某長輸管道防腐保溫設(shè)計方案

胡志勇，吳 明，富 鑫，阿斯汗

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266071； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

某長輸管道防腐保溫設(shè)計方案

胡志勇1,2，吳 明2，富 鑫2，阿斯汗2

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266071； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

介紹了某新建長輸管道沿線的地質(zhì)情況和輸油工藝，保溫輸油管道防腐層和保溫層選用規(guī)范和兩種埋地管道陰極保護方法。根據(jù)保溫輸油管道防腐保溫層選用規(guī)程，確定了此管道的防腐層和保溫層選用方案，比較兩種陰極保護方法，確定管道沿線陰極保護站的方案。

長輸管道；防腐層；保溫層；陰極保護

某新建長輸管道密閉加熱輸送原油，線路全長365 km，管道材質(zhì)為L450MB，管徑為508 mm，壁厚為7.1 mm，管道壓力8 MPa，最高溫度70 ℃，管道沿程設(shè)6處熱泵站，一處分輸站。管道沿線兩端以剝蝕低山丘陵為主，向中部過渡為沖洪積平原，地勢相對兩端高中間低。線路沿線通過地段地層巖性較為多樣，中部的沖洪積平原地表巖性上部為黑褐色、黃褐色粉土、粉質(zhì)粘土，下部主要為灰白、黃褐色粉細砂、中粗砂及圓礫層，結(jié)構(gòu)松散，分選、磨圓好。區(qū)內(nèi)含水巖組主要接受河流側(cè)向滲入補給及大氣降水垂直滲入補給，排泄方式以地下水徑流、人工開采排泄為主。按巖土體賦水條件和含水介質(zhì)的不同，可劃分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩種類型。管道沿線地下水豐富、水位較高，淺層地下水埋深約為1～5 m。管道沿線河流多次穿越管道，其中定向鉆小型穿越1處。

1 防腐層和保溫層的選擇

管道外防腐層的選用應(yīng)從涂層的絕緣性、穩(wěn)定性、耐陰極剝離強度、機械強度、粘結(jié)性、耐植物根刺、耐微生物腐蝕以及易于施工和現(xiàn)場補口等方面綜合考慮，遵循“技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理、施工方便”的原則，選擇綜合性能優(yōu)良的防腐層[1]。

按照GB50538-2010[2]標(biāo)準(zhǔn)要求，長輸埋地管道外防腐層一般應(yīng)具備下列特性：有良好的絕緣性，涂層電阻不應(yīng)小于 1×104Ω·m2，如常用的三層 PE防腐層的電阻為 10×104Ω·m2，環(huán)氧粉末防腐層的電阻為 5×104Ω·m2;有良好的穩(wěn)定性：耐老化性能好；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐化學(xué)和微生物腐蝕；耐水性好，吸水率低；耐低溫性能好，確保其在低溫下堆放、拉運和施工時不產(chǎn)生龜裂和脫漆現(xiàn)象;有較好的陰極剝離強度，使防腐層在有效期內(nèi)與管體保持緊密粘結(jié);有足夠的機械強度：有一定的抗沖擊強度，以減少運輸和施工過程中的損傷；有良好的抗彎曲性，以確保管道彈性敷設(shè)或冷彎時不致?lián)p壞；有良好的耐磨性，以防止土壤摩擦而損傷;與管道有良好的粘接性;抗植物根系穿透;涂料來源廣泛，質(zhì)量可靠，價格低廉;能機械化連續(xù)生產(chǎn)，滿足工程建設(shè)需要;易于現(xiàn)場補口、補傷;外觀光滑平整與土壤摩擦系數(shù)小，可減少外部阻力。

合理選擇管道涂層，其評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括：原材料、涂敷工藝、管道施工及運輸、工作壽命、費用等項內(nèi)容。首先，必須保證所選的涂層應(yīng)具有預(yù)期的功能，即必須保證管道在所要求的壽命期內(nèi)不能因為腐蝕而中斷管道的正常運行[3]。同時必須滿足管道施工、運行的要求，并盡可能降低工程成本。

