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管道内涂技术在西气东输工程中的应用
2015年07月06日
1.西气东输工程的建义
随着我国经济的发展，以煤炭为主的能源消费结构造成的环境污染十分严重，大量燃煤使SO2、NOx烟尘和CO2排放量逐年增加，一些地区酸雨危害日趋严重，大气环境不断恶化．给人民生活造成很大影响。我国SO2排放量已经超过美国，为世界第一；CO2排放量仅次于美国，为世界第二。改善能源结构．加大环境治理力度，减少燃煤对环境的不利影响，开发利用优质能源任务十分迫切。
为了实现经济的可持续发展，同家已确定把开发利用天然气作为优化能源消费结构、改善大气环境的一项重要举措，并拟将天然气长输管道列入国家重点基础设施建设项目。
我国天然气资源主要分布在中西部地区，天然气利用市场主要集中在东部及沿海地区，四气东输管道工程是将我国新疆塔里木和陕甘宁气田的天然气通过管道输往急需清洁能源的东部地区，能够满足东部地区对天然气能源的迫切需要。同时，西气东输工程的实施可以使天然气资源得到充分利用，大幅度地提高我国天然气的利用水平。
西气东输工程通过建设横跨我国东西部的输气管道，把西部地区的天然气送到东部地区，实现资源供给与市场需求的衔接，把西部地区丰富的地下资源变为实实在在的经济收益。同时，管道线路途经的10个省(区)市，其中有4个省(区)属西部，气田勘探开发投资的全部、管道建设里程的66％都在西部地区，这对西部地区特别是新疆地区经济发展带来了良好的发展机遇。
作为连接我国东西部的能源纽带，西气东输管道工程的建设还可以扩大内需，增加就业机会，促进经济发展，符合国务院关于进一步加大投入，加快基础设施建设的决策。
综上所述，西气东输工程是造福沿线人民的幸福工程，在实施西部大开发战略、加快新疆地区经济发展、拉动国民经济增长、调整我国能源结构和充分利用天然气资源等方面不但有着重要的经济意义，而且还有着深远的政治意义，是一个东中西部三赢的方案。
1．1 西气东输管道工程概况
西气东输管道横贯我国东西，起点是新疆塔里木的轮南，终点是上海市西郊的白鹤镇。管道自西向东途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、浙江和上海市等10个省(区)市。管道干线全长约3900km，设计输量120×108m3／a，设计压力10．0MPa，管径为1016mm。全线采用带减阻内涂层的X70管道输送用管：一级地区采用国产螺旋焊管，二、三、四级地区采用直缝埋弧焊管。管道穿跨越长江1次、黄河3次、淮河1次，其它大型河流8次，建设陆上隧道16条。沿管道建设施工道路1105km。输气干线轮南—靖边段线路长约2363km，靖边—上海段线路长约1537km。
1．2 站场
通过工艺系统优化设计，确定了1．4～1．5压比输送方案。同时为保证管道系统安全可靠运行，压气站均采用机组备用的运行方式。
全线共设10座压气站，其中电机驱动压缩机站4座：山丹、中卫、蒲县和郑州压气站，燃气轮机驱动压缩机站6座：轮南首站、四道班压气站、哈密压气站、红柳压气站、玉门压气站、靖边压气站。
按管道输送、分配天然气的要求，全线共设工艺站场35座，包括10座压缩机站，13座分箱站、4座分输清管站、1座末站、8座独立清管站及139座线路截断阀室。各压气站(哈密、红柳压气站为无人站)和分输站按有人值守，无人操作设计。阴极保护站与工艺站场或阀室合建。
1．3 防腐
西气东输管道工程输气干线管道外防腐层采用性能价格比好的三层PE外防腐层。一般地段采用普通级，对特大型、大型河流穿越段、定向钻方式的中型河流穿越、隧道穿越及带钢筋混凝土套管穿越等级公路段等特殊重要地段采用加强级三层PE。对各压缩机站出口的管段，即从出口处起50km管段，采用最高设计温度为70℃的耐高温型三层PE防腐管。
1．4 工程建设总体安排
