CN112304861B - 天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法将温度、振动和水分三个主要因素在同一个实验中进行耦合作用，利用温度振动耦合实验装置，模拟压缩机出口的服役工况，同时采用从压缩机出口现场提取的土样覆盖试片，结合水分浸泡方法模拟压缩机出口管道在雨水浸泡环境下的服役工况，利用试片盒防止水分散失，以确保实验能够持续不断进行数十天甚至数百天。能够更准确地模拟压缩机出口管道服役工况，建立的模型能够更精确的预测压缩机出口管道防腐层的服役可靠性。

Description

天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法
技术领域
本发明涉及防腐层的服役性能实验方法，具体说是天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法。
背景技术
压缩机是天然气输送的动力环节，其安全运行至关重要。近年来，我国长输管线压缩机出口防腐层失效问题频发，在多处压缩机出口开挖均发现严重的防腐层失效问题。根据现有的检测统计结果，目前失效比较严重的防腐层破损面积环向达到数十厘米，轴向可达到数百厘米，防腐层大面积失效导致管线腐蚀严重。压缩机出口管道防腐层的服役可靠性问题已经越来越多地引起管道运营商的注意。
目前只有针对长输管道防腐层的高温服役状况的研究，但是并不适用于压缩机出口管道防腐层。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，保证了试验工况的相似性，实验结果可靠。
本发明是通过以下技术方案来实现：
天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，包括：
(1)参数测量：对压缩机出口管道进行振动频谱测量和温度测量，得到管道振动主频率和最大振幅以及最高温度；土样提取：在压缩机出口埋地周边提取土样；防腐层试片制备：制作试片，对试片进行防腐层的涂覆或缠绕；
(2)将防腐层试片放入试片盒中，再倒入提取的土样，向试片盒内填充水，直至水面没过土样表面，将试片盒盖子盖上，同时保留试片盒的透气孔开放；
(3)温度振动耦合试验：将步骤(2)的试片盒放入温度振动耦合试验箱内，将温度振动耦合试验箱的温度值、振动频率和振动幅值分别设定为步骤(1)得到的最高温度、主频率和最大振幅，设置试验时间进行试验；
(4)性能测试：按照相关标准规定，对温度振动耦合试验后的防腐层试片及未进行温度振动耦合试验的防腐层试片进行性能测试；性能测试完成后，根据相关标准规定的指标要求，判断未进行温度振动试验的防腐层试片及温度振动试验后的防腐层试片相关性能是否满足标准要求，若其中之一不满足标准要求，则防腐层不满足压缩机出口管道服役可靠性；若两者均满足标准要求，则防腐层满足压缩机出口管道服役可靠性。
优选的，还包括步骤(5)，预测防腐层的寿命：
按照步骤(3)，分别对防腐层试片进行不同温度、不同振动时间的温度振动耦合试验，对试验后的防腐层试片进行附着力或剥离强度测试，获得不同温度、不同服役时间的附着力或剥离强度数据，对数据拟合，获得防腐层性能退化曲线；根据曲线趋势，预测防腐层在不同服役温度的寿命。
进一步的，步骤(5)得到的防腐层性能退化曲线公式为：
Figure BDA0002693230660000021
其中，y为剥离强度或附着力，单位为N/cm或MPa；T为温度，单位为℃；tx是压缩机出口管道服役时间，t1是压缩机地区年降雨时间，单位为天；A、B、C和D均为系数，通过步骤(5)测量的数据进行最小二乘法拟合得到。
优选的，步骤(1)中，所述温度测量，在同一个管道部位至少分3个不同时间进行测量，每次测量时间间隔大于3小时，每次至少测量4个点钟位置。
优选的，步骤(1)中，所述振动频谱测量，在同一管道部位至少测试4个点钟位置，每个点钟位置测试沿管道轴向和垂直管道轴向两个方向的振动频谱，每个点钟位置连续测试振动频谱直至将振动的特征频谱全部包含。
