CN103048209A - 一种全尺寸管道内涂层粉尘磨损试验的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全尺寸管道内涂层粉尘磨损试验的方法；将需要作试验的钢管放置到钢管试验平台上；将节流器推进到钢管所需测试的部位；风量调节箱和滤芯除尘器分别连接在钢管的两端；文丘里喷嘴与风量调节箱入口连接，粉量控制在450g/min，粉尘浓度为2克/L；启动高压风机，打开流化床开关，用喷嘴将粉尘均匀分散到进风口，粉尘经过一个环形的通道，由滤芯回收装置将粉尘回收；采用超声波测厚仪测量内涂层厚度，在管道内壁环向均匀分布10个数据采集点，每次采集为一组共10个，对试验前后的10组数据分别求和处理，对每组数据进行对比；模拟试验数据接近实际、准确，试验过程简单、降低了大口径管道模拟试验的成本。

Description

一种全尺寸管道内涂层粉尘磨损试验的方法

技术领域

本发明涉及一种全尺寸管道内涂层粉尘磨损试验的方法。

背景技术

由于西气东输(陕京二线、西气东输二线)长距离输气工艺上的需要，设计上采用了管道内壁涂敷减阻涂层以减少内表面粗糙度，改善天然气输送管道摩阻，以实现在经济运行工况条件下输送天然气，也减少了增加压缩机等一系列输气设施建设期投资。有资料表明，具有内壁减阻涂层的天然气管道能够增加输量5～15％，同时减少了压缩机的数量、降低了压缩机机的能耗，很明显内壁减阻涂层给天然气管道带来的效益是显著的。

由于天然气输送带有微量的天然气粉尘颗粒，含有400～600目的天然气粉尘99％是氧化铁，天然气在管道内运行速度达到15m/s，对管道内壁具有一定的冲刷作用，管道长时间的输送运行，天然气粉尘对内壁减阻涂层会产生磨损，改变了内壁减阻涂层的表面粗糙度。

另外，由于内壁减阻涂层没有内补口，尽管管线内输送的是干燥的天然气，不能排除天然气中有微量腐蚀物对内涂层的腐蚀作用，可能导致内涂层边缘被不断地的剥离，然后碎屑被冲刷到场站工艺设备中，在西气东输场站工艺设备检修中，这种情况实际上是存在的。

因此，开展全尺寸模拟试验的目的是为了确定天然气粉尘对管道内壁减阻涂层的损伤规律，建立磨损与粉尘粒度之间的量化关系，为内涂层数据库的建立、测试技术标准、寿命分析提供主要技术参数保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、可操作性强的管道内壁减阻涂层试验的方法，用于全尺寸天然气管道内涂层的试验，检测内涂层的表面粗糙度及磨损量，为管道内涂层使用寿命进行评估，完善管道内涂层技术标准，为今后输气工艺设计、管道运行维护、内壁减阻涂层预制施工、延长管道内涂层使用寿命提供依据。

本发明所述的管道内壁减阻涂层粉尘磨损试验方法的设备，试验设备为一套固定安装的试验设备，由钢管试验平台1、风量调节箱2、节流器3、滤芯除尘器4、高压风机5、粉尘流化床及文丘里射流喷嘴6组成。该设备使试验接近管道大排量输送实际工况，模拟天然气管道粉尘对内涂层冲刷，对内涂层磨损结果进行测试。

粉尘磨损试验设备

粉尘磨损试验设备包括调节风箱、粉尘释放系统、风管、管件、调风阀、滤芯回收装置、风机及电机、节流器和粉尘流化床。表1给出了管道内涂层全尺寸粉尘磨损试验设备明细。

表1天然气管道内涂层全尺寸粉尘磨损试验设备明细

粉尘粒径的选择

天然气管道粉尘磨损试验涉及的混合物为气相悬浮物也称为气溶胶。存在于管道内的硫化亚铁具有凝聚性，这种颗粒的特点是由化学反应而得，有凝聚性的粉尘在凝并过程中，由于表面电荷的作用，通过在管道内相互摩擦、接触而结合成较大颗粒，在较为稳定状态下(管输状态)，粉尘的粒径一般在10～40μm之间，绝大多数分布在20～25μm左右(600目～800目)；粉尘的颗粒大小是其主要物理性质之一，对管道的磨损作用取决于粉尘的粒径。

硫化亚铁粉尘在遇到空气时会进一步氧化，过多聚集的粉尘此时会产生自燃，管存状态下的硫化亚铁具有很好的浸润性，能够很容易被水或其他溶液润湿结合，大气状态下的硫化铁的浸润性较差，其粒径在1.0μm，小粒径的颗粒存在环绕气膜的现象。

