天然气管道内涂层技术研究

　　天然气管道内涂层技术研究一、前言
　　随着我国长输天然气管道建设高峰的到来，对相关领域的技术水平提出了新的、更高的要求。目前，在大口径长输天然气管线上采用内涂层技术，以达到降低管线摩阻、增加管输量的目的，这一做法在国外已普遍运用。西气东输管线将成为我国*条采用内涂层的天然气管线。从国外几十年的经验看，在钢管内壁形成一高质量、连续有效的涂层并满足大规模管道施工建设的需求，采用工厂化涂层预制即使用内涂层涂敷作业线，是一种行之有效的方法。
　　针对西气东输管线的要求，经中国石油天然气集团公司批准，中国石油天然气管道科学研究院开展了大口径天然气管道内涂层涂敷作业线研究课题的研究任务，目的是研究管道内涂层工厂预制生产工艺和技术，并设计作业线总体方案、各工序的生产装置和辅助配套系统，课题主要针对φ711～φ1200mm大口径管道。
　　科研人员首先抓住内涂层技术的几个技术关键点，经过大量的试验，在较短的时间内，成功研制出内表面抛丸除锈机和内喷涂机等关键设备的样机及辅助配套设备，在此基础上，完成了整条作业线的设计任务，填补了国内在此领域的空白，为西气东输等管线建设做好技术及设备的储备，并为今后参与世界天然气管道建设提供一种必须的施工手段。
　二、国内外概况及发展趋势
　　1．国外概况
　　国外天然气管线采用内涂层已有几十年的历史，基本上都是使用涂敷作业线在涂敷厂进行管道内壁内涂层预制，据不完全统计，涂敷量已有几万公里。因此，这种广阔的市场，促使国外各大防腐公司都已研制并装备了内涂层涂敷生产作业线及相应的现场施工机具和设备，经大量管道建设工程的实践，其涂敷作业线无论是自动化程度，还是生产速度、产品质量，技术水平已相当高，完全可以满足大规模工厂化管道预制的要求。
　　2．国内概况
　　自20世纪60年代中后期开始，我国的天然气管道建设有了较大的发展，但却从未建设过大口径(＞720m)天然气管线，已建成的管线中，一般采用添加缓蚀剂的方法对管线进行内防腐。近年来，由于我国的一些油田已进人中、后开发期，原油的综合含水率高，用于油气集输及污水回注的钢质管道内腐蚀日益严重，为此对管线内防腐技术也已进行了初步研究，大庆油田、胜利油田等相继建成了几条小口径内防腐作业线。同时，我国也制定了一系列有关内涂层的行业标准，为内防腐涂层的实施起到了规范和指导的作用。
　　因此可以说，目前国内的管道内涂层作业线主要用于小口径管道的内防腐，且各项技术尚处于起步阶段，虽取得了一些成果，但在技术水平和应用范围上与国外先进水平相比存在较大的差距，特6U是大口径天然气管道内涂层减阻技术，国内基本上还是空白。
三、内涂敷基本工艺流程
　　通过对国外技术资料的分析研究，结合国内管道涂敷企业现场施工条件，我们制定了大口径管道内涂层涂敷作业线基本工艺流程：
　　a．钢管由上管机构进入生产线。
　　b．钢管通过预热炉预热，去除管表面的水气。
　　c．进入除锈工位进行内表面抛丸处理，抛出的丸料进入底部的循环系统，粉尘回收净化处理，排出洁净气体。
　　d．在倒丸／吹扫工位清理管内钢丸和浮锈，经分离净化后，钢丸送回除锈工位循环使用。
　　e．钢管进入喷涂工位。使用高压无气喷涂机将液态涂料均匀喷涂在钢管内表面，达到要求的涂层厚度。
　　f．在表干工位采用烘干炉对钢管内壁进行烘干，以防止涂层产生流淌，同时涂层表干后便于钢管的堆放和运输。
　　e．经检测，成品管由下管机构送出生产线或直接进入外防腐生产线，不合格管进入返回线进行修补。
　　根据工艺流程，完成了大口径管道内涂层涂敷作业线全部图纸设计工作，主要包括以下内容：
　　a．预热炉的设计。
　　b．内除锈工位的设计。
　　c．倒丸／吹扫工位的设计。
　　d．内喷涂工位的设计。
　　e．烘干炉的设计。
　　f．主传动线的设计。
　　g．返回线的设计。
　　h．上下管机构的设计。
　　i．液压系统的设计。
