某长输管道防腐保温设计方案

胡志勇，吴 明，富 鑫，阿斯汗

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266071； 2. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

某长输管道防腐保温设计方案

胡志勇1,2，吴 明2，富 鑫2，阿斯汗2

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266071； 2. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

介绍了某新建长输管道沿线的地质情况和输油工艺，保温输油管道防腐层和保温层选用规范和两种埋地管道阴极保护方法。根据保温输油管道防腐保温层选用规程，确定了此管道的防腐层和保温层选用方案，比较两种阴极保护方法，确定管道沿线阴极保护站的方案。

长输管道；防腐层；保温层；阴极保护

某新建长输管道密闭加热输送原油，线路全长365 km，管道材质为L450MB，管径为508 mm，壁厚为7.1 mm，管道压力8 MPa，最高温度70 ℃，管道沿程设6处热泵站，一处分输站。管道沿线两端以剥蚀低山丘陵为主，向中部过渡为冲洪积平原，地势相对两端高中间低。线路沿线通过地段地层岩性较为多样，中部的冲洪积平原地表岩性上部为黑褐色、黄褐色粉土、粉质粘土，下部主要为灰白、黄褐色粉细砂、中粗砂及圆砾层，结构松散，分选、磨圆好。区内含水岩组主要接受河流侧向渗入补给及大气降水垂直渗入补给，排泄方式以地下水径流、人工开采排泄为主。按岩土体赋水条件和含水介质的不同，可划分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两种类型。管道沿线地下水丰富、水位较高，浅层地下水埋深约为1～5 m。管道沿线河流多次穿越管道，其中定向钻小型穿越1处。

1 防腐层和保温层的选择

管道外防腐层的选用应从涂层的绝缘性、稳定性、耐阴极剥离强度、机械强度、粘结性、耐植物根刺、耐微生物腐蚀以及易于施工和现场补口等方面综合考虑，遵循“技术可靠、经济合理、施工方便”的原则，选择综合性能优良的防腐层[1]。

按照GB50538-2010[2]标准要求，长输埋地管道外防腐层一般应具备下列特性：有良好的绝缘性，涂层电阻不应小于 1×104Ω·m2，如常用的三层 PE防腐层的电阻为 10×104Ω·m2，环氧粉末防腐层的电阻为 5×104Ω·m2;有良好的稳定性：耐老化性能好；化学稳定性好，耐化学和微生物腐蚀；耐水性好，吸水率低；耐低温性能好，确保其在低温下堆放、拉运和施工时不产生龟裂和脱漆现象;有较好的阴极剥离强度，使防腐层在有效期内与管体保持紧密粘结;有足够的机械强度：有一定的抗冲击强度，以减少运输和施工过程中的损伤；有良好的抗弯曲性，以确保管道弹性敷设或冷弯时不致损坏；有良好的耐磨性，以防止土壤摩擦而损伤;与管道有良好的粘接性;抗植物根系穿透;涂料来源广泛，质量可靠，价格低廉;能机械化连续生产，满足工程建设需要;易于现场补口、补伤;外观光滑平整与土壤摩擦系数小，可减少外部阻力。

合理选择管道涂层，其评价标准应包括：原材料、涂敷工艺、管道施工及运输、工作寿命、费用等项内容。首先，必须保证所选的涂层应具有预期的功能，即必须保证管道在所要求的寿命期内不能因为腐蚀而中断管道的正常运行[3]。同时必须满足管道施工、运行的要求，并尽可能降低工程成本。

选择保温材料时，应选择导热系数低，绝热性能好，容重小，机械强度高，物理化学性能稳定，吸湿率小的材料。目前国内埋地保温管线使用的保温层主要有：硬质聚氨酯泡沫塑料、憎水性硅酸盐管壳、玻璃纤维棉被、憎水性硬质岩棉管壳[4]等，保温层比较见表1。

表1 保温层材料表Table 1 The insulation materials

2 长输管道阴极保护

在管道防腐中，将阴极保护法同涂防腐绝缘材料相结合，效果很显著[5]。其中，管线的阴极保护方法通常有强制电流法和牺牲阳极法，两种方法各有优缺点和应用范围。其中，牺牲阳极法的优点有：不需要外部电源、对邻近金属构筑物无干扰或干扰很小、保护电流分布均匀、工程规模越小越经济等；但其缺点也较为明显，如：保护年限短、不宜在高电阻率环境下使用、保护电流的大小不易调节等。因此，牺牲阳极法常用于管线较短、管径较小密集敷设的城市管网保护中[6]。

