油氣集輸管道的腐蝕機(jī)理及防腐技術(shù)研究

徐海獅(長(zhǎng)慶油田分公司第二輸油處，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引言

隨著石油與天然氣等行業(yè)的發(fā)展，油氣集輸管道的應(yīng)用數(shù)量不斷增加，管道腐蝕問(wèn)題更加嚴(yán)重，在造成管道泄漏事故的同時(shí)，也會(huì)造成資源的浪費(fèi)，給企業(yè)帶來(lái)無(wú)法預(yù)估的經(jīng)濟(jì)損失。此外油氣管道的腐蝕泄漏也會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，有必要根據(jù)管道腐蝕機(jī)理做好防腐工作與腐蝕監(jiān)測(cè)，防患于未然，將腐蝕危害降到最低。

1 油氣集輸管道的腐蝕機(jī)理

1.1 外腐蝕

油氣集輸管道受到的外腐蝕一般是指管道和土壤、水以及空氣介質(zhì)相接觸，從而發(fā)生物理、化學(xué)以及電化學(xué)等反應(yīng)，造成管道外部管壁出現(xiàn)局部腐蝕。土壤內(nèi)含有的水和鹽離子等成分能夠和管道發(fā)生化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)，使管道化學(xué)腐蝕在管壁表面位置均勻地發(fā)生，導(dǎo)致管壁變薄。這一反應(yīng)過(guò)程較為緩慢，不會(huì)對(duì)管壁整體造成過(guò)大的破壞。油氣管道一般被埋藏在地下，易發(fā)生電化學(xué)腐蝕進(jìn)而嚴(yán)重破壞管道。金屬管道浸泡在土壤電解質(zhì)溶液中，管道不同部位接觸到的溶液離子的濃度和溫度不同從而使管道表面產(chǎn)生局部或宏觀電池，比如：氧在不同的位置形成濃度差，濃度小的地方就是陽(yáng)極；管道表面溫度差異明顯，溫度高的地方也會(huì)形成陽(yáng)極。一般情況下電化學(xué)腐蝕難以被發(fā)現(xiàn)，是出現(xiàn)管道穿孔和斷裂的主要原因，甚至?xí)斐捎蜌獾膰?yán)重泄漏[1]。

1.2 內(nèi)腐蝕

油氣集輸管道受到的內(nèi)腐蝕主要是指油氣內(nèi)的腐蝕性氣體與鹵水在管道內(nèi)部發(fā)生化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)管道內(nèi)部產(chǎn)生腐蝕性影響。常見(jiàn)的油氣內(nèi)的腐蝕性氣體有CO2、SO2和H2S等，其中H2S的腐蝕性最強(qiáng)，與水相融之后發(fā)生電離，對(duì)管道造成化學(xué)腐蝕，反應(yīng)中生成的H2SO4能夠?qū)艿涝斐呻娀瘜W(xué)腐蝕，管道被腐蝕之后出現(xiàn)局部氫脆。CO2與水相融之后降低了溶液的pH值，并產(chǎn)生了CO32-和HCO3-等離子，離子同金屬發(fā)生反應(yīng)后生成了FeCO3，這是出現(xiàn)管道局部腐蝕的主要原因。SO2與水相融，在氧氣的作用下同金屬發(fā)生反應(yīng)，形成FeSO4并經(jīng)過(guò)水解形成SO42-，之后與鐵再發(fā)生反應(yīng)，生成新的FeSO4，持續(xù)腐蝕管道。與此同時(shí)管道內(nèi)的流體在運(yùn)輸期間會(huì)給管道壁造成沖刷性腐蝕，流體內(nèi)帶有碎屑與流砂等物質(zhì)，流體流動(dòng)時(shí)不斷腐蝕管道內(nèi)壁，再與腐蝕性氣體相結(jié)合，加快了腐蝕速度[2]。

