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      石油管道防腐機(jī)理與技術(shù)探究

      2021-01-02 20:46:09吳金萍
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年29期
      關(guān)鍵詞:玻璃鋼內(nèi)襯緩蝕劑

      吳金萍

      (國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司蘭成渝輸油分公司,四川 成都610000)

      在石油管道的生產(chǎn)制造、安裝敷設(shè)和使用維護(hù)等階段,防腐處理是共同關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是對(duì)于一些使用年限較長(zhǎng)的老舊石油管道,或者是在石油含水率較高的情況下,管道內(nèi)壁腐蝕的情況尤為嚴(yán)重。我國(guó)每年因石油管道腐蝕引發(fā)的石油泄漏事故屢見不鮮,由此帶來(lái)的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失也特別嚴(yán)重。明確石油管道的腐蝕類型和腐蝕機(jī)理,進(jìn)而采取針對(duì)性的防腐技術(shù),能夠更好地提升防腐效果。除此之外,新材料、新工藝的研發(fā)和應(yīng)用,在降低防腐成本和增強(qiáng)防腐效果方面也有積極作用。研發(fā)和推廣石油管道防腐新技術(shù)已成為當(dāng)下石油行業(yè)工作人員的重要研究課題。

      1 石油管道腐蝕常見類型與內(nèi)在機(jī)理

      1.1 硫化氫腐蝕

      硫化氫(H2S)是一種溶解度極高的氣體,干燥狀態(tài)下不會(huì)對(duì)金屬管道產(chǎn)生腐蝕,但是在溶于水之后,發(fā)生離解并使水體呈酸性,從而對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕。H2S徹底離解后,得到H+和S2-兩種離子,腐蝕機(jī)理為:

      陽(yáng)極:Fe→Fe2++2e;陰極:2H+2e→Had→H2。

      研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)石油中硫化氫濃度較低時(shí),腐蝕產(chǎn)物以硫化鐵(FeS)為主,它能夠附著在金屬管道內(nèi)壁上,形成一層致密的膜,起到保護(hù)金屬管道的作用,延緩腐蝕進(jìn)程;當(dāng)石油中硫化氫濃度較高時(shí),腐蝕產(chǎn)物以二硫化鐵(FeS2)、四硫化三鐵(Fe3S4)為主,這兩種化合物為疏松的層狀結(jié)構(gòu),會(huì)進(jìn)一步加快腐蝕速率。除了硫化氫濃度影響石油管道腐蝕速率外,如果石油管道內(nèi)壁上出現(xiàn)裂紋,也會(huì)為溶液中H+的富集提供良好條件,因此裂縫處腐蝕情況會(huì)更加明顯。

      1.2 二氧化碳腐蝕

      二氧化碳(CO2)溶于水后,得到呈弱酸性的碳酸,溶液中游離的H+具有極強(qiáng)的氧化性,會(huì)促使陽(yáng)極鐵溶解,從而對(duì)金屬管道產(chǎn)生腐蝕。其腐蝕機(jī)理為:

      陽(yáng)極:Fe→Fe2++2e;陰極:H++2e-→H2。

      在pH相同的情況下,二氧化碳溶于水后形成的碳酸,其腐蝕速率高于鹽酸;在相同的溶液中,溫度與腐蝕速率呈正相關(guān)關(guān)系,即溫度越高,石油管道腐蝕速率越快。除此之外,二氧化碳還能與硫化氫產(chǎn)生協(xié)同腐蝕,當(dāng)石油管道內(nèi)同時(shí)存在兩種氣體時(shí),腐蝕速率會(huì)進(jìn)一步加快。

      1.3 空泡腐蝕

      在石油管道內(nèi),當(dāng)石油以較快速度流動(dòng)時(shí),在管道表面會(huì)產(chǎn)生若干渦流,在發(fā)生渦流處有不同數(shù)量的氣泡快速生成、破滅,瞬間破裂的氣泡會(huì)產(chǎn)生沖擊力,長(zhǎng)此以往就會(huì)在管道表面出現(xiàn)磨蝕痕跡,這種現(xiàn)象稱為空泡腐蝕。在腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的早期,多以管道內(nèi)壁出現(xiàn)蜂窩或裂紋為主,隨著腐蝕的加重,零散分布的空洞、裂縫會(huì)不斷擴(kuò)大并連接成片,最終形成氣蝕斷裂。影響空泡腐蝕速率的有多種因素,其中又以流體含氣量影響最大。含氣量越高的情況下,石油撞擊管道內(nèi)壁產(chǎn)生的氣泡數(shù)量也會(huì)越多,從而使得腐蝕范圍更廣、腐蝕速度更快。

