LNG海底輸氣管道腐蝕因素與防護(hù)技術(shù)探討

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 高 凱

LNG海底輸氣管道腐蝕因素與防護(hù)技術(shù)探討

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 高 凱

海底管道的腐蝕是影響其可靠性及壽命的關(guān)鍵因素。針對(duì)海底輸氣管道在海洋環(huán)境中腐蝕的主要特征和影響因素進(jìn)行了分析，介紹了防腐措施以及技術(shù)應(yīng)用要求和注意事項(xiàng)，并結(jié)合上海LNG項(xiàng)目海底管道實(shí)例加以說(shuō)明。

海底管道 液化天然氣 防腐

0 引言

海底管道一般采用鋼質(zhì)管道，耐腐蝕較差。隨著管道使用年限的增長(zhǎng)，管道事故頻發(fā)，通過(guò)對(duì)發(fā)生的事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各國(guó)專(zhuān)家均認(rèn)為管道的腐蝕是影響管道可靠性及壽命的關(guān)鍵因素。海底管道一旦發(fā)生問(wèn)題，修復(fù)極其困難且費(fèi)用巨大，間接造成的經(jīng)濟(jì)影響和社會(huì)影響更是無(wú)法估量。因此，有效防止海底管道的腐蝕、延長(zhǎng)海底管道的使用壽命就顯得尤為重要。

上海LNG項(xiàng)目海底管道是目前為止國(guó)內(nèi)口徑最大的海底輸氣管道，該管道對(duì)上海的天然氣供應(yīng)起著舉足輕重作用，一旦發(fā)生故障后果不堪設(shè)想。作者有幸全程參與了該海底管道工程的建設(shè)，文中通過(guò)對(duì)該海底管道的防腐措施的說(shuō)明，希望能對(duì)今后海底天然氣管道防腐措施起到借鑒作用。

1 海底管道腐蝕特征

海底管道腐蝕是指管道金屬材料表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用，引起表面損傷或晶體破壞等的現(xiàn)象和過(guò)程，是海底管道破壞的主要因素之一。海底管道腐蝕后，管壁整體或局部變薄，強(qiáng)度降低或發(fā)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)造成管壁穿孔或破壞。就其腐蝕機(jī)理而言，引起海底管道腐蝕的主要因素是電化學(xué)作用。

海底管道按腐蝕位置不同可以分為管外腐蝕與管內(nèi)腐蝕，其中管外腐蝕是引起海底管道腐蝕破壞的主要原因。由于上海LNG海底輸氣管道一般在上游接收站就對(duì)天然氣進(jìn)行了脫水、脫氧及脫硫等防腐蝕處理，其管內(nèi)腐蝕性較小，故本文將重點(diǎn)討論管外腐蝕。

海底管道的按照管道所處區(qū)域工況條件，即海水接觸的情況，腐蝕環(huán)境分為海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮汐區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)，各區(qū)的腐蝕速率因海洋環(huán)境的條件不同而有很大的變化。以鋼樁為例，各種環(huán)境下的腐蝕速率見(jiàn)圖1。

圖1 不同腐蝕環(huán)境下腐蝕速率的變化

不難看出，海洋大氣區(qū)因大氣中含鹽量的不同，距海水面越近腐蝕愈劇烈；飛濺區(qū)因金屬表面干濕交替及強(qiáng)烈沖擊，其腐蝕最嚴(yán)重，腐蝕速率最大；潮汐區(qū)與全浸區(qū)構(gòu)成氧濃差電池，潮汐區(qū)作為陰極而受到保護(hù)，腐蝕相對(duì)較輕，其腐蝕速率介于飛濺帶和全浸區(qū)之間；全浸區(qū)由于溶解氧的作用和海水的流動(dòng)的影響，腐蝕速率也較高，隨著海深的增加，海水中的溶解氧減少，溫度降低，腐蝕速率下降；泥線以下的海泥區(qū)，由于其溶解氧量不足，腐蝕最輕微，其速率最慢，但是，在淺海海泥中，由于海沙的流動(dòng)較大和海水的污染，其腐蝕也較嚴(yán)重。