2 油氣集輸管道出現(xiàn)腐蝕的原因

2.1 土壤原因

土壤內(nèi)的化學(xué)成分十分復(fù)雜，特別是土壤內(nèi)含有豐富的水、空氣以及無(wú)機(jī)鹽，水和無(wú)機(jī)鹽可使土壤導(dǎo)電，為化學(xué)反應(yīng)提供條件。水和管道金屬材料在空氣中相互接觸也會(huì)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程較為漫長(zhǎng)。土壤內(nèi)的化學(xué)成分、土壤含水量以及酸堿度會(huì)影響管道腐蝕，土壤造成的腐蝕是出現(xiàn)管道腐蝕的主要原因。

2.2 油氣原因

油氣組成成分十分復(fù)雜，管道運(yùn)輸期間很多油氣內(nèi)的物質(zhì)會(huì)與管道金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，比如H2S和CO2等成分會(huì)對(duì)管道金屬材料造成腐蝕，致使管道內(nèi)部穿孔。油田開(kāi)采量的增加使原油的含水率升高，油氣介質(zhì)對(duì)管道金屬材料的影響越來(lái)越大。因此企業(yè)需要降低油氣運(yùn)輸時(shí)的含水率以減弱油氣對(duì)管道的腐蝕。

2.3 材料原因

管道金屬材料本身就有著不穩(wěn)定性，管道長(zhǎng)期在地下掩埋，因此十分容易受到外部環(huán)境的影響從而發(fā)生腐蝕。管道內(nèi)部材料的性質(zhì)對(duì)管道耐腐蝕性影響較大，普通合金材料比多合金材料的耐腐蝕性要強(qiáng)。金屬材料的表面粗糙度也會(huì)影響耐腐蝕效果，因此制作管道時(shí)應(yīng)盡可能保證表面光潔度，加強(qiáng)對(duì)材料的選擇與優(yōu)化的能力。

2.4 防腐層原因

油氣管道防腐工作中常用的材料就是瀝青，長(zhǎng)期使用瀝青會(huì)出現(xiàn)瀝青老化的問(wèn)題。管道防腐期間如果操作不當(dāng)，會(huì)造成防腐層破損，降低防腐層的應(yīng)用效果。油氣集輸管道防腐補(bǔ)口質(zhì)量會(huì)對(duì)管道防腐效果產(chǎn)生影響，管道彎頭與接頭位置最容易發(fā)生腐蝕，如果防腐工作不到位，管道整體防腐效果都會(huì)受影響。此外管道焊接也會(huì)引發(fā)防腐層失效。

3 油氣集輸管道的防腐技術(shù)

3.1 外防腐技術(shù)

3.1.1 防腐蝕材料

依據(jù)管道外部腐蝕機(jī)理，有必要選擇性能較好的防腐蝕材料。管道外部腐蝕主要與大氣腐蝕有關(guān)，另外管道埋藏在土壤內(nèi)還會(huì)受到土壤的腐蝕，所以需要按照實(shí)際的大氣和土壤條件，了解影響腐蝕的因素，合理選擇耐腐蝕材料，應(yīng)選擇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料。玻璃是一種表面光滑且質(zhì)量比較輕的防腐材料，耐腐蝕性較強(qiáng)，很多帶有腐蝕性的物質(zhì)無(wú)法在玻璃上存留，特別是鋼化玻璃，其在受到撞擊的情況下不會(huì)輕易損壞。尼龍材料質(zhì)量輕，耐磨性和耐腐蝕性較好，能夠滿足管道長(zhǎng)期使用的需要，但尼龍材料生產(chǎn)成本比較高，企業(yè)制造管道材料的時(shí)候需要按照實(shí)際運(yùn)輸情況，綜合使用玻璃與尼龍材料，提升管道防腐能力[3]。

