩種組分等量混合，工作溫度范圍大，固化時間長，噴涂工藝操作相對簡單。環氧樹脂內涂層技術成熟，在國外應用廣泛。1958年美國田納西管道公司首次進行了環氧樹脂管道內涂層實驗，可使天然氣輸送效率提高6%[3]。挪威北海天然氣管道（管道長度443 km，管徑914 mm）采用厚度為80μm的環氧樹脂內涂層，馬格里布-歐洲天然氣管道（管道長度1 352 km，管徑1 219 mm）采用厚度為50μm的環氧樹脂類涂料進行內涂敷[4]。

1.1.2粉末環氧涂料

環氧粉末涂層原料包括固體環氧樹脂、固化劑、催化劑、助催化劑、流平劑和顏填料等。環氧樹脂涂料和鋼質管道內壁產生牢固的化學鍵結合，附著力強。經高溫熔融、固化形成的一種熔結式環氧粉末防腐層具有極強的黏結力。環氧粉末涂層具有黏結力強、防腐層牢固、耐腐蝕性好、耐陰極剝離性好等優點。常見的環氧粉末涂層有單層和雙層兩種。

單層熔結環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?？刂仆繉雍穸仍诤线m的范圍以保證管道的內防腐性能。雙層環氧粉末涂層是在單層的基礎上增加塑性材料，提高涂層的抗沖擊能力。雙層環氧粉末涂層采用環氧粉末作為外層，常規防腐粉末作為內層，抗損傷能力強，耐高溫性好。

環氧粉末材質作為天然氣管道外防腐涂層應用廣泛。20世紀50年代，單層環氧粉末涂層首次在管道外防腐層中得到應用，上世紀90年代，單層環氧粉末外防腐涂層在管道防腐措施中應用量處于首位。雙層環氧粉末外涂層由美國公司開發，至今已應用超過10年。環氧粉末內防腐涂層存在安裝周期長、成型工藝復雜等缺點，目前技術尚不成熟，實際應用不多。

1.1.3酚醛環氧樹脂

酚醛環氧樹脂內防腐涂層具有耐熱性好、抗酸性好等優點，但其材質本身內應力大、質脆、耐沖擊性差，已逐漸被新型材質取代。1940年美國西德克薩斯州首次采用酚醛環氧樹脂作為原油管道內防腐涂層。

1.2 無機材質

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、化學鍍、熱噴涂和熱滲鍍等方式覆蓋于管道內壁形成防腐層的方法。金屬防腐涂層利用陽極優先腐蝕來保護管道本身，同時耐腐蝕性金屬涂層起到隔絕管壁和腐蝕性介質的作用。金屬內防腐涂層對天然氣輸送影響小，但生產成本高，多用于小管徑、低壓力管道的內防腐。

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壁形成防腐涂層的方法。國內采用磷酸二氫鋁、二氧化硅和氧化鎂等成分的鋼質管道內防腐涂層模擬實驗取得了一定研究成果[5]。陶瓷類涂層化學穩定性高，耐腐蝕性好，耐高溫性好，耐氧化性好，但生產工藝復雜，目前實際應用不多。

1.2.3 類金剛石碳膜

類金剛石碳膜是一種硬度高、摩擦系數低、化學穩定性好的新型管道內防腐涂層，其化學組成和物理特性與金剛石相近。類金剛石涂層的生產工藝主要有物理氣相沉積和化學氣相沉積，碳原子在類金剛石碳膜中以sp3和sp22種鍵合存在，屬于無定形碳中含sp3鍵的亞穩態結構。20世紀80年代以來，歐美等國家在類金剛石碳膜涂層的技術研究取得較多成果。國外已研制出將類金剛石碳膜應用于小管徑、短距離鋼質管道內防腐涂層的技術[6]。類金剛石碳膜管道防腐涂層相比其他材質優點較多，但其結構特點屬于亞穩態材料，熱穩定性不高，且其自身固有內應力較高，實際應用不多。

1.2.4 玻璃鋼涂層

玻璃鋼內防腐涂層具有物理性能好、化學穩定性好、電絕緣性好等優點，且生產工藝簡單，生產周期短，具有良好的發展前景[7]。玻璃鋼內防腐涂層的成分有環氧樹脂、聚酰胺、水楊酸、玻璃纖維、增塑劑等。玻璃鋼涂層在鋼質管道外防腐層的應用較多，內防腐涂層的相關技術目前仍處于研究實驗階段。我國研究人員已開發出一種耐磨性好、耐酸堿性強、附著力好的管道玻璃鋼內涂層技術[8]。

2 內涂層的優缺點

管道內涂層可以將氣體介質中的腐蝕性組分與管道內壁隔離開，起到減緩管道內壁腐蝕的作用。加拿大NOVA公司研究測得在一定運行時間內，涂敷內涂層的管道內壁粗糙度保持不變，沒有內涂層的管道粗糙度每年增加1～4μm。管道內涂層還可降低管道內壁摩阻系數，改善天然氣的流動性，減少天然氣在輸送過程中的能量損耗，提高氣體介質的流動效率。美國Transco公司通過對管徑為914 mm的鋼質管道試驗測得隨著管道內壁粗糙度的增加，氣體介質的流動效率降低，實驗結果如表1。

表 1管道內涂層對氣體介質流動效率的影響Tab1 Influence of pipeline inner coatingon gas flow efficiency