　　j．回收分离系统的设计。
　　k．电控系统的设计。
　　1．外购设备的计算、选型。

四、关键设备的研制
　　从裸管到内涂敷成品管要经过一系列复杂的工艺过程，需要大量的设备和辅助设施，但目前只有内抛丸器和内喷涂装置国内尚无应用，因此，对这两套关键设备进行了攻关，进而研制出内抛丸除锈工位和内喷涂工位。
　　1．内抛丸除锈工位的研制
　　(1)内抛丸除锈工位的基本组成。
　　内抛丸除锈工位主要设备包括：进给小车、丸料输送臂、内抛丸器、支撑、抛丸清理室1、抛丸清理室2、旋转移动台、弹丸循环系统、提升机、除尘回收系统、液压系统、电控装置等。
　　(2)基本施工工艺。
　　钢管预热后，用拨、接管机构将它放在旋管移动台上，此时两个旋管移动台同时移动，将钢管左端送入清理室1，然后清理室2和进给小车同时沿导轨向钢管方向行走，同时钢管旋转。当清理室2进入钢管右端后，停止行走。而进给小车继续前进，将输送臂、旋转支撑和内抛丸器送入钢管内，当内抛丸器到达钢管左端后，进给小车停止前进。此时，启动内抛丸器，输送臂上的输送皮带将提升机供给的丸料送入抛丸器内，进而击打管内壁进行除锈。同时进给小车反向行走直***成整根钢管的除锈。抛丸器抛射出的丸料除小部分留在管内，其余进入丸料循环装置，重新回到提升机循环使用。在整个除锈过程中，除尘回收系统二直工作，保证烟尘不散发出来。
　　(3)基本工作原理。
　　a．内除锈方案选择。
　　目前，国内的内表面处理一般采用喷砂(丸)除锈机，可以满足小口径管的要求。但当钢管直径增大时，其工作效率会大大降低，除锈等级下降，对空压机等设备的要求也大大提高，同时喷嘴寿命较短，更换频繁。因此，我们决定采用机械式内抛丸除锈机，无论是除锈等级还是工作效率，都能满足大口径管大规模工厂化涂层预制的要求，并且与当今国外的先进水平保持一致。
　　b．内抛丸除锈的工作原理。
　　抛丸器内叶轮在高速旋转过程中产生离心力，当弹丸进入抛丸器时，便被加速带入高速旋转的分丸轮中，在离心力的作用下，弹丸由分丸轮经定向套窗口抛出，由高速旋转的叶片拾起，并沿叶片不断加速运动直***出。抛出的弹丸形成一定的扇形流束打击钢管内壁，起到除锈的作用。弹丸运动轨迹如图1所示。

图1 弹丸抛射轨迹示意图 　　 (4)内抛丸器的研制。
　　内抛丸器的研制是本课题的一个技术关键，它不但要求设备体积小，在较小的管内空间中能够有效工作，同时要求抛丸量满足需要。
钢管外壁抛丸器的驱动一般为电动机，由于电动机体积庞大，无法用于内抛丸器的驱动。因此，我们选用了液压马达作为动力，由外部油管提供高压油，通过驱动液压马达带动抛丸器高速旋转。结构上，采用抛头与液压马达前后分布、抛丸器叶轮水平放置的方案，大大减小抛丸器的外形尺寸。同时水平放置的叶轮有利于钢丸在管内多次击打，避开管底积存钢丸，提高了工作效率。
　　抛丸器由液压系统为它提供动力，可实现转速和回转扭矩无级调节。为了保证液压系统工作的可靠性，同时兼顾对抛丸器的两个要求，我们选用国外进口的液压马达和进口液压元件作为关键部件。另外，泵站采用开式循环系统，设置空气冷却器，确保整个系统具有体积小，控制操作方便等特点。
　　(5)弹丸输送系统的研制。
　　输送系统由进给小车、前部小车和输送臂组成。
　　进给小车和前部小车均设计为可在一定范围内无级调速，满足工进与快进两种工作状态的要求。它们不但可以提供行进动力，而且各设计了一个可调节的输送臂固定支撑，使弹丸平稳输送。另外，由于内抛丸器重量较大，因此我们又在输送臂前端设计了可旋转的移动支撑，支撑轮采用弹性结构以减小震动，保证了抛丸器工作的稳定性。在设计中，旋转支撑和输送臂均采用中空结构，使输送皮带和液压油管从中穿过，在满足输送功能的同时，提高强度，减小结构尺寸。
　　2．内喷涂工位的研制
　　(1)内喷涂工位的基本组成。
　　内喷涂工位主要设备主要包括：进给车、喷涂机、旋转移动台、涂料输送臂、活动漆料收集室、固定漆料收集室、固定支撑、移动支撑、回收净化系统、电控装置等。
