石油管道防腐機(jī)理與技術(shù)探究

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。