選擇保溫材料時，應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)低，絕熱性能好，容重小，機械強度高，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，吸濕率小的材料。目前國內(nèi)埋地保溫管線使用的保溫層主要有：硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、憎水性硅酸鹽管殼、玻璃纖維棉被、憎水性硬質(zhì)巖棉管殼[4]等，保溫層比較見表1。

表1 保溫層材料表Table 1 The insulation materials

2 長輸管道陰極保護

在管道防腐中，將陰極保護法同涂防腐絕緣材料相結(jié)合，效果很顯著[5]。其中，管線的陰極保護方法通常有強制電流法和犧牲陽極法，兩種方法各有優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。其中，犧牲陽極法的優(yōu)點有：不需要外部電源、對鄰近金屬構(gòu)筑物無干擾或干擾很小、保護電流分布均勻、工程規(guī)模越小越經(jīng)濟等；但其缺點也較為明顯，如：保護年限短、不宜在高電阻率環(huán)境下使用、保護電流的大小不易調(diào)節(jié)等。因此，犧牲陽極法常用于管線較短、管徑較小密集敷設(shè)的城市管網(wǎng)保護中[6]。

強制電流法的優(yōu)點有：輸出電流連續(xù)可調(diào)、保護范圍大、不受環(huán)境電阻率的限制、保護裝置壽命長、工程規(guī)模越大越經(jīng)濟等；缺點是：需要外部電源、維護管理工作量較大，而且可能會對鄰近金屬構(gòu)筑物造成干擾。強制電流法常用于長輸管線的保護。

3 管道保護方案的確定在這

目前國內(nèi)外采用的管道保溫結(jié)構(gòu)基本形式為：鋼管—防腐層—保溫層—防水保護層。保溫層與保護層之間用粘結(jié)劑連接，使鋼管、防腐層、保溫層、保護層牢固的結(jié)合在一起，提升管道的防腐保溫效果，減少由于熱伸縮縫等破壞因素導(dǎo)致的熱量損失[3]。

3.1 防腐層的確定

目前，國內(nèi)外對保溫管道采用的防腐涂層主要有：聚乙烯（聚丙烯）膠粘帶、環(huán)氧煤瀝青以及環(huán)氧粉末等。聚乙烯（聚丙烯）膠粘帶主要優(yōu)點是施工方便，耐磨性能較好，絕緣電阻高，常用于站場內(nèi)保溫直埋管道的防腐。其主要缺點是粘接力較差，抗沖擊性能較差，易產(chǎn)生剝離，不宜于用在長距離輸送的管道施工。

環(huán)氧煤瀝青由于是溶劑型涂料，該涂料涂刷后其溶劑揮發(fā)階段易產(chǎn)生較多針孔，使環(huán)氧煤瀝青防腐層質(zhì)量難以保證，目前國內(nèi)己基本不再采用環(huán)氧煤瀝青防腐層。環(huán)氧粉末涂層比較薄，約在 200～500μm之間，其機械性能很高，與鋼管表面粘結(jié)力強，絕緣性能好、耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕性能、抗沖擊耐磨性能好，抗陰極剝離性能等都比較好，使用壽命長，但對熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層相對薄、脆，容易受到機械損傷，通常與外保護層結(jié)合使用。目前，環(huán)氧粉末防腐涂層在國外應(yīng)用很普遍[7]。

綜上所述，環(huán)氧粉末防腐層的性能好，管線使用壽命較長，可滿足工程防腐要求。本工程管道除防腐層外還有保溫層和防護層，可以有效的保護防腐層。目前，國內(nèi)的防腐保溫管道廠均能實現(xiàn)環(huán)氧粉末防腐層＋保溫層＋防護層的管中管的加工作業(yè)，從工藝上可滿足要求。根據(jù)管道所處的地理環(huán)境將采用不同的等級。