2 海底管道腐蝕影響因素

由于海底管道均鋪設(shè)在海床表面或以下，因此海底管道的腐蝕主要可分為海水腐蝕和海泥腐蝕。

2.1 海水腐蝕

海水中的主要成分有鹽(NaCl)，其次是MgCl2。海水含鹽量高，這是其有別于其他腐蝕環(huán)境的一個(gè)顯著特征。海水中的總鹽度一般為3.2%~3.7%，其濃度范圍剛好接近于腐蝕最大速度的濃度范圍。海水含鹽量越高，導(dǎo)電性越好，電阻極化較小，但含氧量越低，陰極極化較大，所以海水中金屬的腐蝕速度不隨含鹽量的變化而呈單調(diào)變化；當(dāng)含鹽量較低時(shí)，電導(dǎo)率增加對(duì)腐蝕的促進(jìn)起主導(dǎo)作用，因而腐蝕速率隨含鹽量增加而增大；當(dāng)含鹽量達(dá)到一定值后，因氧的溶解度降低，腐蝕速率隨含鹽量的增加反而下降。

此外，海水的溫度、流速以及pH值等因素都對(duì)海水腐蝕有很大的影響。由于影響因素的多元性、復(fù)雜性、多變性，使金屬海水腐蝕行為極為復(fù)雜，至今尚有許多問(wèn)題和現(xiàn)象不能解釋?zhuān)恍└g機(jī)理未能搞清楚，仍待進(jìn)一步研究。

2.2 海泥腐蝕

海底泥沙又稱海底沉積物，是一個(gè)很復(fù)雜的腐蝕環(huán)境。不同海區(qū)的海底沉積物對(duì)鋼鐵的腐蝕也不同，尤其是有污染和大量有機(jī)質(zhì)的沉積物。海底沉積物為被海水所覆蓋并被海水不同程度浸濕或飽和的特殊土壤，是固、液兩相體系，無(wú)單獨(dú)氣相存在，它的物理、化學(xué)性質(zhì)既有別于陸地土壤，也有別于岸邊鹽堿土地和潮間帶海土。

影響海底沉積物對(duì)鋼鐵腐蝕的因素有電化學(xué)腐蝕因子和微生物腐蝕因子。電化學(xué)腐蝕因子主要包括沉積物的溫度、類(lèi)型、電阻率、含鹽量、溶解氧、pH等；微生物腐蝕因子主要包括硫酸鹽還原菌(SRB)含量(個(gè)/克濕泥)、氫標(biāo)氧化還原電位(Eh7)、硫電位(Es)，F(xiàn)e3+/Fe2+及有機(jī)物含量等。

其中，海底沉積物中的硫酸鹽還原菌(SRB)對(duì)腐蝕起著極其重要的作用。根據(jù)段繼周、馬士德等《區(qū)域性海底沉積物腐蝕研究進(jìn)展》的研究結(jié)論表明，SRB能夠加快金屬的腐蝕，在SRB大量繁殖的海泥中，鋼鐵的腐蝕速率可增加6~7倍，甚至15倍以上，比無(wú)菌海泥要高出數(shù)倍到十多倍，比海水中高2~3倍；葉德贊等《微生物對(duì)海洋環(huán)境中金屬材料腐蝕影響的初步研究》表明，埋置于海泥中的4種金屬，其腐蝕速率和SRB含量成正比；張經(jīng)磊等《海泥中SRB對(duì)A3鋼點(diǎn)偶效應(yīng)的影響》的研究結(jié)果表明，有菌海泥中的A3鋼、16Mn鋼和20#鋼的腐蝕速率分別是無(wú)菌海泥中的5.5、4.0和4.5倍。