　　(2)内涂敷的工作原理。
　　对大口径天然气管道我们采用液态涂料高压无气喷涂法进行内喷涂。
　　在形式多样的喷涂方法中，高压无气喷涂是目前国内外较先进的涂装技术，它是利用高压气体驱动涂料泵，将涂料增*压，通过狭窄的喷嘴喷出，产生负压，剧烈膨胀，使涂料形成极细的扇形雾状，高速喷向工件表面形成涂层。高压无气喷涂，由于涂料的压力高，且涂料中没有空气，使传统空气喷涂中的不足得以克服，从而提高了涂层质量，降低了成本，减少了污染，改善了工人的劳动环境。
　　(3)结构设计及技术特点。
　　喷涂系统是课题研究的又一重要环节，它直接关系到内涂层的减阻性能和涂层质量。通过反复的研究以及对国外同类设备的调研，*后确定了可行性技术方案：
　　a．采用钢管旋转而喷枪沿直线行走的方案。喷枪旋转方式对所需设备的技术要求较高，成本也相应较高，而钢管旋转不但设备简单，而且也易实现在一定范围内的无级调速，更重要的是，喷涂结束后，可以使钢管继续旋转一小段时间，以免流淌。
　　b．在钢管两端分别设置活动和定位两个漆料收集室。在两收集室中分别安装行程开关，控制管端进入的距离。为保持作业环境的空气清洁，在两个收集室顶部均安装了漆雾过滤器，使收集室内的漆雾经吸附后再通过风机排出。
　　c．喷枪的支撑机构设计为可根据钢管不同直径进行调节，并将支撑轮设计为弹性支撑，以避免经过焊缝时对喷涂质量造成影响。
　　d．钢管的旋转机构和喷枪行走小车均设计为能够在一定范围内无级调速，这样可将两者速度进行*佳匹配，以取得满意的喷涂质量和速度。
　　e．喷枪伸臂采用了活动与固定两处支撑，活动支撑始终保持在伸臂的中间位置，以保持喷枪行走的平稳性。
　　f．喷涂机具采用高效、污染小、操作可靠的高压无气喷涂方式。喷枪距管壁的距离和角度可以任意调节，并能进行远程自动控制。
　　3．试验及主要技术参数
　　(1)内抛丸除锈试验。
　　2001年5月，抛丸除锈设备在廊坊开发区管道研究院中试基地进行安装调试。由于内抛丸器为国内首台样机，为减少干扰因素，便于各种试验数据的测定与分析，我们加工制造了抛丸量不同的大小两台样机。首先对小抛丸器进行试验，目的是对弹丸轨迹、击打的有效区域进行测定，同时解决了震动与进料不畅等问题。在此基础上，对大抛丸器进行全面试验。在试验过程中发现，由于管内光线原因，对除锈质量很难目测，为此，我们截取管材为X70钢，直径φ1016管段5块，作为样块，每块宽约300～400mm，用卷板机将样块略加卷曲，使样块外弧面与φ1016管内表面基本贴平。试验时，先后将样块分别点焊在管内不同位置，对不同速度下的除锈质量进行测试。样块取出后，按照GB／T8923—1998《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》要求，测定除锈等级，测量表面锚纹深度。部分试验数据见表1。
　　(2)内喷涂试验。
　　在进行抛丸除锈试验的同时，开展了内喷涂的试验工作。试验的关键是施3232艺正确与否，这将直接影响到涂层的质量及施工的操作程序。因此，在确定施工工艺时，除参考国外同类设备的施工经验外，更多地通过试验进行尝试、摸索，*终确定了可行的施工工艺方案，并据此制订了《大口径天然气管道内壁涂敷试验操作规程》，来保证施工工艺的正确实施和试验的顺利进行，工艺流程简图如下：
　　上管→钢管→端进入固定收集室→钢管另一端进入活动收集室→钢管旋转→喷枪进入钢管并行走***端→喷枪开启并反向行走→整根钢管喷涂结束喷枪关闭→钢管停止转动→下管
　　其中喷枪直线行走速度、喷涂量与钢管转速的匹配，对喷涂质量的影响*大。首先根据所选用的电机等设备的参数进行理论计算作为基本数据，然后通过反复实测得出确切数据，同时在每一次喷涂试验后，通过测量涂层厚度并观察表面均匀度，*后确定*佳的参数。部分试验数据见表2。