尽量采用与天然气管道内粉尘相同粒径的粉尘粒径，试验用粉尘采用硅微粉，其粒径与天然气粉尘粒径相当。一般工业上粉尘的粒径主要指算数平均粒径，内涂层磨损试验所用的粉尘为筛分粒径，这是由于试验的粉尘要通过工业筛网获得，按筛网的目数换算出粉尘的粒径。表2给出了工业筛网目数与粒径的换算关系。

表2工业筛网目数与粒径的换算

序号	目数(mesh)	粒径(μm)
			1	400	38
2	600	23
			3	800	18

粉尘混配比例

天然气粉尘颗粒具有一定粒径分布范围，作为替代天然气粉尘的颗粒为几种不同粒径的硅微粉按一定的比例混配在一起。在试验中混配后的粉尘装入粉末流花装置，然后由文丘里管喷到试验管进风口均匀释放，释放的粉尘在强气流的作用下带入管道，试验的目的就是测试带有粉尘的高压气流通过内涂层表面时是否具有冲刷作用。表3给出了试验粉尘混配比例。

表3试验粉尘混配比例

混合比例	目数(mesh)	粒径(μm)
			15％	400	38
30％	600	23
			35％	800	18
20％	1000	15

离心高压风机选型

全尺寸管道内流速应合理确定，气流速度太小，粉尘易沉积，达不到试验要求，若气流速度达到要求，试验设备通风系统必然十分庞大，采用的风机将达几百千瓦，一般实际的气流速度要比理论计算的流速大2～4倍，通风管道上装有风阀，通过调节阀门达到调节风量的目的。

热风循环试验为高压强制通风，空气输送温度不大于65℃，采用的离心风机应具有效率高、噪声低、性能曲线平坦、高效区宽广的特点。本发明采用9-26型高压离心风机，转速2900r/min，全风压5000～8000Pa，风量5000～8000m³/h。

节流器

为使试验管道内流速与天然气管道工况相当，即达到25～110m/s的流速，在

管道内所达到的流量为500～1200m³/min，如此大的排量，常规的方法将采用大排量高压离心风机，单就试验而言，是不现实的。

因此采用管道节流器可以减小试验投资，缩短试验周期，也能达到试验效果。

节流器就是一种圆形装置，装在管道内，与管道内壁形成一环形流道，节流的面积为管道截面积的1/10，通过风量调节阀调节，气流速度依然能达到65～110m/s的流速，试验能够在接近天然气输送条件下进行。

内涂层粉尘磨损试验设备技术规格

(1)管径适应范围：φ1016mm  钢管长度8000～12000mm

(2)适应内壁减阻涂层材料类型：无溶剂双组分液态环氧树脂涂层

(3)处理风量：3000m/min

(4)风压：8000～12000Pa

(5)风机功率：15kW

(6)节流量：90％

(7)风速范围：25～110m/sec

(8)滤芯面积：150m²

(最高工作压力：16MPa)

通过使用本发明的方法和设备，可以模拟接近实际运行工况的粉尘磨损试验，测定天然气粉尘对管道内壁减阻涂层的损伤规律，建立磨损与粉尘粒度之间的量化关系，使试验数据更为接近实际情况和准确。采用本方法使试验过程简单、易行，并且降低了大口径管道模拟试验的成本。

附图说明

图1天然气管道内涂层全尺寸粉尘磨损试验设备平面布置示意图。

其中：1钢管试验平台、2风量调节箱、3节流器、4滤芯除尘器、5高压风机、6粉尘流化床和文丘里射流喷嘴；

具体实施方式

为了更明确的阐述本发明所述管道内涂层粉尘磨损设备和测试方法，特给出下述实施例。

试验设备为一套固定安装的试验设备，由钢管试验平台1、风量调节箱2、节流器3、滤芯除尘器4、高压风机5、粉尘流化床及文丘里射流喷嘴6组成。设备平面布置示意图如图1所示。

(1)试验前准备

试验设备即钢管试验平台1为型钢焊接结构，需要作试验的钢管放置到钢管试验平台上。将节流器推进到所需测试的部位，节流器长度为1400mm，为内壁减阻涂层磨损区轴向长度，节流器外壁与试验钢管内壁形成一个环形通道。节流器的节流面积为整个管子内经面积的90％，在采用大处理量风机进行试验，达到节能降耗、减少投资的试验目的。

由于钢管为8000～12000mm，一根钢管可以做7～10组试验。风量调节箱2和粉尘回收装置4与管道连接在一起，为方便试验，所有的连接全部为软连接。风量调节箱和滤芯除尘器具开有气压取样口，连接气压计。安装好文丘里喷嘴，调节出粉量，粉量控制在450g/min，保证在粉尘浓度2克/L的粉尘。