优选的，步骤(4)中，当压缩机出口管道防腐方式为3层聚乙烯(3PE)防腐时，依据标准GB/T 23257-2017《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》，进行表1的测试项目：
表1标准GB/T 23257-2017中的防腐层型式试验
Figure BDA0002693230660000031
优选的，步骤(4)中，当压缩机出口管道防腐为无溶剂环氧防腐时，依据标准SYT0315-2013《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》进行表2的测试项目：
表2 SYT 0315-2013中无溶剂环氧涂料型式试验
Figure BDA0002693230660000032
优选的，步骤(4)中，当压缩机出口管道防腐为黏弹体胶带防腐时，依据标准SYT5918-2011《埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》进行表3的测试项目：
表3 SYT 5918-2011中黏弹体型式试验
Figure BDA0002693230660000041
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
站场压缩机出口管道防腐层的服役环境更加复杂，包含了压缩机转动引起的管道振动、气体压缩引起的管道高温以及降水引起的土壤湿度，三者耦合作用加速了防腐层的损伤。本发明将温度、振动和水分等三个主要因素在同一个实验中进行耦合作用，能够更准确地模拟压缩机出口管道服役工况，建立的模型能够更精确的预测压缩机出口管道防腐层的服役可靠性。本发明利用温度振动耦合实验装置，模拟压缩机出口的服役工况，同时采用从压缩机出口现场提取的土样覆盖试片，结合水分浸泡方法模拟压缩机出口管道在雨水浸泡环境下的服役工况，利用试片盒防止水分散失，以确保实验能够持续不断进行数十天甚至数百天。本发明将压缩机出口工况利用温度振动耦合实验机进行加速模拟，既节省了实验空间，又保证了试验工况的相似性，实验结果可以评价防腐层是否适用于压缩机出口服役工况，为压缩机出口防腐层的选型和评价提供实验依据。
进一步的，本发明不但能预测防腐层的服役可靠性，而且还能预测防腐层的服役寿命，便于工作人员在防腐层寿命结束前作出相应的处理，避免安全事故的发生。
进一步的，温度测量时测量不同时间和不同位置的温度，振动频谱测量时测量不同位置的数据，能保证数据的准确性，从而保证预测的准确性。
附图说明
图1本发明的天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性试验流程。
图2本发明的试样盒及试样摆放示意图。
图3某压缩机出口FBE防腐层附着力随时间变化的预测曲线，其中横坐标为时间，单位为天，纵坐标为附着力，单位为MPa。
图中：
1.试样盒；2.防腐层试片；3.土样；4.密封盖；5.密封条；6.透气孔。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所提出的天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性试验方法，如图1所示，包括：参数测试、土样提取、试片制备、实验准备、加速试验、性能测试、性能退化曲线拟合。
步骤一：参数测试。
参数测试包含压缩机出口管道振动频谱测试和温度测试。选择压缩机出口管道防腐层易脱落的部位进行测试，同一个场站测试1～3个部位。
所述温度测试采用常规的接触式或非接触式温度测试设备，在同一个部位至少分3个不同时间进行测量，每次测量时间间隔大于3小时，每次至少测量4个点钟位置。
所述管道振动频谱测试采用常规的振动频谱测试设备，在同一部位至少测试4个点钟位置，每个点钟位置测试沿管道轴向和垂直管道轴向两个方向的振动频谱，每个点钟位置连续测试振动频谱直至将振动的特征频谱全部包含。分析温度和频谱测试结果，记录温度测试的最高温度和频谱测试的最高主频率及最大振幅。
步骤二：土样提取。
在压缩机出口埋地周边提取干燥土样，以保证模拟式样的覆土环境与实际环境一致。土样提取量大于步骤四中盛放试片的容器容量，以保证土样能够完全覆盖试片。
步骤三：防腐层试片制备。