一般地區(qū)的管道外防腐層采用環(huán)氧粉末普通級防腐，防腐層厚度≥300μm；有特殊要求的地區(qū)采用環(huán)氧粉末加強級防腐，防腐層厚度≥400μm；而定向鉆穿越段采用高溫型三層PE加強級防腐，環(huán)氧粉末涂層≥120μm，膠粘劑層≥170μm，聚乙烯防護層≥3.2 mm。

3.2 保溫層的確定

3.2.1 管道保溫結(jié)構(gòu)的確定

對于長輸管線，要求保溫層使用壽命較長，熱能損失較小。憎水性硅酸鹽管殼、玻璃纖維棉被及憎水性硬質(zhì)巖棉管殼價格較低，但它們的導(dǎo)熱系數(shù)均大于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，在加熱原油輸送過程中會產(chǎn)生較大的熱量損失，影響保溫效果，并且這些保溫材料無法在工廠作業(yè)線上連續(xù)生產(chǎn)，不能滿足工程的要求。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層保溫性能及防水性能好，與保護層同時在工廠作業(yè)線一次完成，目前該保溫材料在油田、石油工程中廣泛應(yīng)用。本工程推薦采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層。

3.2.2 管道保溫厚度的計算

根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50538-2010[2]進行計算。

式中：δ—保溫層厚度，mm；

D，D1—分別為保溫層內(nèi)徑，外徑，m；

h—管道中心距地面深度，m；

t1—介質(zhì)溫度，℃；

t2—距地面h處土壤溫度，℃；

λ—保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

λt—土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

α—保溫層外表面向土壤的放熱系數(shù)，W/（m·℃）；

B—熱能價格，元/(MW·h)；

H—年運行時間，h；

A—防腐保溫層單位造價，元/m3；

N—保溫工程投資年分攤率。

按照上述公式進行計算后，同時結(jié)合國內(nèi)已建保溫管線保溫層厚度，管線保溫層厚度取40 mm。

綜上所述，可以確定管道保溫層的結(jié)構(gòu)為以下三種情況。

（1）直管段管道的保溫結(jié)構(gòu)

直管段管道采用防腐層+保溫層+防護層結(jié)構(gòu)，即環(huán)氧粉末防腐層（防腐層厚度≥300μm），聚氨酯泡沫塑料保溫層（保溫層厚度≥40、50 mm），聚乙烯防護層（防護層厚度≥6 mm）。全部線路保溫管道采用廠家預(yù)制，線路防腐保溫管道端部均設(shè)置防水帽。

（2）冷彎彎管和熱煨管道的保溫結(jié)構(gòu)

冷彎彎管的防腐保溫結(jié)構(gòu)與直管段相同，即環(huán)氧粉末防腐層（防腐層厚度≥300μm），聚氨酯泡沫塑料保溫層（保溫層厚度≥40、50 mm），聚乙烯防護層（防護層厚度≥6 mm）。

（3）熱煨彎管的防腐保溫結(jié)構(gòu)為雙層環(huán)氧粉末防腐層（防腐層厚度≥800μm），聚氨酯泡沫塑料保溫層（保溫層厚度≥40、50 mm），聚乙烯防護層（防護層厚度≥6 mm）。

3.3 陰極保護方案的確定

3.3.1 管道陰極保護方式

由于本工程的管線較長、管徑較大、管道的防腐層較好等因素，結(jié)合管道沿線地理條件的實際情況，綜合考慮管道保護年限等因素，采用強制電流法較為經(jīng)濟，所以本工程擬選用強制電流法對管線進行保護。同時對于需要特殊保護的局部管段采用埋設(shè)犧牲陽極的輔助保護措施。

3.3.2 陰極保護長度計算

由于防腐層的類型和質(zhì)量直接關(guān)系到陰極保護電流密度和保護范圍的大小，而本工程管道防腐層性能和質(zhì)量都比較優(yōu)異，具體陰極保護參數(shù)見表2。