3.1.2 防腐蝕涂層

油氣集輸管道的外部可使用防腐蝕涂層，最常見(jiàn)的做法就是在管道外部噴涂防腐層，使管道管壁和腐蝕介質(zhì)相隔離，發(fā)揮電化學(xué)保護(hù)作用。防腐蝕涂層主要有三種：(1)有機(jī)涂層，該涂層種類比較多，有著較強(qiáng)的抗酸和抗堿腐蝕能力，包括石油瀝青、環(huán)氧類涂層等。(2)無(wú)機(jī)涂層，其具有抗磨和耐高溫的特性，常用到的無(wú)機(jī)涂層主要有陶瓷涂層和熱噴玻璃涂層等，無(wú)機(jī)涂層的生產(chǎn)工藝比有機(jī)涂層更加復(fù)雜，且成本偏高。(3)有機(jī)與無(wú)機(jī)復(fù)合涂層，就是將有機(jī)與無(wú)機(jī)材料結(jié)合使用而制作出的涂層，其防腐效果更強(qiáng)。

防腐涂層技術(shù)是管道防腐中常用的一種技術(shù)，也是我國(guó)最常見(jiàn)的管道防腐技術(shù)，防腐涂層的常見(jiàn)施工方法就是噴涂。在20世紀(jì)50年代我國(guó)就開(kāi)始應(yīng)用石油瀝青防腐涂層來(lái)保護(hù)油氣管道，到了20世紀(jì)70年代我國(guó)又使用聚乙烯膠黏帶等防腐材料制作管道防腐層，到20世紀(jì)80年代我國(guó)在防腐層內(nèi)開(kāi)始使用熔結(jié)環(huán)氧粉末等材料，到20世紀(jì)90年代我國(guó)使用三層聚乙烯和聚丙烯材料來(lái)設(shè)計(jì)管道的防腐層。但是這些材料的應(yīng)用都有一定缺陷，比如石油瀝青的耐腐蝕能力較強(qiáng)，但是對(duì)輸送介質(zhì)的溫度有要求，不能輸送80 ℃以上的介質(zhì)；煤焦油瓷器防腐工藝會(huì)造成嚴(yán)重的污染問(wèn)題；環(huán)氧煤瀝青的機(jī)械強(qiáng)度比較低。隨著防腐層工藝設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，企業(yè)開(kāi)始對(duì)防腐性能較強(qiáng)的材料進(jìn)行組合設(shè)計(jì)以制作出最佳防腐涂層，提升管道的抗腐蝕能力，比如制作出了FBE+膠黏劑+PE材料防腐涂層，固體聚氨酯涂料也成為了管道防腐工藝中的重要涂料[4]。防腐涂層的噴涂需滿足以下四點(diǎn)要求：(1)噴涂材料有著較強(qiáng)的耐剝落性和粘結(jié)性。(2)噴涂后形成的防腐保護(hù)層的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性較強(qiáng)，可以很好地適應(yīng)高溫高壓以及酸堿環(huán)境。(3)噴涂防腐涂層之前，應(yīng)清潔管道表面，保證金屬管道表層的清潔與干燥。(4)確保防腐涂層用料充足且噴涂均勻，按照環(huán)境的溫濕度進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。噴涂之后查看防腐層，及時(shí)修補(bǔ)薄弱的地方。

3.1.3 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)能夠減弱管道受到的電解質(zhì)腐蝕，具體是指使用金屬部件制造出陰極，通電后使金屬部件發(fā)生極化，管道表面電子遷移，保護(hù)管道不受腐蝕影響。有兩種陰極保護(hù)法：一個(gè)是采用外加陰極電流的方法來(lái)保護(hù)管道；另一個(gè)是通過(guò)犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極，以防止土壤內(nèi)的管線受到土壤腐蝕與電解質(zhì)腐蝕。陰極保護(hù)適用于海水環(huán)境。此外與其他防腐技術(shù)相比，陰極保護(hù)的成本更低，能夠保護(hù)防腐涂層達(dá)不到的位置，可與防腐涂層技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用。

3.2 內(nèi)防腐技術(shù)

3.2.1 管道內(nèi)部襯里與涂層防腐技術(shù)