制作试片，所述试片为长方形的薄片，长度和宽度尺寸按照相关标准规定的待测试防腐层性能测试种类进行设计，所述试片数量为相关测试项目要求的2倍，以保证满足防腐层性能对比测试的要求。所述试片的材质与待测试压缩机出口管道材质相同或相近，以保证模拟环境的相似性。对试片进行防腐层的涂覆或缠绕，所述涂覆或缠绕工艺与现场防腐工艺相同，防腐材料与现场相同。
步骤四：实验准备。
实验准备阶段，用密封的试片盒制作现场管道服役环境。所述试片盒采用耐高温、带有透气孔且具有密封功能的容器，尺寸满足防腐层试片的盛放，且能够放入温度振动试验箱中。将一半数量的防腐层试片放入试片盒中，再倒入现场提取的土样，直至土样填满试片盒。向盛满试片和土样的试片盒内填充自来水，直至水面没过土样表面，以模拟现场管道受到雨水浸泡的恶劣环境。将试片盒盖子盖上进行密封，同时保留透气孔开放，在减缓水分蒸发的同时，保证试片盒内的水蒸气不会将盖子顶起。
步骤五：加速试验。
将步骤四准备的试片盒放入温度振动耦合试验箱内，将温度值设定为所测压缩机出口管道的最高温度。将振动频率设定为管道振动的主频率，将振动幅值设定为管道振动的最大振幅。设置试验时间为30天。
步骤六：性能测试。
加速试验结束后，依据相关标准，测试各类防腐层试片在温度振动耦合试验后的服役可靠性，同时对比未进行温度振动耦合试验的防腐层试片进行相同的测试以进行对比，为压缩机出口防腐层选型提供依据。压缩机出口管道防腐方式主要有3层聚乙烯(3PE)防腐、无溶剂环氧(FBE)防腐和黏弹体防腐。
1)对于3PE防腐：依据标准GB/T 23257-2017《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》，进行表1的测试项目。
表1标准GB/T 23257-2017中的防腐层型式试验
Figure BDA0002693230660000071
2)对于无溶剂环氧涂料(FBE)：依据标准SYT 0315-2013《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》进行表2的测试项目。
表2 SYT 0315-2013中无溶剂环氧涂料型式试验
Figure BDA0002693230660000072
3)对于黏弹体胶带防腐：依据标准SYT 5918-2011《埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》进行表3的测试项目。
表3 SYT 5918-2011中黏弹体型式试验
Figure BDA0002693230660000081
性能测试完成后，根据相关标准规定的指标要求，判断所述未进行温度振动试验的防腐层试片及进行了温度振动试验后的防腐层试片相关性能是否满足标准要求，若其中之一不满足标准要求，则所述防腐层不满足压缩机出口管道服役可靠性；若两者均满足标准要求，则所述防腐层满足压缩机出口管道服役可靠性。
步骤七：性能退化曲线拟合。
重复步骤四，分别对防腐层试片进行不同温度、不同振动时间的温度振动耦合试验，对试验后的防腐层试片进行附着力或剥离强度测试，获得不同温度、不同服役时间的附着力或剥离强度。
压缩机出口防腐层性能退化预测模型为
Figure BDA0002693230660000082
其中，y为3PE或黏弹体的剥离强度，或FBE的附着力，单位为N/cm或MPa；T为服役温度，单位为℃；tx是压缩机出口管道服役时间，t1是压缩机地区年降雨时间，单位为天。A、B、C和D分别为待定系数，与压缩机出口具体的振动工况有关。通过实验测量的结果进行最小二乘法拟合，计算确定系数A、B、C和D，即得到所研究的压缩机出口防腐层性能退化预测曲线。根据曲线趋势，预测防腐层在不同服役温度的寿命，当附着力或剥离强度低于相关标准要求值时，即认为所述防腐层达到服役寿命。
实施例一
本实施例为天然气场站压缩机出口管道FBE防腐层服役可靠性试验方法包括：参数测试、土样提取、试片制备、实验准备、加速试验、性能测试、性能退化曲线拟合。
步骤一：参数测试。
