作者:林竹、刘本华、刘书国
    摘要：主要对用于天然气管道中减少输送阻力、提高输气量的减阻型涂料的研究和应用现状进行了介绍，并展望了减阻内涂层的发展应用前景。 
    关键词：输气管道；减阻；涂料；现状；发展
1 前言
    目前我国的天然气工业尚处于起步阶段，在一 次能源消费结构中只占约2．1％，随着国家对天然 气资源勘探开发力度的加大，我国的天然气工业将 进入一个加速发展的时期。据预测，21世纪初我国 天然气生产和消费将大幅度上升，到2010年天然 气在我国能源消费结构中的比重将提高到6％，我 国的天然气产量将达到750亿m³，进口量将达到 250亿m³，俄罗斯东西伯利亚以及中亚三国将成为 我国进口天然气的重要来源，而这都需要建设大型 的长输天然气管线。以“西气东输”管道工程为标 志，未来5～10年将有包括陕京复线、中俄韩管线等 在内的大型长输气管线得到建设或投产。预计今后 10年我国将建成10 000 km以上的输气管线。
    为减少输送阻力、提高输气效率，从新疆至上海 长达4 000 km的“西气东输”工程已在国内首次采用 了天然气管道内减阻涂料，陕京复线也准备采用内 减阻涂料。目前，天然气管道内涂层减阻技术已受 到国内相关决策部门、科研、设计及施工等单位的广 泛关注。
2 国内外应用现状
    1955年，美国田纳西天然气管线公司首次将内涂层管线投入实际应用，洲际天然气管线公司也于1959年将内涂管线投入实际应用。田纳西天然气管线公司在1958年首次进行了典型的Refugio天然气管道内涂层试验，试验结果表明，管道涂覆内涂层后的流动效率提高了6％。20世纪六七十年代，国外把涂料喷涂在油气管道内壁上，其目的主要是改善油气介质的流动性和预防管内壁结蜡。经过几十年的应用发展，管道内涂层的涂料生产和施工技术日趋成熟，欧美许多油气管道公司也开始认识到管道内涂层减阻的优越性，并对天然气管道的主干线涂覆内减阻涂层，包括横跨欧洲的马格里布管道，世界上最长的海底管道Zeepipe和加拿大到美国的联盟(Mlianee Pipeline)管道等，表1列出了最近15年国外采用内减阻涂层的长输天然气管道的技术参数情况。
    1968年，美国石油协会制定了API RP5L2《输气管道内涂层的推荐准则》，对内涂层的材料、施工和质量都作了严格的规定，之后许多国家也制定了相关的标准，包括英国的CMl、CM2等。
表l采用内减阻涂层的长输天然气管道的技术参数 

管道名称	施工或投产期	长度	管径，mm	压力，MPa
马格里布洲际管道 Alliance管道 邓比尔-佩恩输气管网 西班牙东北输气管网 Zeepipe海底管道 Statepipe海底管道	1994～1996 1998～2000 1981～1984 1982～1990 1991～1993 1985	1392 2988 1420 765 814 800	559/914/1220 914/1067 508/660 610/660/762 1016 711/762/914	7～8 <12 8.5 7.2 15.7 13.4

    目前内减阻涂层技术处于领先地位的国家包括美国、德国、英国、意大利等欧美国家，在进入20世纪80年代以后，国外大口径长输天然气管道已普遍采用内涂层减阻技术来提高输气压力，增加输气量。  
    我国输气管道的建设和运行已有几十年的历史，在此期间，我国石油工程科研单位和油田进行了许多管道内涂层技术研究。石油工程研究院对适合应用于大口径管道的减阻内涂层进行了专项调研。
    管道局和工程院的技术专家对内涂层的减阻效果进行了定量的经济性分析。1997年，石油工程建设施工专业标准化委员会制定了《钢质管道融结环氧粉末内涂层技术标准》和《液体环氧涂料内防腐涂层钢管技术条件》2个行业标准，使国内的内涂层技术逐步走向规范化。但是与国外相比，在涂料生产、涂覆工艺、施工机具、施工标准规范和涂层质量检验等方面还存在一定的差距，需要加快相关技术的研究工作，以满足我国长输天然气管道建设的需要。
