油氣管道的腐蝕與防護(hù)技術(shù)

馮春艷 馬萬(wàn)飛 陳泓宇 楊莉榮

油氣管道的腐蝕與防護(hù)技術(shù)

連藝秀1馮春艷1劉文博2馬萬(wàn)飛2陳泓宇2楊莉榮1

1河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院2中國(guó)石油天然氣管道局維搶修分公司

控制油氣管道和壓力容器腐蝕破壞主要有電化學(xué)保護(hù)(管道采用陰極保護(hù)）、選擇有效的防腐層、采用聯(lián)合防護(hù)和添加緩蝕劑等方法。針對(duì)涂敷漏點(diǎn)的腐蝕破壞性，為使管線得到完全保護(hù)，采用陰極保護(hù)和防腐層聯(lián)合防護(hù)技術(shù)，從而在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到完美的組合，能夠取得良好的防腐蝕效果。緩蝕劑是一種具有抑制金屬管線腐蝕的化合物總稱，對(duì)于一定的腐蝕環(huán)境而言，如果選配得當(dāng)，只需添加極少量的緩蝕劑就能有效地抑制管線腐蝕速率，而且不會(huì)改變金屬構(gòu)件和介質(zhì)的基本性質(zhì)。

管道；腐蝕與防護(hù)；電化學(xué)保護(hù)；防腐層；緩蝕劑

1 電化學(xué)保護(hù)技術(shù)

電化學(xué)保護(hù)就是利用外部電流來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電極的極化現(xiàn)象，即通過外部電流后，使被保護(hù)的管道發(fā)生陰極極化，電極電位向負(fù)方向發(fā)生移動(dòng)，使腐蝕電池的陰極區(qū)域達(dá)到其陽(yáng)極的開路電位，此時(shí)在金屬構(gòu)件的表面上變成了等電動(dòng)勢(shì)，則腐蝕電流為零，金屬管道基本上得到保護(hù)。實(shí)際上，當(dāng)金屬管道的腐蝕速率降低到工程運(yùn)行中可以接受的微小腐蝕量時(shí)，即年腐蝕速度≤0.01mm時(shí)，就能滿足陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，因此就可認(rèn)為達(dá)到了理想的陰極保護(hù)。

基于以上分析可知：如果能使被保護(hù)的金屬管線或金屬構(gòu)件的表面都有電流流入的話，就可以減小腐蝕速率，直至得到理想的保護(hù)狀態(tài)。因此，在管線實(shí)際運(yùn)行中都采取陰極保護(hù)。

1.1 犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)

在被保護(hù)的金屬管線上，連接一種電位比原有金屬表面的微陽(yáng)極還要負(fù)的金屬或合金使其形成一個(gè)新的腐蝕原電池。由于管線上原來(lái)的腐蝕電池陽(yáng)極的電極電位比外加犧牲陽(yáng)極的電位要正，因此整個(gè)管線就成為陰極被保護(hù)起來(lái)?？晒┻x擇的犧牲陽(yáng)極材料有很多種，如鎂及鎂合金、鋅及鋅合金、鋁合金等，其中鎂犧牲陽(yáng)極材料可提供的電位約為-1.75V左右；鋅約為-1.1V；工業(yè)純鋁約為-0.8V等。在實(shí)際運(yùn)行中，犧牲陰極應(yīng)根據(jù)每種材料提供的電位、金屬所接觸的周圍環(huán)境以及所需要提供保護(hù)電流的大小等方面進(jìn)行綜合考慮。

由于犧牲陽(yáng)極材料提供的電位不高，因此提供的保護(hù)電流是有限的。這種保護(hù)方法一般適用于金屬構(gòu)件保護(hù)所需電流較小的情況，如在中短距離和復(fù)雜的管網(wǎng)以及隨管道安裝一起施工時(shí)，工程量較小的運(yùn)行場(chǎng)合等，且犧牲陽(yáng)極應(yīng)埋在濕潤(rùn)的土壤環(huán)境中，便于管線和犧牲陽(yáng)極兩者之間的接觸（電阻較低），使?fàn)奚?yáng)極能提供一定量的保護(hù)電流。

1.2 外加電流的陰極保護(hù)

通過陰極保護(hù)系統(tǒng)裝置，使其交流電源整流為低壓的直流電源，將被保護(hù)的金屬管線與直流電源的負(fù)極相連接，把另一輔助陽(yáng)極地床接到電源的正極，電流的流向是從電源的正極流到輔助陽(yáng)極，再?gòu)妮o助陽(yáng)極流出，經(jīng)土壤電解質(zhì)到達(dá)金屬管道表面，再流回電源的負(fù)極。作為輔助陽(yáng)極表面發(fā)生了丟失電子的氧化反應(yīng)即遭受腐蝕，則輔助陽(yáng)極地床的本身存在一定的消耗[1]。因此整個(gè)金屬管線就成為陰極被保護(hù)起來(lái)。

一般外加電流的陰極保護(hù)站，輸出電壓10～50V，電流十安培到幾百安培，可見提供的保護(hù)電流、電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)。因此外加電流的陰極保護(hù)適用于長(zhǎng)輸管線和區(qū)域性管網(wǎng)的保護(hù)；在安裝工程量較小時(shí)，可對(duì)舊管道補(bǔ)加陰極保護(hù)的運(yùn)行場(chǎng)合。