强制电流法的优点有：输出电流连续可调、保护范围大、不受环境电阻率的限制、保护装置寿命长、工程规模越大越经济等；缺点是：需要外部电源、维护管理工作量较大，而且可能会对邻近金属构筑物造成干扰。强制电流法常用于长输管线的保护。

3 管道保护方案的确定在这

目前国内外采用的管道保温结构基本形式为：钢管—防腐层—保温层—防水保护层。保温层与保护层之间用粘结剂连接，使钢管、防腐层、保温层、保护层牢固的结合在一起，提升管道的防腐保温效果，减少由于热伸缩缝等破坏因素导致的热量损失[3]。

3.1 防腐层的确定

目前，国内外对保温管道采用的防腐涂层主要有：聚乙烯（聚丙烯）胶粘带、环氧煤沥青以及环氧粉末等。聚乙烯（聚丙烯）胶粘带主要优点是施工方便，耐磨性能较好，绝缘电阻高，常用于站场内保温直埋管道的防腐。其主要缺点是粘接力较差，抗冲击性能较差，易产生剥离，不宜于用在长距离输送的管道施工。

环氧煤沥青由于是溶剂型涂料，该涂料涂刷后其溶剂挥发阶段易产生较多针孔，使环氧煤沥青防腐层质量难以保证，目前国内己基本不再采用环氧煤沥青防腐层。环氧粉末涂层比较薄，约在 200～500μm之间，其机械性能很高，与钢管表面粘结力强，绝缘性能好、耐化学介质侵蚀性能、抗冲击耐磨性能好，抗阴极剥离性能等都比较好，使用寿命长，但对熔结环氧粉末涂层相对薄、脆，容易受到机械损伤，通常与外保护层结合使用。目前，环氧粉末防腐涂层在国外应用很普遍[7]。

综上所述，环氧粉末防腐层的性能好，管线使用寿命较长，可满足工程防腐要求。本工程管道除防腐层外还有保温层和防护层，可以有效的保护防腐层。目前，国内的防腐保温管道厂均能实现环氧粉末防腐层＋保温层＋防护层的管中管的加工作业，从工艺上可满足要求。根据管道所处的地理环境将采用不同的等级。

一般地区的管道外防腐层采用环氧粉末普通级防腐，防腐层厚度≥300μm；有特殊要求的地区采用环氧粉末加强级防腐，防腐层厚度≥400μm；而定向钻穿越段采用高温型三层PE加强级防腐，环氧粉末涂层≥120μm，胶粘剂层≥170μm，聚乙烯防护层≥3.2 mm。

3.2 保温层的确定

3.2.1 管道保温结构的确定

对于长输管线，要求保温层使用寿命较长，热能损失较小。憎水性硅酸盐管壳、玻璃纤维棉被及憎水性硬质岩棉管壳价格较低，但它们的导热系数均大于硬质聚氨酯泡沫塑料，在加热原油输送过程中会产生较大的热量损失，影响保温效果，并且这些保温材料无法在工厂作业线上连续生产，不能满足工程的要求。硬质聚氨酯泡沫塑料保温层保温性能及防水性能好，与保护层同时在工厂作业线一次完成，目前该保温材料在油田、石油工程中广泛应用。本工程推荐采用硬质聚氨酯泡沫塑料保温层。

3.2.2 管道保温厚度的计算

根据《埋地钢质管道防腐保温层技术标准》GB/T 50538-2010[2]进行计算。

式中：δ—保温层厚度，mm；

D，D1—分别为保温层内径，外径，m；

h—管道中心距地面深度，m；

t1—介质温度，℃；

t2—距地面h处土壤温度，℃；

λ—保温材料导热系数，W/（m·℃）；

λt—土壤导热系数，W/（m·℃）；

α—保温层外表面向土壤的放热系数，W/（m·℃）；

B—热能价格，元/(MW·h)；

H—年运行时间，h；

A—防腐保温层单位造价，元/m3；

N—保温工程投资年分摊率。

按照上述公式进行计算后，同时结合国内已建保温管线保温层厚度，管线保温层厚度取40 mm。

综上所述，可以确定管道保温层的结构为以下三种情况。

（1）直管段管道的保温结构

直管段管道采用防腐层+保温层+防护层结构，即环氧粉末防腐层（防腐层厚度≥300μm），聚氨酯泡沫塑料保温层（保温层厚度≥40、50 mm），聚乙烯防护层（防护层厚度≥6 mm）。全部线路保温管道采用厂家预制，线路防腐保温管道端部均设置防水帽。

