油氣集輸管線內(nèi)防腐技術(shù)

■ 東北石油大學 張亞魯

在油氣開采及集輸過程中，由于含有大量H2S、CO2、凝析油和地層水等介質(zhì)，對油氣井套管、鉆采設(shè)備、井下工具、集輸管線等造成了嚴重的腐蝕，從而造成套管穿孔、鉆采設(shè)備失靈、管線開裂等事故，甚至危及人們的生命和財產(chǎn)安全。因此，硫化氫、二氧化碳和高礦化度采出水對油氣田集輸系統(tǒng)的管線及設(shè)備產(chǎn)生的腐蝕問題，成為當今研究的熱門課題。而各油氣田的腐蝕環(huán)境不同，甚至同一油田不同井次的管線和設(shè)備也各異，腐蝕的主要因素、腐蝕機理、腐蝕形態(tài)、腐蝕程度等就變得復雜多樣，不可能找到一種對所有油氣田都適用的有效防腐措施。因此，針對具體的油氣田腐蝕問題，需要根據(jù)具體的腐蝕環(huán)境開展相對應(yīng)的防腐研究。

油氣集輸管道內(nèi)腐蝕

管道內(nèi)腐蝕受到管材質(zhì)量、輸送介質(zhì)以及管道防腐水平的影響，油氣集輸管道內(nèi)壁腐蝕主要包括以下3種：

（1）H2S腐蝕：H2S離解出HS-、吸附在金屬表面，形成加速的吸附復合物離子Fe（HS-）。吸附的HS-、使金屬的點位移向負值，促進陰極放氫的加速，而氫原子為強去極化劑，易在陰極獲得電子，同時使鐵原子間金屬鍵的強度大大削弱，進一步促進陽極溶解反應(yīng)而使鋼鐵腐蝕。

（2）CO2腐蝕：CO2與水接觸形成碳酸，碳酸電離出氫離子，電離的氫離子直接還原析出氫，同時金屬表面的離子濃度極低時，H2O被還原析出氫。

（3）多相流腐蝕：按其腐蝕環(huán)境可分為清潔環(huán)境的腐蝕、沖刷環(huán)境的腐蝕、腐蝕性環(huán)境的腐蝕，以及沖蝕和腐蝕同時存在的環(huán)境腐蝕。

按腐蝕發(fā)生類型，管道內(nèi)發(fā)生的腐蝕主要有以下4種：

（1）均勻腐蝕：由于輸送介質(zhì)中含有采出水/水汽，在一定條件下與CO2、H2S等酸性氣體結(jié)合對管道造成腐蝕。

（2）坑蝕：管壁涂層或保護膜不均勻、硫及硫化物的沉淀、腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)結(jié)晶剝裂等產(chǎn)生坑蝕。

（3）硫化物應(yīng)力腐蝕開裂：硫化氫水解后吸附在鋼表面的HS-會加速陰極放氫，從而導致材料韌性下降，脆性增加。

（4）沖刷腐蝕：管道表面腐蝕產(chǎn)物直接被輸送介質(zhì)帶走，新的金屬不斷裸露，從而加速了腐蝕。通常包括無碳酸鹽覆蓋膜情況下的均勻腐蝕、有碳酸鹽覆蓋膜情況下的均勻腐蝕、流動引起的臺面狀腐蝕、無膜區(qū)局部腐蝕。

內(nèi)防腐技術(shù)

目前，國內(nèi)外對油氣集輸管道內(nèi)腐蝕采取了不同的防腐措施，主要包括：采用特殊材質(zhì)，如不銹鋼、合金、玻璃鋼、碳鋼+緩蝕劑、防腐涂層、襯塑等技術(shù)，輔以相應(yīng)的腐蝕監(jiān)測技術(shù)和防腐工藝來進行腐蝕控制；緩蝕劑防腐、涂料防腐、電鍍、復合管防腐等技術(shù)。本文著重介紹在油田應(yīng)用相對廣泛的幾種油氣集輸管道內(nèi)防腐技術(shù)，如緩蝕劑防腐、涂料防腐、電鍍、復合管防腐等。

（1）緩蝕劑防腐

緩蝕劑防腐是將少量的緩蝕劑加入到腐蝕介質(zhì)中，以抑制金屬或合金的腐蝕破壞過程和其機械性能改變過程，從而延長金屬的使用壽命。緩蝕劑防腐具有用量極少、不改變環(huán)境就能獲得優(yōu)良防腐效果、不增加設(shè)備投資、操作簡便、見效快、同一配方適用不同環(huán)境等優(yōu)點，在油氣工業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。