3 研究发展状况
    涂料是管道内涂层的物质基础，总的来说，可用作管道内减阻涂料的涂料品种很多，包括环氧树脂涂料、环氧聚氨酯涂料、环氧酚醛涂料以及煤焦油环氧涂料等，但是由于各种涂料的性能有所不同，因此，应针对管线的不同要求筛选最适合的内减阻涂料类型。
    我们认为，长输天然气管道减阻内涂层用涂料应具备以下特点：
    (1)涂层表面光滑平整。即涂层的表面粗糙度要小，这样涂层才具有良好的减阻效果。“西气东输”要求涂层表面的平均粗糙度小于10μm。
    (2)耐磨性和硬度。由于减阻类涂层较薄，一般仅为38～80μm，因此较好的耐磨性和硬度可以保证涂层能够承受管道内砂砾和清管器所造成的磨损。
    (3)附着力。良好的附着力可保证涂层在储运、弯管、敷设和清管、运行过程中不脱落。
    (4)耐压性。能够承受气压和水压的反复变化。
    (5)易于涂装。即可在常温常湿条件下，采用普通喷涂技术施工。
    (6)耐热性。由于管道的环氧粉末外防腐层施工需要240℃左右的高温，因此若采用“先内后外”的施工方式，要求内涂层应能耐受短期高温。
    通过分析发现，环氧树脂是生产减阻涂料的最佳成膜基料，针对输气管线而言，环氧树脂具有以下几个特点：
    (1)附着力极好。环氧树脂分子结构中含有大量的羟基和醚基等极性基团，加之在固化过程中活泼的环氧基能与界面金属原子反应形成极为牢固的化学键，增强了涂层与基材的附着力。
    (2)优异的耐磨性和耐腐蚀性。环氧树脂中的苯环和固化后涂层的交联密度较高，使涂层坚硬、柔韧性好、抗渗透性强、耐水耐溶剂性好。此外，由于主链结构中的醚键具有较高的化学稳定性，使涂层抗酸、碱性能好。
    (3)能够承受压力的变化。由于环氧涂层固化时体积收缩率小，仅为2％左右，而且热膨胀系数小，因此能够耐受温度和应力的变化，另外分子中刚性的苯环和柔性的羟基能够保证固化后涂层坚硬而柔韧，物理机械性能良好。
    1957年，美国天然气协会(AGA)进行了一项称为NBl4的天然气管道内表面涂层研究，对38种不同类型的用于天然气管道内涂层的材料进行了对比和筛选，最后得出结论，环氧树脂涂料最适于天然气管道。国外目前常用的天然气管道减阻类涂料均采
用环氧树脂作为成膜基料，包括横跨欧洲的马格里布管道、世界上最长的海底管道Zeepipe和新近建成的联盟(Alliance)管道等8条长距离输气管线。
    目前国外输气管道减阻涂料产品包括英国伊伍德公司的COPON BP2306I-IF、德国Permeeor 337和丹麦Hempel 85442等产品，它们均属于环氧树脂类的双组分常温固化型涂料，具有附着力好、减阻效果好等特点，在世界各地的管道工程中得到大量应用，其中仅英国伊伍德公司的COPON 2306HF使用量就超过1×10⁴km。
    对国内而言，天然气管道减阻耐磨涂层的研究是一个新课题，以前从未进行过系统的研究和开发，也没有进行工业应用的实例，它不仅涉及对涂料成膜基料及颜填料的筛选研究，而且还要对涂层结构及施工技术进行研究，同时对减阻效果的技术经济性评价也是研究的重要内容之一。在中国石油天然气集团公司科技发展部的大力支持下，通过近两年的努力，我们完成了天然气管道减阻耐磨涂料的配方研制、性能测试、减阻效果评价、中试生产和工程化应用等方面的工作，目前已经研制开发出AW- 01天然气管道减阻耐磨涂料，并已开始在“西气东输”工程中得到应用，这是国产减阻涂料的首次工业化应用，此外，中科院金属研究所国家金属腐蚀控制工程技术研究中心也研制开发出“SLF-21管道内减阻涂料”。这些涂料在性能上已经达到国外同类产品的水平，通过努力，国内外减阻涂料技术的差距正在逐步缩小。