第一阶段：2003年9月完成靖边—上梅段管道及相应配套工程，2003年12月完成投产工作，2004年1月1日正式向上海进行商业供气。
第二阶段：2004年12月完成轮南—靖边段管道及相应配套工程，2005年4月将塔里木天然气输送到上海。形成日供气2300×104m3，年供气80×108m3的生产能力。
第三阶段：2006年12月按照供气要求，陆续完成压气站和储气库的建设。2008年形成日供气3500×104m3，年供气120×108m3的生产能力。
2.减阻内涂技术的应用
内涂技术最早主要应用于水管道，以确保获得高纯度的水，或用于气体管道，以期最大限度提高输送能力。后来发现，内覆盖层不仅可以有效地防止管道内腐蚀，而且还是提高输量的有效手段，对于干线输气管道尤为显著。因此，20世纪60年代以来，以减阻为目的内涂技术有了更快的发展。目前，西方工业发达国家都已普遍使用了减阻内涂技术。
油气管道最早使用内覆盖层是在1940年美国西德克萨斯州使用酚醛树脂对酸性原油油井套管进行内涂作业；1947～1948年，内涂技术第一次应用于含硫原油管道和含硫天然气管道；1953年，内涂层首次在美国一条直径为508mm的天然气管道上投入使用。
美国于1955年第一次采用胺固化环氧树脂覆盖层材料对长距离输气管道进行内涂覆作业。此后，在世界范围内应用减阻内涂的著名干线输气管道的典型例子不胜枚举。如1973年～1983年间修建的阿尔及利亚至意大利穿越地中海输气管道，陆上管道直径1220mm。1984～1990年英国北晦长达1746km天然气管道采用了减阻内涂技术。挪威至比利时的全长810km，管径996mm，输气压力16MPa的Zeepipe天然气管道采用内涂覆40～60μm厚的环氧树腊层。2000年10月竣工的从加拿大到美国的ALLIANCE天然气管道系统，干线全长2998km，管径914／1067mm，采用高压输送气，其内壁喷涂了50μm厚的双组分液体环氧树脂，固化成膜后作为减阻内覆盖层。
加拿大和德国所有新修建的大口径输气管道均在管道内壁喷涂环氧基涂料，以降低气体输送时的磨阻。由于该内覆盖层的作用主要不是为了仿腐，因此覆盖层厚度仅为几十微米，其费用也仅为FBE涂层的
喷涂内覆盖层后可降低气体输送时的磨阻7％～14％，对于大口径长距离输气管道可产生较好的经济效益。
在国内，内覆盖层技术已开发多年，主要应用于油气田腐蚀性介质的集输管道和注水管道上，用于防腐蚀的目的。国内的航油管道，由于对介质的纯度要求，也要采用内涂覆。此项技术的应用，延长了管道的寿命，为石油开发和生产提供了保障，取得了显著的经济效益。
西气东输工程启动之初，项目经理部委托牛国石油天然气管道工程有限公司，对天然气管道减阻内涂技术进行研究，在2000年11月项目经理部在廊坊召开了一次天然气管道减阻内涂技术研讨会，会上世界著名大的内涂公司、内涂设备生产公司和内涂涂料生产商均参加。课题组在完成减阻内涂技术研究的基础上，还为西气东输编制了《非腐蚀性气体输送管道内覆盖层推荐作法)和《西气东输管道内壁减阻覆盖层补充技术条件》两部标准。此项研究通过对管道在进行内涂前后管内壁粗糙度的参数改变而进行的工艺计算比较，对管道采用内覆盖层进行可行性分析，对国内外内覆盖层施工艺进行研究，从理论上证实了对管道采用减阻内涂后因管道水力磨阻系数的降低，对提高管输能力，减少投资费用所起到重要作用，这对于设计方案的确定提供了依据，并填补了国内减阻内涂技术标准的空白。管道内覆盖层减阻技术的研究，通过了由专家组成的验收组的评审验收，提交了成果报告，研究结果也都直接运用到了工程的设计之中。
目前，国外的减阻内涂已经实现标准化，采用的标准主要有：APl 5L2，GBE／CMl，GBE／CM2等(详见附录)。
在减阻内涂领域，国外有一批专业化施工公司，设备精良，自动化程度高，如Bredero Price公司，在北美做天然气管道内涂作业已有40年历史。英国的E．WOOD涂料公司生产的内涂涂料在工程上应用已超过40年，其内涂的管道达100000km以上。