海泥的電阻率一般在幾十到幾百Ω·cm之間，相對(duì)陸地上土壤而言，屬于特強(qiáng)腐蝕環(huán)境；電阻率的差異，對(duì)宏觀腐蝕也起著重要的作用；沉積物顆粒越粗，越有利于透水和氧的擴(kuò)散，腐蝕性也越強(qiáng)；另外，溫度對(duì)海泥的腐蝕性也有相當(dāng)重大的作用，其影響程度和海水中相似。

除了電化學(xué)和微生物腐蝕因子影響海底沉積物的腐蝕性外，由海底流等引起的表層海底沉積物的運(yùn)動(dòng)也是不可忽視的因素。沉積物的運(yùn)動(dòng)能夠引起鋼樁和海底管道的磨蝕，還可能由于泥沙的沖擊使其產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

3 防腐蝕措施

目前輸送天然氣的海底管道主要采用表面工程技術(shù)和電化學(xué)陰極保護(hù)技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)管道的外腐蝕進(jìn)行控制，其中表面工程技術(shù)多采用復(fù)合涂層防護(hù)系統(tǒng)。電化學(xué)陰極保護(hù)技術(shù)根據(jù)對(duì)被保護(hù)物提供電流的方式不同，可分為犧牲陽(yáng)極法和外加電流法。從可靠性和管理方便的角度來(lái)考慮，海底管道電化學(xué)陰極保護(hù)技術(shù)多采用犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)系統(tǒng)。

3.1 涂層保護(hù)技術(shù)

海底管道的外涂層由反復(fù)交替連接的兩大部分組成，即工廠涂裝的管體防腐涂層和現(xiàn)場(chǎng)涂裝的管端補(bǔ)口層。涂層保護(hù)作用是將鋼質(zhì)管道表面與周?chē)h(huán)境隔離絕緣，以達(dá)到抑制腐蝕的目的。美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)認(rèn)為，外防腐層保護(hù)是主要的，陰極保護(hù)是輔助的。當(dāng)管道外防腐層千瘡百孔時(shí)，陰極保護(hù)也將不能發(fā)揮作用，甚至還會(huì)起負(fù)作用，如陰極剝離等。

目前作為海底管道的防腐控制的涂層有：?jiǎn)螌尤劢Y(jié)環(huán)氧粉末(FBE)、雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末(2LFEB)、三層聚乙烯(3LPE)、三層聚丙烯(3LPP)、高性能復(fù)合涂層(HPCC)等手段。補(bǔ)口所用材料有：聚乙聚乙烯膠帶、輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套(或帶)、粘彈體防腐材料、聚合物網(wǎng)絡(luò)涂層、液態(tài)聚氨酯涂層等。石油瀝青(AE)、煤焦油磁漆(CTE)等材料作為管體和防護(hù)涂層也應(yīng)用多年，但近年來(lái)，由于環(huán)保的原因已限制使用。

3.2 電化學(xué)陰極保護(hù)技術(shù)

海底管道一般采用犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)技術(shù)作為管道腐蝕控制的二次防護(hù)。犧牲陽(yáng)極法是活潑金屬元素及其合金作陽(yáng)極，接在被保護(hù)的管道上。當(dāng)鋼質(zhì)管道裸露遭到腐蝕時(shí)，與處在相同環(huán)境的海水、海泥電介質(zhì)構(gòu)成大電池，由于陽(yáng)極材料被腐蝕犧牲，從而使陰極管道得到了保護(hù)。對(duì)海底管道防腐蝕措施的調(diào)查表明，犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)防止管外腐蝕效果非常明顯。