    在减阻效果的评价方面，国内外均进行了一些理论研究、模拟试验和现场测试。在国内，我们联合北京大学湍流国家重点试验室进行了AW-01减阻涂料减阻效果的室内模拟试验，并在港沧线进行了现场减阻效果测试。结果发现，大港现场试验得到输送流量的增加值为20．9％(对应于Re=1．9×10⁶)，而国际上加拿大、意大利、法国、前苏联和荷兰等国报道的数据分别为3．8％、6．2％、10％、12％和30％等。证明AW-01减阻涂料的减阻效果是非常明显的。
4 发展趋势
    随着管道输送工艺的不断发展，以及输送介质的不同要求，对减阻涂料的性能要求也在不断变化发展，并呈现多元化发展的趋势。减阻涂料亦由单一功能的减阻涂料向多品种、多功能的方向发展，主要的发展趋势包括以下几方面：
4．1 富气型
    目前大多数输气管道输送的天然气是经处理脱除水、硫化物和凝析液(NGL)的干气，而富气输送工艺是在输入管道前只将天然气中的水、硫化物和部分液体脱掉，将乙烷、丙烷、戊烷等重烃气保留在天然气气流中一起以气态单相输送的。与干气输送相比，富气输送其介质为高热值的富气，输送压力高达10～12 MPa，因此管道输送效率高、减少了燃料消耗，而且综合经济效益高。由美国和加拿大于2000年建成的联盟管线(Alliance Pipeline)是世界上第一条采用富气输送工艺的路上长输管线，由于采用了富气输送工艺，年输气量136亿m³的管输费仅为0．29元人民币／m³，经济效益很好。目前有关公司已开始研究铺设从俄罗斯东西伯利亚地区科维克金凝析气田到我国长达4 000多km的天然气管道，由于这里的天然气中含有较多的重质组分，而当地又没有市场，因此非常适合于采用高压富气输送。
    由于输送介质组分复杂，富含重烃气，输送压力更高，因此对富气输送管道内减阻涂料的要求比干气输送的更为严格，主要体现在以下3个方面：
    (1)由于输送压力高达10～12 MPa，因此对减阻涂料与金属基材的附着力要求更高，以避免压力变化或临时泄压可能造成的涂层脱落，保证管线的安全运行，同时也可以延长涂层的使用寿命。为此，联盟管线有限公司规定采用的富气型减阻涂料的剪切强度高达8 MPa以上。
    (2)由于在富气组分中含有大约8．5％的重烃气成分，包括乙烷、丙烷等，而干气中上述成分含量只有2．5％，这些成分虽然对金属材料没有腐蚀性，但是却可能会进入减阻涂料的有机涂层中，并产生一定的溶胀，从而影响涂层的长期使用寿命。因此联盟管线有限公司特别规定采用的减阻涂料需具备以下2个性能：第一，在70℃石油基发动机油中浸泡248 h，涂层不应出现气泡；第二，在8 275±700 kPa和70℃的磷酸酯基合成油中部分浸泡24 h，然后快速泄压，涂层不应出现气泡。
    (3)高输送压力使气体流速进一步提高，气流对涂层的冲刷作用也随之增强，这就对涂层的耐磨性提出了更高的要求，联盟管线有限公司规定采用的减阻涂料的耐磨性能要求小于40 mg/1 000 r(泰泊尔磨耗仪)。
    经过初步试验，我们发现目前常见的平气型减阻耐磨涂料在上述性能指标方面无法满足富气输送的要求，必须在此基础上进行进一步的研究和测试。
4．2 防腐型
    目前运行中的陕京管线曾在检修过程中发现局部区域存在管内积液和腐蚀沟槽的现象，这势必对运行中的管线安全造成潜在的腐蚀威胁，研制开发具有良好防腐性能的防腐型输气管道减阻涂料，以及相应的现场补口防腐施工机具和工艺，可以有效
地避免腐蚀隐患和威胁，确保输气管线的长期安全运行。
    此外，包括高耐磨型减阻涂料和油气混输型减阻涂料等也将可能成为未来减阻涂料发展的新品种。
    总之，随着输气管道工程建设的快速发展和整体输送技术的提高，以“西气东输”工程为标志，减阻涂料的研制开发已引起国内科研单位的高度重视，并得到越来越广泛的应用。