（2）冷弯弯管和热煨管道的保温结构

冷弯弯管的防腐保温结构与直管段相同，即环氧粉末防腐层（防腐层厚度≥300μm），聚氨酯泡沫塑料保温层（保温层厚度≥40、50 mm），聚乙烯防护层（防护层厚度≥6 mm）。

（3）热煨弯管的防腐保温结构为双层环氧粉末防腐层（防腐层厚度≥800μm），聚氨酯泡沫塑料保温层（保温层厚度≥40、50 mm），聚乙烯防护层（防护层厚度≥6 mm）。

3.3 阴极保护方案的确定

3.3.1 管道阴极保护方式

由于本工程的管线较长、管径较大、管道的防腐层较好等因素，结合管道沿线地理条件的实际情况，综合考虑管道保护年限等因素，采用强制电流法较为经济，所以本工程拟选用强制电流法对管线进行保护。同时对于需要特殊保护的局部管段采用埋设牺牲阳极的辅助保护措施。

3.3.2 阴极保护长度计算

由于防腐层的类型和质量直接关系到阴极保护电流密度和保护范围的大小，而本工程管道防腐层性能和质量都比较优异，具体阴极保护参数见表2。

表2 管道阴极保护参数Table 2 Parameters of pipeline cathodic protection

根据《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448-2008[8]对阴极保护长度进行计算。

式中：L—单侧保护长度，m；

ΔVL—最大保护电位与最小保护电位之差，V；

D—管道外径，m；

Js—保护电流密度，A/m2；

R—单位长度管道纵向电阻，Ω/m；

ρT—钢管电阻率，Ω·mm2/m；

D′—管道外径，mm；

δ—管道壁厚，mm。

选择阴极保护参数代入上式，可知新建Ф508 mm管道的单侧保护长度为54.3 km，计算结果见表3。

表3 管道强制电流阴极保护计算结果Table 3 The results of forced current cathodic protection on the pipeline

根据计算结果，整个管道阴极保护系统需要 5座阴极保护站，这些阴极保护站将与管道沿线的热泵站建在一起。

4 结 论

（1）新建管道选择外防腐层时应充分考虑涂层的绝缘性、稳定性、耐阴极剥离强度、机械强度、粘结性、耐植物根刺、耐微生物腐蚀以及易于施工和现场补口等因素，此管道的防腐保温层采用环氧粉末防腐层＋保温层＋防护层的管中管法制造。根据地理环境不同确定不同的防腐层厚度。

（2）根据管道实际情况采用强制电流法对管道进行阴极保护，特殊区段采用埋设牺牲阳极的辅助保护措施，根据公式计算出管道的单侧保护长度为54.3 km，全线需要5座阴极保护站。

［1］孟繁亮.管道防腐层破损原因及检测技术探讨[J]. 化学工程与过备, 2011(05):52-56.

［2］中国石油天然气集团公司. GB/T 50538-2010, 埋地钢质管道防腐保温层技术标准[S].北京:中国计划出版社.

［3］韩国有，刘晓燕.国内外埋地集输管道防腐保温技术及发展趋势[J].油气田地面工程,2004（12）:13-17.

［4］胡士信,董旭.我国管道防腐层技术现状[J]. 油气储运. 2004(07):27-31.

［5］宋越鹏,李辉,李建强.浅析管道防腐保温技术要点[J]. 科技资讯. 2012(21):61-66.

［6］颜东洲,黄海,李春燕.国内外阴极保护技术的发展和进展[J]. 全面腐蚀控制. 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］中国石油天然气管道工程有限公司.GB/T21448-2008，埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].北京:中国计划出版社.

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，实验师，博士在读，2009 年硕士毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：目前从事保温原油管道蜡沉积规律及清管周期研究。E-mail：huzhiyong024@163.com。

吴明（1961-），男，教授，博士，博士生导师，目前从事油气储运工程方向的研究工作。E-mail：wuming0413@163.com。