油氣管道內(nèi)部襯里一般會(huì)用到玻璃鋼復(fù)合材料，鋼管的強(qiáng)度高，耐腐蝕效果好，可用于高溫高壓環(huán)境中，防止高溫高壓環(huán)境對(duì)管道造成損害。管道內(nèi)部涂層防腐技術(shù)就是在管道的內(nèi)壁噴涂防腐層以隔離管道腐蝕性流體，減少腐蝕發(fā)生，節(jié)約管道維修費(fèi)用，降低維護(hù)成本，提高油氣集輸效率。目前常用于管道內(nèi)部的涂層主要有聚氨酯、環(huán)氧粉末以及環(huán)氧樹(shù)脂材料等。

加強(qiáng)對(duì)管道的防腐蝕管理，根據(jù)管道的腐蝕情況做好防腐工作，安排專業(yè)人員對(duì)管道做好定期檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并上報(bào)腐蝕情況以便采取有效的腐蝕處理措施。建設(shè)管道防腐蝕管理機(jī)制，形成相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)工作機(jī)制，調(diào)查管道腐蝕原因，提高管道防腐處理效率，對(duì)管道的彎頭與接頭部位進(jìn)行防腐管理，提高專業(yè)技術(shù)水平，防止后續(xù)再次出現(xiàn)管道防腐層破壞的現(xiàn)象。

3.2.2 緩蝕劑技術(shù)

根據(jù)緩蝕劑形成的保護(hù)膜的類型，緩蝕劑可分為氧化膜型、吸附膜型和沉淀膜型緩蝕劑。

氧化膜型緩蝕劑。這種緩蝕劑常見(jiàn)的有鉻酸鹽和亞硝酸鹽兩種，這二者是強(qiáng)氧化劑，在沒(méi)有水氧的條件下也會(huì)與金屬發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到陽(yáng)極區(qū)氧化成膜的效果。氧化膜緩蝕劑主要通過(guò)阻抑腐蝕反應(yīng)來(lái)進(jìn)行陽(yáng)極保護(hù)，并在該區(qū)域產(chǎn)生氯氧化物和氧化物，降低管道的腐蝕速度。緩蝕劑的應(yīng)用主要是促進(jìn)管道表面盡快產(chǎn)生保護(hù)膜，氧化膜型緩蝕劑不宜在氯離子與高溫條件下使用，也不宜用于介質(zhì)流速較快的管道中。應(yīng)根據(jù)實(shí)際濕度做好緩蝕劑的濃度調(diào)整以最大程度地發(fā)揮保護(hù)膜的作用，強(qiáng)化對(duì)管道的防腐蝕保護(hù)[5]。

吸附膜型緩蝕劑。這類緩蝕劑多為有機(jī)緩蝕劑，作用機(jī)理為利用其具有可吸附性與遮蔽性的親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)讓金屬吸收電荷后在陽(yáng)極與陰極區(qū)域產(chǎn)生單分子膜，再利用單分子膜延緩腐蝕，降低腐蝕速度。吸附膜型緩蝕劑的應(yīng)用主要是將陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)為陰極區(qū)，甚至讓陽(yáng)極區(qū)消失，將整個(gè)金屬管道變成陰極，此時(shí)就不會(huì)存在電化學(xué)反應(yīng)造成的腐蝕問(wèn)題。應(yīng)用吸附膜型緩蝕劑時(shí)需要額外注意以下要點(diǎn)：油氣儲(chǔ)運(yùn)管道自身應(yīng)屬于金屬結(jié)構(gòu)的管道；管道導(dǎo)電性能較強(qiáng)，可以滿足表面電荷定向移動(dòng)的要求；金屬管道材料的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)較為穩(wěn)定，比如管道材料多為鋼結(jié)構(gòu)材料；管道材料電離子吸附性能較強(qiáng)，而電量的消耗能力比較弱。只有滿足以上要求才能將陽(yáng)極轉(zhuǎn)為陰極，發(fā)揮陰極保護(hù)作用。