目前工程常用犧牲陽(yáng)極材料主要有鎂合金、鋅合金，鋁合金三大類(lèi)。鎂合金陽(yáng)極在海水中壽命很短，費(fèi)用高，且易產(chǎn)生過(guò)保護(hù)，不宜采用，通常用于電阻率較高的土壤和淡水中。鋅合金陽(yáng)極由于具有電流效率高、腐蝕均勻、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以國(guó)內(nèi)外應(yīng)用均很普遍。鋅合金陽(yáng)極通過(guò)多年使用，已證實(shí)該合金陽(yáng)極在海水中和海泥中其性能都是令人滿意的。因此在1975年以前，國(guó)外海底管道保護(hù)都是采用該合金陽(yáng)極。目前普遍推薦采用鋁—鋅—銦系合金作為海底管道的犧牲陽(yáng)極。鋁的電容量是鋅的3.6倍，鎂的1.35倍，鋁原料易得，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在極低電阻率、潮濕和含氯化物的環(huán)境下使用方便，所以近年來(lái)海底管道中，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)在犧牲陽(yáng)極法鋁合金犧牲陽(yáng)極材料已基本取代了鋅合金犧牲陽(yáng)極材料。

海底管道犧牲陽(yáng)極基本采用兩種方式。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，采用鐲狀犧牲陽(yáng)極固定于管道上。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，為了避免犧牲陽(yáng)極過(guò)快消耗，常采用陽(yáng)極地床。

4 應(yīng)用實(shí)例

上海LNG海底管道是上海LNG項(xiàng)目的其中一個(gè)組成部分。該海底管道于浙江嵊泗西門(mén)堂島的北側(cè)入海，向東北方向繞過(guò)大指頭島淺灘，然后轉(zhuǎn)向西北，至上海東海大橋以東600余米處南匯咀世紀(jì)堂大堤登陸，全程約36 km。

由于上海LNG海底管道大部分管段位于海洋環(huán)境下全浸區(qū)和海泥區(qū)，只有少量的登陸段位于其他區(qū)域，從目前實(shí)際情況來(lái)看，即使是登陸段，也多以土壤或拋石加以覆蓋，故基本可認(rèn)為底層海水腐蝕、海泥(海底沉積物)腐蝕是引起海底管道腐蝕的主要因素。

該管道完全鋪設(shè)在海底的部分(KP1.7~KP33.4)采用了鋪管船S型鋪管法進(jìn)行施工；西門(mén)堂登陸(KP33.4~KP33.812)和南匯嘴登陸(KP0.045~KP1.7)采用岸上拖拉法完成；西門(mén)堂島上段(KP33.812~ 35.710)采用陸上鋪設(shè)完成；南匯嘴穿越世紀(jì)塘大堤部分(KP-0.066~KP0.045)采用頂管的方法完成；海上部分采用挖溝船鋪管后挖溝進(jìn)行自然回填，其余部分采用人工回填的方式進(jìn)行。

該海底管道口徑為914.4 mm(36英寸)，全部位于海底的管道采用API-5L-X65鋼管，壁厚20.6 mm；受潮汐影響較大的近岸段用API-5L-X70鋼管，壁厚22.2 mm，管道設(shè)計(jì)壽命為40年。全程采用涂層技術(shù)結(jié)合陰極保護(hù)法進(jìn)行防腐，除部分近岸段外，防腐層外均有120 mm或90 mm厚的混凝配重層。

在防腐設(shè)計(jì)前，由具備相關(guān)資質(zhì)的單位進(jìn)行了腐蝕環(huán)境要素及污損生物的詳細(xì)調(diào)查和評(píng)估。調(diào)查項(xiàng)目包括沉積物12項(xiàng)(沉積物類(lèi)型—粒度、pH、Eh、Fe3+/Fe2+、有機(jī)碳、碳酸鹽、沉積物S2-含量、硫離子還原電位Es、沉積物溫度、沉積物電阻率、硫酸鹽還原菌和含水率)，海水15項(xiàng)(溫度、鹽度、pH、Eh、Fe3+、Fe2+、溶解氧、NO2-、NO3-、NH4+、PO43-、SO42-、硫離子活度ag、海水電阻率和硫酸菌)。