压缩机出口管道出地端防腐层易脱落，本实施例选择该部位进行测试，共测试3个管道的出地端。温度测试采用非接触式红外温度测试仪，每个管道分别在8:00、11:00、14:00间进行温度测量，每次测量管道一个环套的4个点钟位置，分别为12:00、3:00、6:00、9:00。所述管道振动频谱测试采用北京优采数据采集器，16通道，采样通过率为250kHz，采样分辨率16位，程控放大倍数1-16倍，32kB FIFO缓存，配套采集软件：LabVIEW版Samp，采样频率均为8192Hz。每个管道测量一个环套的4个点钟位置，分别为12:00、3:00、6:00、9:00。采样时长为5s。分析温度和频谱测试结果，获得压缩机出口管道最高温度为70℃，最高振动的主频率为3026Hz，最大振幅为0.87g。
步骤二：土样提取。
在压缩机出口埋地周边提取10kg干燥土样，以保证模拟式样的覆土环境与实际环境一致。
步骤三：防腐层试片制备。
制作试片，所述试片为长方形的薄片，长度和宽度尺寸按照相关标准规定的待测试防腐层性能测试种类进行设计，所述试片数量为相关测试项目要求的2倍，以保证满足防腐层性能对比测试的要求。所述试片的材质与待测试压缩机出口管道材质相同，为X60钢。采用与现场相同的刷涂工艺对试片进行无溶剂环氧防腐层涂覆，共涂覆3层，每层间隔时间为4小时，得到防腐层试片2。
步骤四：实验准备。
如图2所示，实验准备阶段，用密封的试片盒1制作现场管道服役环境。本实施例的试片盒1采用塑料保鲜盒，长20cm，宽10cm，高10cm。将一半数量的防腐层试片放入试片盒1中，再倒入现场提取的土样3，直至土样填满容器。向盛满防腐层试片2和土样的试片盒1内填充自来水，直至水面没过土样3表面，以模拟现场管道受到雨水浸泡的恶劣环境。将密封盖4盖在试片盒1上，密封条5与试片盒1边缘完全接触，以保证密封，同时保持透气孔6开放，在减缓水分蒸发的同时，保证试片盒1内的水蒸气不会将密封盖4顶起。
步骤五：加速试验。
将步骤四准备的试片盒1放入温度振动耦合试验箱内，本发明的温度振动耦合试验箱采用专利号为CN201720574717的发明装置，将温度值设定为所测压缩机出口管道的最高温度。将振动频率设定为管道振动的主频率，将振动幅值设定为管道振动的最大振幅。设置试验时间为30天。
步骤六：性能测试。
加速试验结束后，依据标准SYT 0315-2013《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》进行表2测试项目。
性能测试完成后，根据相关标准规定的指标要求，判断所述未进行温度振动试验的防腐层试片及进行了温度振动试验后的防腐层试片相关性能是否满足标准要求，测试发现FBE防腐层各项指标均高于标准要求值，因此该防腐层满足压缩机出口管道服役可靠性。
步骤七：性能退化曲线拟合。
按照步骤四，分别对防腐层试片进行不同温度、不同振动时间的温度振动耦合试验，对试验后的防腐层试片进行剥离强度测试，获得不同温度、不同服役时间的剥离强度。调研知该地区年平均降雨天数为8天，压缩机出口管道温度约为45℃，通过最小二乘法拟合获得该地区防腐层在压缩机出口管道服役工况下的性能退化曲线公式为
Figure BDA0002693230660000111
得到的压缩机出口防腐层性能退化曲线如图3所示，根据曲线趋势，该地区压缩机出口FBE防腐层在服役约14年后附着力低于标准要求值8MPa，即认为防腐层寿命为14年。
现有技术上未发现针对压缩机出口管道温度、振动、水分耦合作用服役工况的研究，仅有的研究只是相对于长输管道，不适合压缩机出口防腐层的研究。本发明的发明人调查发现压缩机出口处于高频振动状态，其管道温度最高可达到70℃以上，因此压缩机出口管线防腐层失效主要是高温和振动耦合作用的结果。因此压缩机出口的管道对防腐层性能要求较高，很多在普通管线上使用合格的防腐层也会在压缩机出口处失效。而目前相关标准对防腐层的指标要求并没有考虑温度+振动的耦合条件，管道运营商在压缩机出口防腐层材料的选材、施工工艺设计等方面无据可依。通过本发明的研究，给出了压缩机出口防腐层的服役可靠性预测方法，便于管道运营商在压缩机出口防腐层材料的选材及施工工艺设计。

Claims (6)

1.天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，其特征在于，包括：