3.西气东输工程内覆盖层工艺参数及技术要求
天然气管道的减阻内涂技术是一项经济效益显著的高新技术，虽然各国对设计所选参数取值不尽相同，但结论却是一致的，认为初期投入的成本将会有几倍的收益，管径越大、线路越长、输气量越大，收益就越高。
减阻内涂的效益主要体现在以下几个方面：
①在管径、压力不变的前提下，可提高输量；
②在输量和压力一定的前提下，可缩小管径，节约钢材；
③在管径、输量、压力不变的前提下，可减少压缩机站的站数；
④由于磨阻减小，压缩机的动力消耗减小；
⑤延长清管周期，减少清管次数；
⑥减轻管内壁腐蚀，保证介质纯度。
在西气东输可行性研究中，针对1016mm，1067mm和1118mm三种管径，采取有内涂和无内涂6个方案进行了比较，其结果见表9-1。
从表9-1可以看出：
①使用减阻内覆盖层后，在同等输量下，站间距可以增大16．2％～30％，可以减少压气站数3座；
表9-1 不同管径有无内覆盖层的各项参数的比较
②使用减阻内覆盖层后，在同样输量下，消耗的总功率可以减少18．7％～23％，若驱动机为燃气轮机的话，则自耗气可以减少13．1％～23％；
③φ1016mm管径方案使用减阻内覆盖层后，输气能力可提高6．0％，年靖气量可提高12．3×108m3；
④使用减阻内覆盖层后还可产生其它的经济效益，如减少清管次数、缩短管道干燥时间、减少管壁上物质沉积、确保气体介质纯度、减少污染等。
由于目前减阻内涂技术的先进性、成熟性，经济合理性，西气东输工程采用减阻内涂技术是必要的，也是完全可行的。这也是西气东输管道要达到世界先进水平所必需的一项代表性指标。
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随着我国经济的发展，以煤炭为主的能源消费结构造成的环境污染十分严重，大量燃煤使SO2、NOx烟尘和CO2排放量逐年增加，一些地区酸雨危害日趋严重，大气环境不断恶化．给人民生活造成很大影响。我国SO2排放量已经超过美国，为世界第一；CO2排放量仅次于美国，为世界第二。改善能源结构．加大环境治理力度，减少燃煤对环境的不利影响，开发利用优质能源任务十分迫切。
为了实现经济的可持续发展，同家已确定把开发利用天然气作为优化能源消费结构、改善大气环境的一项重要举措，并拟将天然气长输管道列入国家重点基础设施建设项目。
我国天然气资源主要分布在中西部地区，天然气利用市场主要集中在东部及沿海地区，四气东输管道工程是将我国新疆塔里木和陕甘宁气田的天然气通过管道输往急需清洁能源的东部地区，能够满足东部地区对天然气能源的迫切需要。同时，西气东输工程的实施可以使天然气资源得到充分利用，大幅度地提高我国天然气的利用水平。
西气东输工程通过建设横跨我国东西部的输气管道，把西部地区的天然气送到东部地区，实现资源供给与市场需求的衔接，把西部地区丰富的地下资源变为实实在在的经济收益。同时，管道线路途经的10个省(区)市，其中有4个省(区)属西部，气田勘探开发投资的全部、管道建设里程的66％都在西部地区，这对西部地区特别是新疆地区经济发展带来了良好的发展机遇。
作为连接我国东西部的能源纽带，西气东输管道工程的建设还可以扩大内需，增加就业机会，促进经济发展，符合国务院关于进一步加大投入，加快基础设施建设的决策。
综上所述，西气东输工程是造福沿线人民的幸福工程，在实施西部大开发战略、加快新疆地区经济发展、拉动国民经济增长、调整我国能源结构和充分利用天然气资源等方面不但有着重要的经济意义，而且还有着深远的政治意义，是一个东中西部三赢的方案。
1．1 西气东输管道工程概况