該海底管道主要鋪設(shè)在距海床面1.5 m左右深的海泥中。腐蝕環(huán)境主要是海底沉積物和底層海水，其中海底沉積物為主要腐蝕因素。由于目前對(duì)于海底還沒(méi)有普遍接受的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，因此評(píng)價(jià)參考了陸地土壤腐蝕性的綜合評(píng)價(jià)方法、北海海底沉積物腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及在南海珠江口東部海底沉積物的腐蝕性評(píng)價(jià)方法。調(diào)查結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)海底沉積物的腐蝕性基本上均屬于中等腐蝕環(huán)境。

由于該管道所輸送的天然氣為較為純凈的干燥天然氣，不具備腐蝕性，故該管道未使用內(nèi)涂層和留有腐蝕裕量。

該管道外涂層系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合考慮了主要的施工方式、運(yùn)行介質(zhì)管內(nèi)溫度(0.006~7.64 ℃)、海水及海泥區(qū)的各項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)、國(guó)內(nèi)供應(yīng)商現(xiàn)狀及各種涂層在海底管道的應(yīng)用的實(shí)際情況，最終選用了三層聚乙烯(3LPE)作為該管道的管體外涂層。位于海泥區(qū)管段3LPE層厚度為2.6 mm，又因環(huán)境區(qū)域和施工方式不同，近岸段3LPE層厚度為4.0 mm，詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 SHLNG項(xiàng)目海底管道物料

涂層的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)則依據(jù)CAN/CSA -Z245.21、DIN 30670、ASTM D792等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。管端補(bǔ)口段采用了與三層聚乙烯(3LPE)兼容性較好的聚乙烯熱收縮套，其性能指標(biāo)則主要依據(jù)DNV-RP-F102相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

該管道陰極保護(hù)系統(tǒng)材料采用鋁—鋅—銦系犧牲陽(yáng)極，密度為2 780 kg/m3，形式為手鐲狀，設(shè)計(jì)壽命40年，設(shè)計(jì)保護(hù)電位為-0.8 V，環(huán)境溫度南匯咀近岸段取值14 ℃，其他段取值13.6 ℃，設(shè)計(jì)平均電流密度為0.020 A/m2，陽(yáng)極利用率為0.8，在埋設(shè)條件下電流容量為2 000 A·h/kg，土壤電阻率世紀(jì)塘頂管段和西門(mén)堂頂管段取值為1.0 ?·cm，其余取值為0.7 ?·cm，涂層破損系數(shù)取DNV RP F103標(biāo)準(zhǔn)推薦值。

陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要參照DNV RP F103執(zhí)行，其計(jì)算過(guò)程不在贅述，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SHLNG項(xiàng)目海底管道犧牲陽(yáng)極分布狀況

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要從海底管道腐蝕的認(rèn)識(shí)出發(fā)，分析了天然氣管道腐蝕的特征，對(duì)影響海底管道腐蝕的重點(diǎn)因素進(jìn)行了論述，提出了相應(yīng)的防護(hù)措施注意事項(xiàng)并分析了各項(xiàng)措施的現(xiàn)狀和不足。海底管道因其所處環(huán)境惡劣，其腐蝕破壞具有很大的隨機(jī)性和偶然性，因此腐蝕控制是一項(xiàng)復(fù)雜而又長(zhǎng)期的工程，幾乎貫穿于整個(gè)項(xiàng)目的全壽命周期。到目前為止，海洋環(huán)境下腐蝕防護(hù)措施開(kāi)發(fā)和應(yīng)用雖已取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在著許多的難題，研究海洋環(huán)境下腐蝕問(wèn)題和防護(hù)措施仍然任重而道遠(yuǎn)。

Discussion of LNG Submarine Pipelines Corrosion Factors and Countermeasures

Shanghai LNG Co., Ltd. Gao Kai

Submarine pipeline corrosion is a key factor affecting its reliability and life. The paper illustrates the main characteristics of submarine pipeline corrosion and its influence factors, introducing the countermeasures, technical requirements and attentions, combined with examples of submarine pipelines of Shanghai LNG project.

submarine pipeline, LNG, anticorrosion