(1)参数测量：对压缩机出口管道进行振动频谱测量和温度测量，得到管道振动主频率和最大振幅及最高温度；土样提取：在压缩机出口埋地周边提取土样；防腐层试片制备：制作试片，对试片进行防腐层的涂覆或缠绕；
(2)将防腐层试片放入试片盒中，再倒入提取的土样，向试片盒内填充水，直至水面没过土样表面，将试片盒盖子盖上，同时保留试片盒的透气孔开放；
(3)温度振动耦合试验：将步骤(2)的试片盒放入温度振动耦合试验箱内，将温度振动耦合试验箱的温度值、振动频率和振动幅值分别设定为步骤(1)得到的最高温度、主频率和最大振幅，设置试验时间进行试验；
(4)性能测试：按照相关标准规定，对温度振动耦合试验后的防腐层试片及未进行温度振动耦合试验的防腐层试片进行性能测试；性能测试完成后，根据相关标准规定的指标要求，判断未进行温度振动试验的防腐层试片及温度振动试验后的防腐层试片相关性能是否满足标准要求，若其中之一不满足标准要求，则防腐层不满足压缩机出口管道服役可靠性；若两者均满足标准要求，则防腐层满足压缩机出口管道服役可靠性；
还包括步骤(5)，预测防腐层的寿命：按照步骤(3)，分别对防腐层试片进行不同温度、不同振动时间的温度振动耦合试验，对试验后的防腐层试片进行附着力或剥离强度测试，获得不同温度、不同服役时间的附着力或剥离强度数据，对数据拟合，获得防腐层性能退化曲线；根据曲线趋势，预测防腐层在不同服役温度的寿命；
步骤(5)得到的防腐层性能退化曲线公式为：
Figure FDA0003915198140000011
其中，y为剥离强度或附着力，单位为N/cm或MPa；T为温度，单位为℃；tx是压缩机出口管道服役时间，t1是压缩机地区年降雨时间，单位为天；A、B、C和D均为系数，通过步骤(5)测量的数据进行最小二乘法拟合得到。
2.根据权利要求1所述的天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述温度测量，在同一个管道部位至少分3个不同时间进行测量，每次测量时间间隔大于3小时，每次至少测量4个点钟位置。
3.根据权利要求1所述的天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述振动频谱测量，在同一管道部位至少测试4个点钟位置，每个点钟位置测试沿管道轴向和垂直管道轴向两个方向的振动频谱，每个点钟位置连续测试振动频谱直至将振动的特征频谱全部包含。
4.根据权利要求1所述的天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，其特征在于，步骤(4)中，当压缩机出口管道防腐方式为3层聚乙烯防腐时，依据标准GB/T23257-2017《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》，进行表1的测试项目：
表1标准GB/T 23257-2017中的防腐层型式试验
Figure FDA0003915198140000021
5.根据权利要求1所述的天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，其特征在于，步骤(4)中，当压缩机出口管道防腐为无溶剂环氧防腐时，依据标准SYT 0315-2013《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》进行表2的测试项目：
表2 SYT 0315-2013中无溶剂环氧涂料型式试验
Figure FDA0003915198140000031
6.根据权利要求1所述的天然气场站压缩机出口管道防腐层服役可靠性预测方法，其特征在于，步骤(4)中，当压缩机出口管道防腐为黏弹体胶带防腐时，依据标准SYT 5918-2011《埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》进行表3的测试项目：
表3 SYT 5918-2011中黏弹体型式试验
Figure FDA0003915198140000032
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