西气东输管道横贯我国东西，起点是新疆塔里木的轮南，终点是上海市西郊的白鹤镇。管道自西向东途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、浙江和上海市等10个省(区)市。管道干线全长约3900km，设计输量120×108m3／a，设计压力10．0MPa，管径为1016mm。全线采用带减阻内涂层的X70管道输送用管：一级地区采用国产螺旋焊管，二、三、四级地区采用直缝埋弧焊管。管道穿跨越长江1次、黄河3次、淮河1次，其它大型河流8次，建设陆上隧道16条。沿管道建设施工道路1105km。输气干线轮南—靖边段线路长约2363km，靖边—上海段线路长约1537km。
1．2 站场
通过工艺系统优化设计，确定了1．4～1．5压比输送方案。同时为保证管道系统安全可靠运行，压气站均采用机组备用的运行方式。
全线共设10座压气站，其中电机驱动压缩机站4座：山丹、中卫、蒲县和郑州压气站，燃气轮机驱动压缩机站6座：轮南首站、四道班压气站、哈密压气站、红柳压气站、玉门压气站、靖边压气站。
按管道输送、分配天然气的要求，全线共设工艺站场35座，包括10座压缩机站，13座分箱站、4座分输清管站、1座末站、8座独立清管站及139座线路截断阀室。各压气站(哈密、红柳压气站为无人站)和分输站按有人值守，无人操作设计。阴极保护站与工艺站场或阀室合建。
1．3 防腐
西气东输管道工程输气干线管道外防腐层采用性能价格比好的三层PE外防腐层。一般地段采用普通级，对特大型、大型河流穿越段、定向钻方式的中型河流穿越、隧道穿越及带钢筋混凝土套管穿越等级公路段等特殊重要地段采用加强级三层PE。对各压缩机站出口的管段，即从出口处起50km管段，采用最高设计温度为70℃的耐高温型三层PE防腐管。
1．4 工程建设总体安排
第一阶段：2003年9月完成靖边—上梅段管道及相应配套工程，2003年12月完成投产工作，2004年1月1日正式向上海进行商业供气。
第二阶段：2004年12月完成轮南—靖边段管道及相应配套工程，2005年4月将塔里木天然气输送到上海。形成日供气2300×104m3，年供气80×108m3的生产能力。
第三阶段：2006年12月按照供气要求，陆续完成压气站和储气库的建设。2008年形成日供气3500×104m3，年供气120×108m3的生产能力。
2.减阻内涂技术的应用
内涂技术最早主要应用于水管道，以确保获得高纯度的水，或用于气体管道，以期最大限度提高输送能力。后来发现，内覆盖层不仅可以有效地防止管道内腐蚀，而且还是提高输量的有效手段，对于干线输气管道尤为显著。因此，20世纪60年代以来，以减阻为目的内涂技术有了更快的发展。目前，西方工业发达国家都已普遍使用了减阻内涂技术。
油气管道最早使用内覆盖层是在1940年美国西德克萨斯州使用酚醛树脂对酸性原油油井套管进行内涂作业；1947～1948年，内涂技术第一次应用于含硫原油管道和含硫天然气管道；1953年，内涂层首次在美国一条直径为508mm的天然气管道上投入使用。
美国于1955年第一次采用胺固化环氧树脂覆盖层材料对长距离输气管道进行内涂覆作业。此后，在世界范围内应用减阻内涂的著名干线输气管道的典型例子不胜枚举。如1973年～1983年间修建的阿尔及利亚至意大利穿越地中海输气管道，陆上管道直径1220mm。1984～1990年英国北晦长达1746km天然气管道采用了减阻内涂技术。挪威至比利时的全长810km，管径996mm，输气压力16MPa的Zeepipe天然气管道采用内涂覆40～60μm厚的环氧树腊层。2000年10月竣工的从加拿大到美国的ALLIANCE天然气管道系统，干线全长2998km，管径914／1067mm，采用高压输送气，其内壁喷涂了50μm厚的双组分液体环氧树脂，固化成膜后作为减阻内覆盖层。
加拿大和德国所有新修建的大口径输气管道均在管道内壁喷涂环氧基涂料，以降低气体输送时的磨阻。由于该内覆盖层的作用主要不是为了仿腐，因此覆盖层厚度仅为几十微米，其费用也仅为FBE涂层的
