腐蝕現(xiàn)狀與解決理論研究進(jìn)展

王聰，馬丹竹，屈洋，王衛(wèi)強(qiáng)，梁曦

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 1130012）

隨著基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，和石油天然氣工業(yè)的騰飛，金屬管道已經(jīng)不再只是我國(guó)工業(yè)的輸血管更是人民安居樂業(yè)的補(bǔ)給線。眾所周知，不管是水循環(huán)管道，戰(zhàn)略能源運(yùn)輸管道還是普通的民用燃?xì)夤艿溃S著時(shí)間的流逝，管道的腐蝕也日益加劇，特別是埋地管道，那更是腐蝕的重災(zāi)區(qū)。

柯偉[1]在調(diào)查報(bào)告中提到，他利用Uhlig和Hoar兩種方法對(duì)我國(guó)管道使用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，結(jié)果相當(dāng)接近，由于腐蝕而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失分別為2 048億元/a和2 288億元/a，如果算上間接損失，這一數(shù)字將達(dá)到4 979億元以上，約為年國(guó)民生產(chǎn)總值的5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)達(dá)國(guó)家2%～3%的水平[2]。

當(dāng)前，由于西氣東輸?shù)却笮凸こ毯透鞔蟪鞘旋嫶蟮幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，所帶來(lái)的數(shù)萬(wàn)公里每年的管道增長(zhǎng)速度[3]，造成近年來(lái)由于管道腐蝕引起的管道泄漏、管道爆炸事故頻發(fā)，不僅帶來(lái)了承重的經(jīng)濟(jì)損失，也極大的破壞了生態(tài)環(huán)境，延緩了生態(tài)文明的腳步[4]。對(duì)管道腐蝕的深入研究已是刻不容緩。

1 腐蝕現(xiàn)狀

1.1 管道內(nèi)腐蝕

石油類管道主要是用來(lái)輸送油、氣、水三相流體，這類流體中常常伴有H2S，CO2，Cl-等物質(zhì)，這類物質(zhì)的加入使得管道的腐蝕以垢下腐蝕為主[5]，多積于管道內(nèi)底，較為常見的是點(diǎn)蝕和坑蝕，嚴(yán)重時(shí)可呈現(xiàn)溝槽狀或坑洞。進(jìn)一步發(fā)展可造成成管道的穿孔、開裂。高壓下易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故。

（1）管道底部腐蝕

剖開由于腐蝕泄露的管道，我們可以清晰的發(fā)現(xiàn)，管道上密布著大大小小的溶蝕坑，呈現(xiàn)出溝槽狀，坑里沉積著帶有金屬光澤的腐蝕物和垢。這類腐蝕和管內(nèi)流體關(guān)系密切：當(dāng)含水低于60%時(shí)，流體中不含硫酸鹽還原菌，流體呈油包水狀態(tài)[6]，由于管底油封腐蝕輕微；當(dāng)含水大于60%時(shí)，出現(xiàn)油包水、水包油混態(tài)，管底腐蝕加??；當(dāng)含水量繼續(xù)增大時(shí)，管內(nèi)流體從上到下為伴生氣、油包水、水底，此時(shí)，管底腐蝕嚴(yán)重。

（2）輸量不夠造成的腐蝕

在遠(yuǎn)距離管道輸送過程中，如果長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)輸送量小且含水率高的情況，此時(shí)管道易發(fā)生腐蝕穿孔的問題，造成管道壽命縮短。當(dāng)流速不足0.3 m/s且含水量超過 70%時(shí)[7]，腐蝕穿孔現(xiàn)象最為突出。此時(shí)管道內(nèi)還會(huì)伴生硫酸鹽還原菌，加劇底部點(diǎn)蝕穿孔。

（3）輸水含CO2造成的腐蝕

輸送水中若含有CO2，則會(huì)降低pH值，使腐蝕加劇，升溫有助于減緩腐蝕，O2的存在則會(huì)使情況進(jìn)一步惡化，此時(shí)Cl-的加入極易造成管道點(diǎn)蝕穿孔[8]。由于CO2對(duì)鋼材的腐蝕產(chǎn)物可溶，因而，管內(nèi)多呈溝槽狀。

（4）流速造成的腐蝕

管道中下游處，隨著流速的降低流態(tài)變?yōu)閷恿?，容易出現(xiàn)結(jié)垢淤積、細(xì)菌滋生的情況，加劇腐蝕速度出現(xiàn)腐蝕穿孔。

1.2 管道外腐蝕粘貼在這

管道隨所處環(huán)境的不同，其遭到腐蝕的原因也有所差異。通?？梢詫⒐艿劳飧g分成四類：土壤腐蝕、細(xì)菌腐蝕、應(yīng)力腐蝕和結(jié)構(gòu)性破壞腐蝕[9]。管道在其防腐層完好的情況下，其遭受的腐蝕是很輕微的，一旦防腐層老化脫落，導(dǎo)致管道直接與土壤接觸，這時(shí)管道的腐蝕速度將會(huì)大大增加。

① 土壤腐蝕

土壤環(huán)境是一個(gè)以土為基質(zhì)，其空隙內(nèi)充滿著空氣和水的膠質(zhì)體。由于三種組分配比的隨機(jī)性和每種組分成分的差異性，土壤種類千差萬(wàn)別，直接導(dǎo)致土壤腐蝕成為了一個(gè)極其復(fù)雜問題[4,10]。但究其特點(diǎn)可以進(jìn)行以下概括：