2 選擇有效的防腐層

防腐層的保護(hù)技術(shù)是用高電阻的涂層涂敷在金屬管道表面上，將管道與腐蝕介質(zhì)隔離，切斷電化學(xué)腐蝕電池的流通渠道，從而阻止或減緩管道的腐蝕。防腐層的涂料種類很多，由于環(huán)氧粉末—聚乙烯復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層（即三層PE）相對(duì)其他防腐材料有很多優(yōu)勢(shì)，具有質(zhì)價(jià)比高、壽命長(zhǎng)、保護(hù)電流密度在1～5μA/m2左右、防腐性能極佳等特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的防腐涂層材料，因此三層PE近年來(lái)得到廣泛推廣。

三層PE在工程上應(yīng)用從強(qiáng)度方面考慮，可分為普通型（涂層總厚度≥3.0mm）和加強(qiáng)型（涂層總厚度＞3.7mm）；從使用環(huán)境方面考慮，分為常溫型（在50℃以下環(huán)境使用）和高溫型（在70℃以下環(huán)境使用）。目前，由于管道敷設(shè)環(huán)境的變化，有可能面臨高環(huán)境溫度運(yùn)行，因此需要選擇新型的三層結(jié)構(gòu)聚丙烯涂層（即三層PP）。例如秦沈線運(yùn)行管線采用三層PE防腐涂層，防腐等級(jí)為：在三、四級(jí)地區(qū)、巖石和碎石分布較廣的低山、丘陵地帶以及在管線穿越的特殊地段等，管線外防腐均采用三層PE加強(qiáng)級(jí)防腐；在二級(jí)平原地段，采用三層PE普通級(jí)防腐；在干線大中型穿越11處，支線大中型穿越3處，均采用三層PE高溫型加強(qiáng)級(jí)防腐。

3 聯(lián)合防護(hù)技術(shù)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，盡管防腐涂層的涂層質(zhì)量很高，金屬管線幾乎絕大多數(shù)表面都被涂層有效地保護(hù)著，但是不可避免地會(huì)存在一些空洞（即不連續(xù)點(diǎn)），稱為漏點(diǎn)。同樣在管道實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于各種原因，例如管道的受損破壞，在用涂層管線的老化產(chǎn)生陰極剝離現(xiàn)象，管道在土壤的運(yùn)移以及土壤性質(zhì)的變化等都有可能將金屬管道局部區(qū)域暴露在地下土壤環(huán)境中[2]。由于涂層裂縫暴露的金屬表面先有氧化膜生成，作為微電池的陰極，而金屬管道的微電池陽(yáng)極腐蝕往往發(fā)生在涂層的里面，將會(huì)產(chǎn)生較高的腐蝕速率，可能導(dǎo)致此處腐蝕穿孔或開裂。因此針對(duì)涂敷漏點(diǎn)的腐蝕破壞性，為使管線得到完全保護(hù)，采用陰極保護(hù)和防腐層聯(lián)合防護(hù)技術(shù)，從而在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到完美的組合，能夠取得良好的防腐蝕效果。

4 緩蝕劑保護(hù)技術(shù)

由于管線內(nèi)壁是與輸送介質(zhì)直接接觸的，而很多輸送介質(zhì)由于凈化不徹底或混入了許多腐蝕因素（如水分、溶解氧、硫化氫、二氧化碳、硫酸鹽還原菌等是引起管道內(nèi)壁腐蝕的主要因素），在外部條件如溫度、流速、壓力以及在交變應(yīng)力等多種因素復(fù)合存在的情況下，會(huì)使金屬碳鋼的內(nèi)壁產(chǎn)生局部腐蝕穿孔。輕質(zhì)石油產(chǎn)品（輕烴等）在沒有經(jīng)過很好的穩(wěn)定處理時(shí)，在有水和氧氣存在的情況下，也會(huì)引起管線的內(nèi)部腐蝕；在輸氣管線中，由于脫水凈化殘留的游離水分存在，與氣體中的硫化氫、二氧化碳共同作用，對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕；在油田集輸系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、油氣處理裝置、供水管線中卻常常由于氧氣和硫酸鹽還原菌的存在，會(huì)使油氣田集輸內(nèi)部管線產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕等。針對(duì)管線內(nèi)部的防護(hù)技術(shù)措施，除了采取涂層外，最有效的方法之一是添加緩蝕劑。

緩蝕劑是一種具有抑制金屬管線腐蝕的化合物總稱。對(duì)于一定的腐蝕環(huán)境而言，如果選配得當(dāng)，只需添加極少量的緩蝕劑就能有效地抑制管線腐蝕速率，而且不會(huì)改變金屬構(gòu)件和介質(zhì)的基本性質(zhì)。另外，使用緩蝕劑不需要復(fù)雜的設(shè)備，因此緩蝕劑被廣泛地應(yīng)用于石油和天然氣的開采、煉制以及管線輸送等工藝中，凡是與腐蝕介質(zhì)接觸的管道、設(shè)備及其閥門等表面都可以得到理想的保護(hù)。

緩蝕劑的種類很多，如按作用機(jī)理分類可分為陽(yáng)極型、陰極型和混合型緩蝕劑等。在實(shí)際應(yīng)用中如何選用緩蝕劑，主要從被保護(hù)金屬的種類，腐蝕的介質(zhì)，緩蝕劑的用量和協(xié)同效應(yīng)，緩蝕劑使用時(shí)的周圍環(huán)境保護(hù)，以及藥劑的配伍性等方面綜合考慮，同時(shí)還要考慮緩蝕劑的緩蝕效率等。

[1]陳德勝，王遂平，龍嬡嬡，等．輸氣管線內(nèi)腐蝕檢測(cè)評(píng)估技術(shù)研究與應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2011，30（8）：6-8.

[2]張新戰(zhàn)．隧道內(nèi)管道外腐蝕控制技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2012，31（8）：6-8.

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.10.066