表2 管道陰極保護參數(shù)Table 2 Parameters of pipeline cathodic protection

根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》GB/T21448-2008[8]對陰極保護長度進行計算。

式中：L—單側(cè)保護長度，m；

ΔVL—最大保護電位與最小保護電位之差，V；

D—管道外徑，m；

Js—保護電流密度，A/m2；

R—單位長度管道縱向電阻，Ω/m；

ρT—鋼管電阻率，Ω·mm2/m；

D′—管道外徑，mm；

δ—管道壁厚，mm。

選擇陰極保護參數(shù)代入上式，可知新建Ф508 mm管道的單側(cè)保護長度為54.3 km，計算結(jié)果見表3。

表3 管道強制電流陰極保護計算結(jié)果Table 3 The results of forced current cathodic protection on the pipeline

根據(jù)計算結(jié)果，整個管道陰極保護系統(tǒng)需要 5座陰極保護站，這些陰極保護站將與管道沿線的熱泵站建在一起。

4 結(jié) 論

（1）新建管道選擇外防腐層時應(yīng)充分考慮涂層的絕緣性、穩(wěn)定性、耐陰極剝離強度、機械強度、粘結(jié)性、耐植物根刺、耐微生物腐蝕以及易于施工和現(xiàn)場補口等因素，此管道的防腐保溫層采用環(huán)氧粉末防腐層＋保溫層＋防護層的管中管法制造。根據(jù)地理環(huán)境不同確定不同的防腐層厚度。

（2）根據(jù)管道實際情況采用強制電流法對管道進行陰極保護，特殊區(qū)段采用埋設(shè)犧牲陽極的輔助保護措施，根據(jù)公式計算出管道的單側(cè)保護長度為54.3 km，全線需要5座陰極保護站。

［1］孟繁亮.管道防腐層破損原因及檢測技術(shù)探討[J]. 化學(xué)工程與過備, 2011(05):52-56.

［2］中國石油天然氣集團公司. GB/T 50538-2010, 埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計劃出版社.

［3］韓國有，劉曉燕.國內(nèi)外埋地集輸管道防腐保溫技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].油氣田地面工程,2004（12）:13-17.

［4］胡士信,董旭.我國管道防腐層技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 油氣儲運. 2004(07):27-31.

［5］宋越鵬,李輝,李建強.淺析管道防腐保溫技術(shù)要點[J]. 科技資訊. 2012(21):61-66.

［6］顏東洲,黃海,李春燕.國內(nèi)外陰極保護技術(shù)的發(fā)展和進展[J]. 全面腐蝕控制. 2010(03):15-19.

［7］Dennis Neal: Two coating systems contend for premium spot in the market[J].Pipeline & Gas Industry,March,1998:74-79.

［8］中國石油天然氣管道工程有限公司.GB/T21448-2008，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社.

Design of Anticorrosion and Thermal Insulation of a Long Distance Pipeline

HU Zhi-yong1,2,WU Ming2,FU Xin2,A Si-han2

（1. College of Architecture and Storage Engineering, China University of Petroleum, Shandong Qingdao 266071, China; 2. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Geological conditions and oil transportation process of a new long distance pipeline were introduced as well as the selection standard of anticorrosion layer of heat preservation pipeline, two cathodic protection methods of the buried pipeline were compared. At last, the anticorrosive coating and insulating layer of pipeline were determined as well as the pipeline cathodic protection method.

Long distance pipeline; Anticorrosive coating; Insulating layer; Cathodic protection

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0583-03

2014-10-26

胡志勇（1981-），男，實驗師，博士在讀，2009 年碩士畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：目前從事保溫原油管道蠟沉積規(guī)律及清管周期研究。E-mail：huzhiyong024@163.com。

吳明（1961-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，目前從事油氣儲運工程方向的研究工作。E-mail：wuming0413@163.com。