基于管道振動(dòng)的管道防腐蝕裝置

雷銘達(dá)

基于管道振動(dòng)的管道防腐蝕裝置

雷銘達(dá)

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

管道的局部振動(dòng)損傷和靜電腐蝕是目前管道運(yùn)輸所要面臨的巨大問(wèn)題，二者都有可能導(dǎo)致內(nèi)容物泄漏、爆炸等事故，而因此廢棄的管道會(huì)造成鋼鐵材料以及防腐材料的浪費(fèi)。裝置主要分為吸振發(fā)電和防腐蝕部分，通過(guò)管道的振動(dòng)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)并啟動(dòng)電機(jī)以達(dá)到儲(chǔ)能的目的，再將這部分能量用于外加電流的陰極保護(hù)法以防止管道銹蝕，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

管道振動(dòng)；管道防腐蝕；陰極保護(hù)；地下水

當(dāng)前中國(guó)油氣管道事業(yè)飛速發(fā)展，隨著2017年國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，中國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道行業(yè)迎來(lái)新一輪的發(fā)展高峰期。截至2017年底，中國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道（主要指三大油公司級(jí)省網(wǎng)公司建設(shè)的產(chǎn)地、儲(chǔ)存庫(kù)、使用單位間用于輸送商品介質(zhì)的管道）總里程已達(dá)1.314×105km。根據(jù)《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年全國(guó)長(zhǎng)輸油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到1.69×105km。

與此同時(shí)管道腐蝕與振動(dòng)問(wèn)題也逐漸被人們重視。鋼制埋地管道易被輸送介質(zhì)、地下水、土壤和雜亂電流腐蝕，最終導(dǎo)致穿孔泄漏，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。而隨著地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，埋地天然氣管道附近工程施工行為越來(lái)越多。施工過(guò)程中炸藥與沖擊鉆、強(qiáng)夯產(chǎn)生的能量形成地振波、非爆破振動(dòng)對(duì)埋地管道形成安全風(fēng)險(xiǎn)。

管道是油氣運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)施，防腐蝕一直是影響到可靠性的重要因素，以2013年發(fā)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(jīng)濟(jì)損失 7.517 2億元。而事發(fā)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(chǎn)生的地振波同樣可能破壞管道造成事故。由此可見(jiàn)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(guī)范》要求埋地油氣長(zhǎng)輸管道、油氣田外輸管道和油氣田內(nèi)集輸干線管道應(yīng)采用陰極保護(hù)。

1 方案設(shè)計(jì)

本裝置利用管道本身振動(dòng)的特性使用吸振模塊通過(guò)發(fā)電模塊的作用將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，利用電流對(duì)管道進(jìn)行外加電流的陰極保護(hù)法。減少管道的腐蝕破裂，降低發(fā)生管道泄漏、破裂事故的發(fā)生率，延長(zhǎng)使用壽命，能夠取得良好的節(jié)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(fā)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(gè)吸振模塊，吸振模塊連接發(fā)電模塊，同時(shí)外殼部分固定在地面上。裝置的運(yùn)作流程為：當(dāng)管道發(fā)生振動(dòng)，壓迫彈簧，吸振模塊開(kāi)始運(yùn)作，減少管道的振動(dòng)幅度同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電壓連接在管道上，起到防腐蝕的作用。現(xiàn)有的預(yù)防腐蝕措施效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而本裝置同時(shí)設(shè)有檢測(cè)系統(tǒng)，利用管道振動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換出的多余的電流用于維持電流監(jiān)測(cè)傳感器的運(yùn)作，以監(jiān)測(cè)管道的腐蝕速率，防止因腐蝕而導(dǎo)致的泄漏事故發(fā)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(gè)振動(dòng)模塊以及固定管道使得裝置能夠更全面地減少管道振動(dòng)，更好地保護(hù)管道。主要設(shè)計(jì)為如圖1的上下2個(gè)固定結(jié)構(gòu)組成，中間空洞為管道放置位置，可根據(jù)管道大小更改尺寸，同時(shí)在4個(gè)方位均勻設(shè)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(jié)構(gòu)分別起到固定整體裝置與發(fā)電模塊的作用，增強(qiáng)了裝置的整體穩(wěn)定性。

吸振發(fā)電模塊用于吸收管道產(chǎn)生的振動(dòng)并將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)保護(hù)管道。此模塊位于夾持模塊上的四個(gè)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(gè)扭花螺旋桿組成，在大彈簧左右放置兩個(gè)小型側(cè)彈簧，以減少其他方向上的振動(dòng)，使得吸振模塊更加穩(wěn)定。上擋片中間設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)口，使得扭花螺旋桿能夠自由伸出，當(dāng)管道振動(dòng)時(shí)，吸振模塊受到壓迫，彈簧壓縮，上下?lián)跗嚯x縮短，扭花螺旋桿從開(kāi)口伸出。