(2)试验过程

启动高压风机，到正常转速后打开风阀，风速在20m/sec，记录气压计。

打开流化床开关，在硅微粉均匀流化状态下打开文丘里喷嘴，用文丘里喷嘴将粉尘均匀分散到进风口，由于节流器的作用，粉尘经过一个环形的通道，最后由滤芯回收装置将粉尘回收再利用。

内壁减阻涂层在粉尘的冲刷下将产生变化，粉尘对内壁减阻涂层的作用结果是改变内壁减阻涂层的表面粗糙度，接下来是壁厚减薄的作用。

模拟天然气粉尘对管道内减阻涂层进行冲刷，通过试验获得内壁厚度变化数据，采用内壁减阻涂层厚度测试方法，比较试验前内涂层厚度和试验后内涂层厚度。

(3)试验数据及结果

本发明实施例试验对象为国内某天然气干线φ1016管道，具有在工厂预制好的内壁减阻涂层；同样适合试验不同管径具有减阻涂层的输气管道。

内涂层试验条件为：

设计输量：50～120亿m³/年            设计压力：10MPa

管径及材质：

外防腐涂层：三层PE

内涂层干膜厚度：51μm±5μm；锚纹深度：30～50μm之间，

内涂层材料：美国3M

涂敷商：康盛亚东(榆林)、中油防腐(太原)、华北油田涂层分厂(青县)

①试验前数据

试验前第一组厚度总和：

试验前第二组厚度总和：

试验前第三组厚度总和：

试验前第四组厚度总和：

试验前第五组厚度总和：

②试验后数据

试验后第一组厚度总和：

试验后第二组厚度总和：

试验后第三组厚度总和：

试验后第四组厚度总和：

试验后第五组厚度总和：

注：h代表厚度，h_01-1代表的厚度为试验前测试的第一组(01)的第一个数据(-1)，如此类推。

测试的数据是直接采用超声波测厚仪测量内涂层厚度，在管道内壁环向均匀分布10个数据采集点，每次采集为一组共10个，然后对试验前后的10组数据分别求和处理，对每组数据求和计算结果进行数据对比分析。表3给出了粉尘磨损试验测试数据。

表3粉尘磨损试验数据测试表

两个阶段的数据分别求和后得到：

通过仪器测试，试验前后内涂层平均值相差1.4μm，磨损量为1.8％。

另外，为了明确试验前后内涂层表面粗糙度的变化，利用三维白光干涉表面形貌仪，分别对实验前后的管道内涂层取样进行了分析。磨损试验确实对涂层表面造成了一定程度的损伤，仪器分析得到的表面粗糙度从3.12μm增加到了3.46μm，增加幅度约10％。

Claims (1)

1.一种管道内壁减阻涂层粉尘磨损试验的方法，其特征在于：

试验设备为一套固定安装的试验设备，由钢管试验平台、风量调节箱、节流器、滤芯除尘器、高压风机、粉尘流化床及文丘里射流喷嘴组成；

(1)试验前准备

钢管试验平台为型钢焊接结构，将需要作试验的钢管放置到钢管试验平台上；将圆柱体结构的节流器推进到钢管所需测试的部位，节流器长度与内壁减阻涂层磨损区轴向长度相等，节流器外壁与试验钢管内壁形成一个环形通道，节流器的节流面积为整个管子内经面积的90％；

风量调节箱和滤芯除尘器分别连接在钢管的两端，风量调节箱和滤芯除尘器分别开有气压取样口与气压计连接；文丘里喷嘴与风量调节箱入口连接，粉量控制在450g/min，粉尘浓度为2克/L；

(2)试验过程

启动高压风机，到正常转速后打开风阀，风速在20m/sec，记录气压计；

打开流化床开关，在硅微粉均匀流化状态下打开文丘里喷嘴，用喷嘴将粉尘均匀分散到进风口，由于节流器的作用，粉尘经过一个环形的通道，最后由滤芯回收装置将粉尘回收再利用；

(3)试验数据的采集和处理

采用超声波测厚仪测量内涂层厚度，在管道内壁环向均匀分布10个数据采集点，每次采集为一组共10个，然后对试验前后的10组数据分别求和处理，对每组数据求和计算结果进行数据对比分析；

①试验前数据

试验前第一组厚度总和：

试验前第二组厚度总和：

试验前第三组厚度总和：

试验前第四组厚度总和：

试验前第五组厚度总和；

②试验后数据

试验后第一组厚度总和：

试验后第二组厚度总和：

试验后第三组厚度总和：

试验后第四组厚度总和：

试验后第五组厚度总和。

Images