      1.4 湍流腐蝕

      石油在管道內(nèi)以較快速度流動(dòng)時(shí),流體與管壁之間存在一定的摩擦力,石油管道投入使用的年限越長(zhǎng),因?yàn)槟Σ亮Χ斐傻哪p情況會(huì)變得越嚴(yán)重,從而形成磨蝕損壞。其中,因?yàn)橥牧鞫l(fā)的磨蝕,又稱為湍流腐蝕。相比于普通的磨蝕,湍流腐蝕對(duì)石油管道造成的破壞更加明顯,一方面是因?yàn)橥牧鞯拇嬖?,使得腐蝕介質(zhì)與金屬管道的接觸更加頻繁,另一方面是因?yàn)橥牧鞯拇嬖冢菇饘俦砻娈a(chǎn)生了額外的切應(yīng)力,由石油流體帶來(lái)的切應(yīng)力會(huì)加速管道內(nèi)壁松腐蝕產(chǎn)物的剝離,從而加快了腐蝕速率,在相同時(shí)間內(nèi)管道腐蝕情況也會(huì)變得更加嚴(yán)重。

      2 石油管道內(nèi)壁防腐技術(shù)

      2.1 緩蝕劑技術(shù)

      按照主要成分的不同,石油管道防腐中常用的緩蝕劑有鏈狀有機(jī)胺緩蝕劑、季銨鹽緩蝕劑、咪唑啉緩蝕劑等若干種類型;按照電化學(xué)作用機(jī)理的不同,又可以將其分為陽(yáng)極型、陰極型和混合型緩蝕劑。雖然在具體分類上有所差異,但是其防腐機(jī)理和使用方法大體相同。在石油管道的起始位置,向石油中加入適量的緩蝕劑,之后在緩蝕劑的作用下,管道內(nèi)壁上會(huì)形成鈍化膜、沉淀膜等不同類型的保護(hù)膜。根據(jù)膜的具體類型,有的是起到降低摩擦阻力的效果來(lái)削弱腐蝕,有的是起到保護(hù)金屬材料的效果來(lái)延緩腐蝕。相比于內(nèi)涂鍍層等常用防腐技術(shù),加入緩蝕劑進(jìn)行管道防腐,具有操作更加簡(jiǎn)單、綜合成本更低的優(yōu)勢(shì),另外其還具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,是油氣工業(yè)中比較常見的一種防腐技術(shù)。

      2.2 內(nèi)涂鍍層技術(shù)

      在石油管道內(nèi)壁均勻噴涂一層惰性防腐材料,一來(lái)可以使原本粗糙的管道表面變得光滑,減小石油流動(dòng)使的摩擦系數(shù),二來(lái)可以發(fā)揮對(duì)金屬管壁的保護(hù)作用,防止酸性或鹽類物質(zhì)的腐蝕。根據(jù)使用材料的不同,目前常用的內(nèi)涂鍍層技術(shù)又可以分為環(huán)氧粉末涂敷和液體環(huán)氧涂料噴涂?jī)煞N。

      2.2.1 環(huán)氧粉末涂料

      這類涂料具有諸多性能優(yōu)勢(shì),例如附著力強(qiáng),噴涂前只需要做好管道內(nèi)壁表面的清理即可,不需要提前噴涂底漆,工序較為簡(jiǎn)單,作業(yè)相對(duì)方便;還有就是流平性較好,能夠形成厚度均勻、密度一致的保護(hù)層,既保證了管道內(nèi)壁光滑,又可以發(fā)揮很好的防腐效果。按照微觀組分的不同,又細(xì)分為雙氰胺固化環(huán)氧粉末涂料、酚醛固化環(huán)氧粉末涂料、環(huán)氧聚酯粉末涂料等若干種類。不同類型的涂料在實(shí)用功能和化學(xué)性質(zhì)上存在差異,在噴涂作業(yè)時(shí)要根據(jù)所選材料的類型確定最佳的噴涂方式。