目前，國內(nèi)外油氣集輸管道內(nèi)防腐用的緩蝕劑的主要緩蝕成分是有機物，如鏈狀有機胺及其衍生物、咪唑啉及其鹽、季銨鹽類、松香衍生物、磺酸鹽、亞胺乙酸衍生物及炔醇類等。Hackerman等人的研究指出：對于相同系列的有機緩蝕劑，根據(jù)其分子式中雜原子的不同，緩蝕效率一般遵循如下的變化規(guī)律，即：P＞Se＞S＞N＞O。為確保緩蝕劑的效果，篩選的緩蝕劑除與地層水和油有良好的相容性外，還應(yīng)與現(xiàn)場使用的水合物抑制劑、除硫劑、破乳劑等有良好的配伍性。

（2）電鍍防腐

電鍍層可以分為兩種：陰極性鍍層和陽極性鍍層。前者是指被保護金屬的電極電勢低于電鍍金屬層的電極電勢，比如鋼鐵表面上鍍錫（此時陽極為鐵，陰極為錫）；后者是指被保護金屬的電極電勢高于電鍍金屬層的電極電勢，如在鐵上鍍鋅（此時陽極為鋅，陰極為鐵）。當鍍層完全覆蓋于金屬基體表面時，鍍層可以隔離腐蝕介質(zhì)與金屬基體。由于被保護的金屬在陽極性鍍層中是陰極，即使受到損壞，受腐蝕的也是鍍層本身，被保護的金屬不受腐蝕；但被保護的金屬在陰極性鍍層時由于其為陽極，一經(jīng)損壞，被保護的金屬將直接與腐蝕介質(zhì)接觸進而腐蝕金屬，此時，鍍層的存在反而加速了被保護金屬的腐蝕。盡管鍍層能很好地保護管線，但是由于其價格較高，鍍層工藝較復雜，推廣應(yīng)用受到一定限制。

（3）復合管防腐

目前常用的復合管主要有雙金屬復合管、玻璃鋼內(nèi)襯復合管和陶瓷內(nèi)襯復合管。雙金屬復合管在國外已得到廣泛應(yīng)用，德國Butting公司生產(chǎn)的機械復合管、英國Proclad公司生產(chǎn)的冶金復合管在世界許多國家得到應(yīng)用；我國的長慶油田分公司靖安首站、大慶油田的注水管道也采用了雙金屬復合管。玻璃鋼由環(huán)氧樹脂和增強玻璃纖維組成，具有防腐、防垢、減阻等優(yōu)良性能。陶瓷內(nèi)襯復合鋼管是一種國際先進的復合新材料，從內(nèi)到外分為3層：陶瓷、過渡層和鋼材。由于內(nèi)襯的陶瓷層具有耐磨、耐蝕、耐高溫、高強度、高韌性、高抗沖擊性和高抗熱性等良好的綜合性能，能適用于耐磨強度高，甚至更惡劣的環(huán)境。復合管能在一定程度上防止集輸管線的腐蝕，但其與鍍層一樣，相對價格較高，而且對于特殊的地段需要特殊的材料，工藝較為復雜，成本較高。

（4）涂料防腐

涂層鋼管廣泛應(yīng)用于油氣田集輸管線，其原理是在管道內(nèi)壁和腐蝕介質(zhì)之間提供一個隔離層，從而起到減緩腐蝕的作用。內(nèi)涂層防腐技術(shù)可有效防止內(nèi)腐蝕，節(jié)約大量的管材和維修費用，顯著提高油氣田的輸送效率，減少清管次數(shù)。目前油田集輸管線采用的內(nèi)涂層防腐技術(shù)有：水泥砂漿內(nèi)襯里技術(shù)；水性帶銹復合防銹涂料內(nèi)涂技術(shù)；玻璃鋼管道內(nèi)襯技術(shù)；H87內(nèi)防腐涂層技術(shù)；玻璃鱗片漆內(nèi)防腐技術(shù)；環(huán)氧粉末涂料內(nèi)防腐技術(shù)；涂塑鋼管等?，F(xiàn)在應(yīng)用較多的是涂覆涂層法，此法容易實施，具有比較完備的整套實施方案和檢測手段，還可用機器人進行涂覆操作。

管道內(nèi)涂層在長輸送管線中的主要作用是減少摩擦阻力損失，降低操作成本，提高管線的輸送能力；對于近距離輸送不僅能減阻同時還能起到防腐作用。鑒于管道內(nèi)涂層技術(shù)具有管道增輸、節(jié)能、防腐等巨大優(yōu)勢，其在今后的大型輸油輸氣管道中將進一步推廣。