內涂層可有效提高天然氣管道的安全性和經濟性，但涂層失效會對管道生產運行造成影響。由于生產過程中管壁清理、涂料流動性等因素影響，管道內涂層容易產生氣泡、針孔、凹坑、二次污染、破損和厚度不均勻等缺陷[9]。在長期生產運行過程中，由于管道途經地區地質結構、環境條件、介質流態、介質組分等因素影響，易導致管道內涂層的失效。管道內部為密閉空間，失效的內涂層會老化脫落，隨氣體介質由上游向下游移動，從而對管道沿線場站和閥室內的設備運行產生影響，嚴重時會使設備發生故障。在實際應用中除了要對內涂層的質量嚴格控制外，還要充分論證評估內涂層失效對管道運行產生的影響。英國ADVANTICA公司和法國IFP公司通過壓力對內涂層的影響、表面改進、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行實驗研究，對管道內涂層的運行進行了評價。

3 應用與發展

20世紀，國外首先在水管道上應用了內防腐涂層。1953年，美國第1次在天然氣管道上應用了內涂層。美國天然氣協會對氯丁橡膠、聚乙烯、醇酸樹脂等28種材料進行了實驗，測得環氧樹脂是最合適的天然氣管道內涂層材料。1968年，美國石油學會頒布了《非腐蝕性氣體輸送管道內覆蓋層推薦做法》（API RP 5L2）。1970年后，英國天然氣理事會頒布了《鋼管和管件內涂層施工方法》（GBE/CM1）和《鋼管和管件內涂層材料技術規范》（GBE/CM1），成為歐洲各國的認可的管道內涂層技術標準。目前，歐美等國在天然氣管道內涂層領域的研究應用較為深入，據統計，20世紀80年代后，國外管徑508 mm以上的天然氣管道大部分都采用內涂層技術。

我國關于管道內涂層的研究及應用起步較晚，2001年，我國根據美國石油學會發布的API RP 5L2首次在西氣東輸管道工程應用內涂層技術，此后在陜京二線工程、川氣東送工程的西氣東輸二線工程等管道項目的建設中都將該標準作為管道內涂層的技術依據[10]。我國的石油行業標準SY/T 0442－2018《鋼質管道熔結環氧粉末內防腐層技術標準》和SY/T 4057－2000《鋼質管道液體環氧涂料內防腐層技術標準》對管道內涂層的相關要求進行了規范。近年來我國在管道內涂層材料的研制方面取得了多項成果。我國研制出的新型材料達到API RP 5L2標準的技術要求，成功在西氣東輸工程等天然氣管道項目中實現應用[11]。我國企業研發的合金化納米復合涂鍍油管技術達到國外同類產品的性能水平[12]。

據國外文獻介紹，鋼質管道的內表面粗糙度應低于40μm（美國標準為20μm，前蘇聯標準為30μm）[13]。考慮生產成本和防腐減阻效果，內涂層的最小厚度不應低于鋼制管道內壁的原始粗糙度。API RP 5L2規定管道內涂層的厚度為(50.8±5.1)μm，SY/T 0442－2018規定管道內涂層的厚度為50μm。

表2是管道內涂層的質量指標及其檢測方法。

表 2管道內涂層的質量指標Tab2 Quality index of pipeline internal coating

管道內涂層是一種對生產工藝要求嚴格的技術，液體環氧樹脂內涂層的生產過程包括原料配置、鋼管內壁處理、噴涂等環節，參見圖1。

圖 1環氧樹脂內涂層生產工藝流程Fig 1 Production process of epoxy resin inner coating

4 工藝分析

管道內涂層會對輸氣量、輸送壓力等產生影響，在此對管道輸送的工藝進行計算，分析內涂層對各項工藝參數的影響[14]。水利摩阻系數的計算：

式中，λ為水利摩阻系數，g為重力加速度，K為管道內壁絕對粗糙度，d為管道內徑，Re為雷諾數。

雷諾數的計算：

式中，qV為天然氣體積流量，Δ為天然氣相對密度，μ為天然氣動力黏度。

天然氣體積流量與水力摩阻系數的關系：

式中，qV1和qV2分別為無內涂層和涂敷內涂層管道的天然氣體積流量，λ1和λ2分別為無內涂層和涂敷內涂層的管道水力摩阻系數。

5 結 語

我國的天然氣產業處于高速發展時期，每年我國新建天然氣管道數量巨大。天然氣管道內腐蝕是嚴重影響管道安全運行的因素之一。通過在管道內壁涂敷涂層可有效減緩鋼質管道內腐蝕的發生，也可提高天然氣的輸送效率。國外關于管道內涂層的研究應用較早，目前大部分歐美地區天然氣管道都采用內涂層涂敷工藝。我國關于管道內涂層的研究開始較晚，近年來已取得多項研究成果，且在多個大型管道項目中得到應用。國內外公認最適合作為管道內涂層的材質是環氧樹脂，關于新型材料的研究也已取得突破。常用的有機材質管道內涂層在運行中易發生老化脫落，嚴重時有導致設備故障的風險。隨著科技的發展和相關研究的不斷深入，未來性質更加穩定、生產成本更低的新型材料必將取代易老化的常規傳統有機材料，同時隨著天然氣管道建設的發展，越來越多的管道將會采用內涂層涂敷工藝。