      2.2.2 液體環(huán)氧涂料

      這類涂料在使用時(shí),需要配合使用固化劑,并根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書將液體環(huán)氧涂料和固化劑進(jìn)行配比,充分拌勻后使用。噴涂時(shí),做好石油管道內(nèi)壁的清潔處理,除了清理表面的灰塵、松散的金屬顆粒外,還要采取噴丸除銹的方式,將管道內(nèi)壁局部生銹的地方打磨干凈。之后從石油管道的一端,連接空氣壓縮機(jī),使用干燥、無(wú)油的空氣將管道內(nèi)的鐵銹、砂粒等清理干凈,之后再噴涂液體環(huán)氧材料。目前的噴涂方式有多種,比較簡(jiǎn)單的有空氣噴涂,以及近年來(lái)出現(xiàn)的旋杯靜電噴涂等。噴涂前通過(guò)搖晃使材料混合均勻,裝入專用的噴涂設(shè)備中,調(diào)節(jié)好參數(shù)后,在管道內(nèi)壁上噴出涂料,硬結(jié)后得到一層密致且均勻的防腐層。為了提升防腐效果,通常需要在第一遍噴涂結(jié)束后,間隔2h左右再噴涂第二遍。之后靜置約6h,使用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查,以判斷噴涂效果是否達(dá)標(biāo),以表面光滑、無(wú)氣泡為宜。使用無(wú)損檢測(cè)儀,以判斷噴涂厚度是否一致。

      2.3 陰極保護(hù)技術(shù)

      電化學(xué)腐蝕也是石油管道內(nèi)壁腐蝕的一種常見形式,陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)防止此類腐蝕有顯著作用。外加電流的陰極保護(hù)法需要從外部通入電流,抵消腐蝕電池產(chǎn)生的電流,進(jìn)而達(dá)到延緩或阻止電化學(xué)腐蝕的效果。但是考慮到石油管道的跨度較大,每隔一段距離設(shè)置一處電源提供電流,一來(lái)施工比較繁瑣,二來(lái)也無(wú)法保證電流供給的穩(wěn)定性。因此,犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性上有更為突出的優(yōu)勢(shì)。其原理就是把一塊活潑性較強(qiáng)的金屬塊,放置于石油管道上,這樣當(dāng)發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),首先消耗金屬塊,從而達(dá)到了保護(hù)金屬管道的目的。

      2.4 耐蝕性基材

      上述幾種防腐技術(shù)都是采用外部手段保護(hù)石油管道,而挑選耐蝕性基材則是從根本上增強(qiáng)石油管道的防腐能力,是一種性價(jià)比更高的防腐措施。根據(jù)基材種類的不同,大體可分為金屬基材和非金屬基材2種。前者又細(xì)分為合金、不銹鋼等類型,例如13Cr馬氏體不銹鋼,無(wú)論是在酸性環(huán)境下,還是長(zhǎng)期與鹽類接觸中,都能保證石油管道不受腐蝕;鐵鎳合金的耐蝕性優(yōu)越,且不容易出現(xiàn)裂紋、蜂窩,對(duì)防止點(diǎn)狀腐蝕、縫隙腐蝕有良好效果,此外還有極強(qiáng)的力學(xué)性能,有助于提高石油管道的承壓能力。后者又細(xì)分為塑料、橡膠、陶瓷等類型,除了增強(qiáng)耐腐蝕能力外,還具有一定的環(huán)保效益,也是目前石油管道加工制作中較為常用的耐蝕性基材類型。

      2.5 襯里技術(shù)

      該技術(shù)的原理是在石油管道內(nèi)增加內(nèi)襯,并且保證與管道內(nèi)壁緊密貼合,除了提高管道耐腐蝕、耐磨蝕性能外,還具有承壓、阻垢的效果,對(duì)延長(zhǎng)石油管道整體壽命也有積極效果。翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯是一種比較成熟的襯里工藝,防腐機(jī)理選用的是具有防滲效果好、耐腐蝕能力強(qiáng)的復(fù)合纖維軟管,將其放入環(huán)氧樹脂中浸泡,以空氣作為動(dòng)力,將軟管置于石油管道內(nèi)。待樹脂材料干燥后,將軟管與金屬管道緊密連接成一體,以軟管作為內(nèi)襯,起到保護(hù)金屬管道的作用。這種技術(shù)適用于那些地下管線較為復(fù)雜、作業(yè)難度較大的情況,使用該技術(shù)能夠簡(jiǎn)化操作、節(jié)約成本。有研究表明,相比于未采取任何防腐措施的石油管道,采用翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法處理的石油管道,其壽命可延長(zhǎng)20-30年。