沉淀膜型緩蝕劑。這種緩蝕劑主要是通過(guò)水中的離子和腐蝕層的金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨后形成沉淀層，依靠沉淀層的難溶性特點(diǎn)抑制管道表層的深入腐蝕。沉淀膜型緩蝕劑可以依靠沉淀物形成的保護(hù)層阻止氧化劑因腐蝕而脫落，但是沉淀膜有多孔性特點(diǎn)，粘結(jié)吸附效果不夠理想，應(yīng)用時(shí)容易出現(xiàn)沉淀膜脫落的問(wèn)題，實(shí)際緩蝕作用與緩蝕劑的應(yīng)用有關(guān)。油氣集輸管道中常用的沉淀膜型緩蝕劑有聚磷酸鹽和六聚偏磷酸鈉等，此外鋅鹽可以讓管道的Zn與H、O發(fā)生反應(yīng)，在管道表面生成Zn(OH)2的沉淀層，對(duì)管道起到臨時(shí)保護(hù)的作用。

3.3 加強(qiáng)腐蝕監(jiān)測(cè)

日常工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)油氣管道的腐蝕監(jiān)測(cè)，采用相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)了解管道腐蝕情況，以便及時(shí)采取防腐措施。相關(guān)技術(shù)應(yīng)用如下：

(1)變頻選頻技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，通過(guò)測(cè)量管道防腐層的絕緣電阻，對(duì)比測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)解決防腐層存在的問(wèn)題。變頻選頻技術(shù)使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單，具有快捷的使用特點(diǎn)，通過(guò)該技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠精確到每一段管道，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高，監(jiān)測(cè)結(jié)果比較真實(shí)。但是該技術(shù)無(wú)法對(duì)電阻值進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)細(xì)小腐蝕情況的檢測(cè)效果不理想，不適用于較長(zhǎng)的管道。

(2)人體大地電容法。該方法就是向管道施加電流，再使用探測(cè)儀對(duì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)分析，從而探測(cè)出管道具體走向與使用情況。一旦管道發(fā)生腐蝕，防腐層就會(huì)形成缺口，缺口的位置會(huì)泄漏電流，此時(shí)電流形成交變電場(chǎng)，人體站在該處會(huì)有交變電位，如果兩個(gè)人分別位于缺陷位置和無(wú)缺陷管道旁，探測(cè)儀就會(huì)接收到較大的信號(hào)幅值，此時(shí)可檢測(cè)出管道發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的位置。該技術(shù)對(duì)人員提出了較高的檢測(cè)要求，人員必須有一定的專業(yè)知識(shí)，合理選擇信號(hào)發(fā)射的位置，防止檢測(cè)結(jié)果受到影響。

(3)PCM技術(shù)。該技術(shù)主要通過(guò)發(fā)射機(jī)向管道發(fā)射定位電流，電流被傳送到接收機(jī)處，接收機(jī)分析電流變化情況，判斷管道發(fā)生腐蝕的大致位置。如果腐蝕程度較淺，防腐層自身帶有絕緣作用，管道傳送的電流進(jìn)入接收器端時(shí)的衰減比較少；如果腐蝕程度較深，電流會(huì)在腐蝕部位流失，接收器端的電流信號(hào)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減。與其他技術(shù)相比，PCM技術(shù)對(duì)人員的專業(yè)性要求不高，可檢測(cè)管道防腐層的損壞部位與損壞程度。

(4)超聲波檢測(cè)技術(shù)。管道發(fā)生泄漏后，該處位置會(huì)產(chǎn)生渦流并伴隨超聲波波段。用超聲波檢測(cè)儀掃描油氣管道，如果發(fā)生泄漏，將會(huì)通過(guò)耳機(jī)聽(tīng)到泄漏的聲音，儀器上也會(huì)顯示數(shù)位信號(hào)變化，這說(shuō)明與泄漏位置比較近。該技術(shù)適用于直徑比較大的油氣管道。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)研究與分析得知，我國(guó)在管道防腐技術(shù)的研究與應(yīng)用方面越來(lái)越成熟。根據(jù)油氣集輸管道的腐蝕機(jī)理，了解內(nèi)外腐蝕原因，靈活地使用不同防腐技術(shù)，應(yīng)用防腐材料，做好管道檢測(cè)以延長(zhǎng)管道的使用壽命。