喷涂内覆盖层后可降低气体输送时的磨阻7％～14％，对于大口径长距离输气管道可产生较好的经济效益。在国内，内覆盖层技术已开发多年，主要应用于油气田腐蚀性介质的集输管道和注水管道上，用于防腐蚀的目的。国内的航油管道，由于对介质的纯度要求，也要采用内涂覆。此项技术的应用，延长了管道的寿命，为石油开发和生产提供了保障，取得了显著的经济效益。
西气东输工程启动之初，项目经理部委托牛国石油天然气管道工程有限公司，对天然气管道减阻内涂技术进行研究，在2000年11月项目经理部在廊坊召开了一次天然气管道减阻内涂技术研讨会，会上世界著名大的内涂公司、内涂设备生产公司和内涂涂料生产商均参加。课题组在完成减阻内涂技术研究的基础上，还为西气东输编制了《非腐蚀性气体输送管道内覆盖层推荐作法)和《西气东输管道内壁减阻覆盖层补充技术条件》两部标准。此项研究通过对管道在进行内涂前后管内壁粗糙度的参数改变而进行的工艺计算比较，对管道采用内覆盖层进行可行性分析，对国内外内覆盖层施工艺进行研究，从理论上证实了对管道采用减阻内涂后因管道水力磨阻系数的降低，对提高管输能力，减少投资费用所起到重要作用，这对于设计方案的确定提供了依据，并填补了国内减阻内涂技术标准的空白。管道内覆盖层减阻技术的研究，通过了由专家组成的验收组的评审验收，提交了成果报告，研究结果也都直接运用到了工程的设计之中。
目前，国外的减阻内涂已经实现标准化，采用的标准主要有：APl 5L2，GBE／CMl，GBE／CM2等(详见附录)。
在减阻内涂领域，国外有一批专业化施工公司，设备精良，自动化程度高，如Bredero Price公司，在北美做天然气管道内涂作业已有40年历史。英国的E．WOOD涂料公司生产的内涂涂料在工程上应用已超过40年，其内涂的管道达100000km以上。
3.西气东输工程内覆盖层工艺参数及技术要求
天然气管道的减阻内涂技术是一项经济效益显著的高新技术，虽然各国对设计所选参数取值不尽相同，但结论却是一致的，认为初期投入的成本将会有几倍的收益，管径越大、线路越长、输气量越大，收益就越高。
减阻内涂的效益主要体现在以下几个方面：
①在管径、压力不变的前提下，可提高输量；
②在输量和压力一定的前提下，可缩小管径，节约钢材；
③在管径、输量、压力不变的前提下，可减少压缩机站的站数；
④由于磨阻减小，压缩机的动力消耗减小；
⑤延长清管周期，减少清管次数；
⑥减轻管内壁腐蚀，保证介质纯度。
在西气东输可行性研究中，针对1016mm，1067mm和1118mm三种管径，采取有内涂和无内涂6个方案进行了比较，其结果见表9-1。
从表9-1可以看出：
①使用减阻内覆盖层后，在同等输量下，站间距可以增大16．2％～30％，可以减少压气站数3座；
| 管径/mm | 内涂情况 | 压气站数量/座 | 平均站间距/km | 总功率消耗/MW | 总燃气消耗/(108m3/a) |
| 1016 | 有 | 18 | 192．4 | 173．8 | 5．40 |
| 1016 | 无 | 21 | 165．6 | 225．3 | 7．01 |
| 1067 | 有 | 12 | 272．4 | 126．9 | 3．94 |
| 1067 | 无 | 15 | 226．5 | 157．0 | 4．88 |
| 1118 | 有 | 9 | 364．5 | 97．5 | 3．24 |
| 1118 | 无 | 12 | 280．1 | 119．9 | 3．73 |
②使用减阻内覆盖层后，在同样输量下，消耗的总功率可以减少18．7％～23％，若驱动机为燃气轮机的话，则自耗气可以减少13．1％～23％；
③φ1016mm管径方案使用减阻内覆盖层后，输气能力可提高6．0％，年靖气量可提高12．3×108m3；
④使用减阻内覆盖层后还可产生其它的经济效益，如减少清管次数、缩短管道干燥时间、减少管壁上物质沉积、确保气体介质纯度、减少污染等。
由于目前减阻内涂技术的先进性、成熟性，经济合理性，西气东输工程采用减阻内涂技术是必要的，也是完全可行的。这也是西气东输管道要达到世界先进水平所必需的一项代表性指标。