      3 玻璃鋼內(nèi)襯管防腐技術(shù)的應(yīng)用

      3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

      玻璃鋼(FRP)是一種由玻璃纖維和合成樹脂組合而成的復(fù)合材料,將其作為石油管道的內(nèi)襯,一方面是利用其耐腐蝕、不結(jié)垢的特點(diǎn),發(fā)揮理想的防腐效果;另一方面,利用其質(zhì)輕而硬、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn),從內(nèi)部發(fā)揮對(duì)管道的支撐、加強(qiáng)作用。在選用玻璃鋼時(shí),不同類型的合成樹脂會(huì)對(duì)玻璃鋼的性能產(chǎn)生直接影響,例如雙酚A型聚酯對(duì)堿性腐蝕的抗性較好,而氯氤酸型聚酯對(duì)酸性腐蝕的抗性更強(qiáng),呋喃樹脂在高溫環(huán)境下不容易發(fā)生變形,乙烯基酯樹脂在強(qiáng)氧化環(huán)境下也能保持物理與化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定。因此,在技術(shù)應(yīng)用時(shí),根據(jù)石油管道的運(yùn)行環(huán)境和防腐要求,科學(xué)選擇恰當(dāng)類型的合成樹脂,與玻璃纖維混合制成玻璃鋼材料,對(duì)提高石油管道的防腐效果有積極作用。

      3.2 施工要求

      在安裝玻璃鋼之前,要做好石油管道內(nèi)部處理。要求石油管道沒(méi)有明顯變形,并且提供足夠的剛度。在金屬管道的焊接處,不允許有毛刺、焊渣,如果有異常凸起要使用砂輪進(jìn)行磨平。檢查管道內(nèi)壁有無(wú)銹蝕情況,如果有也要除銹,保證內(nèi)壁光滑,呈銀灰色。使用清潔、干燥的空氣吹凈,然后均勻涂刷一層底漆。盡量選擇收縮率小、粘結(jié)性強(qiáng)的樹脂材料作為底漆,優(yōu)先考慮環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。噴涂底漆應(yīng)保證均勻,為下一步安裝內(nèi)襯玻璃鋼管創(chuàng)造良好的環(huán)境。將準(zhǔn)備好的玻璃鋼管放置于內(nèi)襯機(jī)的管坯架上,使用兩側(cè)的夾具進(jìn)行固定,然后由內(nèi)襯機(jī)提供進(jìn)給動(dòng)力,推動(dòng)玻璃鋼管進(jìn)入到涂有底漆的石油管道內(nèi),將端口封閉后完成內(nèi)襯施工。

      3.3 質(zhì)量檢查

      完成內(nèi)襯施工后,還要對(duì)石油管道的玻璃鋼內(nèi)襯層進(jìn)行質(zhì)量檢查,確保達(dá)到理想的防腐效果。根據(jù)檢查項(xiàng)目的不同,選擇相應(yīng)的檢查方法,例如裂紋、氣泡檢查,可以使用目視法,或者是內(nèi)窺鏡法;內(nèi)襯層厚度檢查,則需要借助于單面測(cè)厚儀等專用設(shè)備。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),使用雙層布的玻璃鋼,厚度不得低于0.5mm;使用四層布的玻璃鋼,厚度不得低于1.0mm。使用工具將玻璃鋼內(nèi)襯管切開,得到20mm×40mm的長(zhǎng)方形切口,觀察玻璃鋼與金屬管之間的粘結(jié)效果,如無(wú)明顯分層或夾雜氣泡即為合格。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      做好石油管道防腐工作,對(duì)維護(hù)石油公司自身利益,以及保障不同地區(qū)用油需求,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的發(fā)展有積極影響?,F(xiàn)有的防腐技術(shù)體系中,既有“治本”的技術(shù)措施,如在石油管道生產(chǎn)、制造階段,選用橡膠、不銹鋼等耐蝕性基材,或者是加入玻璃鋼作為襯里等,從源頭上增強(qiáng)石油管道的耐腐蝕能力;也有“治標(biāo)”的技術(shù)措施,如安裝活潑金屬作為陽(yáng)極,保護(hù)陰極管道免遭腐蝕。無(wú)論選擇何種防腐技術(shù),都必須熟悉防腐機(jī)理和掌握操作技術(shù),并定期做好防腐效果觀測(cè),才能切實(shí)保護(hù)石油管道的使用安全。除此之外,石油公司應(yīng)密切關(guān)注行業(yè)新技術(shù)、新材料和新工藝的發(fā)展動(dòng)態(tài),不斷創(chuàng)新防腐技術(shù),使得石油管道防腐性能得到持續(xù)性提升。

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