當(dāng)扭花螺旋桿伸出后，帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪帶動(dòng)小齒輪以更快的速度旋轉(zhuǎn)，接著小齒輪給電機(jī)提供動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，從而達(dá)到將管道振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的目的。

本裝置使用的是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)，工作原理是在油氣管道的回路當(dāng)中接入一個(gè)直流電源，借助電源的陽(yáng)極，把直流電通入油氣管道的金屬表面，進(jìn)而使被保護(hù)的金屬變成陰極，從而對(duì)該金屬進(jìn)行有效的保護(hù)。

本裝置運(yùn)用振動(dòng)產(chǎn)生的能量進(jìn)行發(fā)電，將電流運(yùn)用到管道的防腐蝕上，本裝置采用外加電流的陰極保護(hù)原理，通過(guò)發(fā)電模塊產(chǎn)生的電壓對(duì)裝置進(jìn)行保護(hù)，由于發(fā)電模塊產(chǎn)生的是交流電，而陰極保護(hù)需要直流電，因此，先通過(guò)橋式整流電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^(guò)電路連接到管道上與大地上，即可完成對(duì)管道的防腐蝕。通過(guò)查閱資料，對(duì)管道的外加電流陰極保護(hù)一般需要電壓在50 V左右，通過(guò)計(jì)算，得到發(fā)電模塊能夠產(chǎn)生約48 V電壓，滿足要求。

2 可行性分析

2.1 振動(dòng)分析

根據(jù)EDF的管道振動(dòng)水平公式，得到管道有效振動(dòng)速度為：

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

據(jù)計(jì)算，得到管道實(shí)際振動(dòng)actual=5.22 mm/s。

同樣的，可以得到管道能承受的最大振動(dòng)速度allow= 19.6 mm/s。

裝置通過(guò)減少二次應(yīng)力指數(shù)22的值，可以將管道從允許的最大振動(dòng)速度降低至安全振動(dòng)速度內(nèi)。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，此裝置可以減少管道73.4%的振動(dòng)速度。

2.2 對(duì)管道的腐蝕速率分析

本裝置對(duì)管道進(jìn)行防振動(dòng)與防腐蝕共同處理，在防腐蝕方面，裝置采用利用振動(dòng)轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行外加電流的陰極保護(hù)，而目前采用外加電流的陰極保護(hù)對(duì)管道使用壽命的延長(zhǎng)作用巨大，根據(jù)資料外加電流的陰極保護(hù)能夠延長(zhǎng)管道使用壽命到15年。

查數(shù)據(jù)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(hù)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(zhǎng)了管道的使用壽命。

2.3 對(duì)管道的外加電流陰極保護(hù)分析

由能量方程可得：

式（3）（4）中：p為單位長(zhǎng)度上管道質(zhì)量，根據(jù)碳鋼密度以及裝置尺寸得知值為123 kg；w為單位長(zhǎng)度管道流體質(zhì)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(fā)電功率約32.65 W。為裝置四個(gè)方向上采用高效率150 W、12 V交流增速發(fā)電機(jī)，每個(gè)增速發(fā)電機(jī)都可以達(dá)到額定電壓。總電壓預(yù)估為48 V左右，達(dá)到國(guó)家對(duì)于陰極保護(hù)電源的安全標(biāo)準(zhǔn)50 V，所以此裝置在完成陰極保護(hù)的同時(shí)，無(wú)需安裝導(dǎo)電網(wǎng)、安全墊等保護(hù)裝置，節(jié)約成本。

3 結(jié)語(yǔ)

本裝置利用管道的振動(dòng)，將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，并將電能利用在管道的防腐蝕上，為當(dāng)前許多油氣管道長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)墓艿谰S護(hù)提供了新方式，并相對(duì)于以往的方式更加方便與節(jié)約，相對(duì)于目前的處理維護(hù)方式，本裝置減少了維護(hù)成本，延長(zhǎng)管道使用壽命，降低管道運(yùn)輸成本。同時(shí)增設(shè)有監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，在計(jì)算振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率的同時(shí)能夠分析得出管道內(nèi)的大致腐蝕程度，達(dá)到最低成本的前提下能準(zhǔn)確、及時(shí)更換管道，大大降低管道更換成本。當(dāng)前中國(guó)管道運(yùn)輸快速發(fā)展，2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬(wàn)千米，因此本裝置應(yīng)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(dá)（1999—），男，山西呂梁人，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

〔編輯：張思楠〕