（1）通氣差異電池腐蝕

管道表面與空氣的連通狀況直接導(dǎo)致了通氣差異電池腐蝕的強(qiáng)弱。通氣性好的管道，表面電位為正構(gòu)成電池的陰極，避免腐蝕等發(fā)生，而通氣性差的管道表面，為負(fù)電位的陽(yáng)極區(qū)腐蝕嚴(yán)重。這種由于通氣性差異造成的腐蝕其實(shí)是較為常見的，當(dāng)管道經(jīng)過洼地、池沼、田間的時(shí)候都會(huì)發(fā)生該種腐蝕，致使管道的水泡部分和透氣性差部分遭到嚴(yán)重腐蝕[11]。

（2）鹽分差異電池腐蝕

在鹽分土壤地區(qū)，由于土壤剖面鹽分分布不均勻性明顯，導(dǎo)致管線在鹽分土壤中形成鹽分差異電池，對(duì)管道造成腐蝕。在高鹽分地區(qū)腐蝕更為劇烈，三兩年時(shí)間便可以造成管道的腐蝕穿孔。

（3）金屬差異電池腐蝕

金屬差異電池腐蝕又叫電偶腐蝕。它是由于地下管線各段可能有不同種金屬，由于金屬件差異導(dǎo)致各部分電位出現(xiàn)差異，高電位處作為腐蝕電池的陰極而被保護(hù)，低電位處則作為陽(yáng)極遭到腐蝕[12]。此外，由于此種腐蝕與介質(zhì)導(dǎo)電性有關(guān)，通常具有明顯的局部性。

（4）雜散電流腐蝕

除了外加保護(hù)電流之外流經(jīng)管道造成管道腐蝕的其它電流統(tǒng)稱為雜散電流，雜散電流腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，屬電解腐蝕范疇，管道腐蝕的部位與電流大小和極性有關(guān)。該腐蝕通常發(fā)生在鐵路和大型高壓輸電線路兩旁[13]。

（5）交流電腐蝕

由于防腐層的老化，管道出現(xiàn)裸露點(diǎn)和缺陷對(duì)埋地管道而言是不可避免的[14]。如果這樣的管道受到交流電的干擾，就會(huì)出現(xiàn)交流電腐蝕。

綜上，管道在土壤中通常由于電化學(xué)作用而造成腐蝕，而造成這種腐蝕的必要條件是：管道存在電位差即具有陰、陽(yáng)極；且能形成電流回路。要減緩和消除該種腐蝕，我們只須切斷一處即可。因此，就出現(xiàn)了以切斷回路為目的對(duì)管道加裝覆蓋層的防腐措施，該措施以減小回路電流為目的，以增大電阻為手段，通常以覆蓋層的老化脫落而宣告失敗，此法治標(biāo)不治本[15,16]。進(jìn)而又出現(xiàn)了以犧牲陽(yáng)極為思想和以外加電流為依托的保護(hù)陰極法，該法才是從根本上解決土壤腐蝕管道的問題，在下文中會(huì)做詳細(xì)介紹。

②細(xì)菌腐蝕

細(xì)菌腐蝕是指土壤中的微生物在缺氧條件下進(jìn)行代謝活動(dòng)，將SO42-轉(zhuǎn)化成可與鐵管道反應(yīng)的H2S從而對(duì)管道造成的腐蝕，稱為細(xì)菌腐蝕。在該腐蝕過程中，細(xì)菌直接參與了化學(xué)反應(yīng)且不同細(xì)菌作用效果也不相同。接下來(lái)將對(duì)可以造成細(xì)菌腐蝕的三種細(xì)菌作簡(jiǎn)要介紹。

（1）硫酸鹽還原菌

在 60 ℃左右的溫度下，在有硫酸鹽存在的環(huán)境中，硫酸鹽還原菌就會(huì)大量繁殖[17]。硫酸鹽還原菌中含有一種用于進(jìn)行代謝活動(dòng)的氫化酶，該氫化酶直接決定了對(duì)管道腐蝕的強(qiáng)弱。該酶可將土壤和管道間電化學(xué)反應(yīng)生成的H+合稱為H2S，從而增強(qiáng)對(duì)管道的腐蝕作用。

（2）鐵細(xì)菌

鐵細(xì)菌是一種異養(yǎng)細(xì)菌，它通過氧化 Fe2+獲得能量，從而可加速管道的腐蝕；它也可以與水接觸形成結(jié)瘤菌，堵塞管道；還可以與硫酸鹽還原菌或腐生菌形成氧濃差電池，腐蝕管道。

（3）腐生菌

腐生菌是異養(yǎng)菌，通過分解有機(jī)物獲得能量并產(chǎn)生粘性物質(zhì)吸附管道中其他雜質(zhì)造成管堵。它可與多種細(xì)菌共生造成管道腐蝕或結(jié)垢，也可與鐵細(xì)菌形成氧濃差電池腐蝕管道。

③應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是一種通過應(yīng)力和腐蝕共同作用造成的腐蝕。主要受管道材料的敏感性，細(xì)菌種類和繁殖狀況以及應(yīng)力載荷大小的影響。在管道材料不變的情況下，無(wú)論是管道自身的腐蝕還是細(xì)菌作用的腐蝕都可以通過應(yīng)力的增大而得到促進(jìn)。腐蝕會(huì)使管壁變薄，在應(yīng)力增大或出現(xiàn)應(yīng)力脈沖時(shí)，會(huì)加重該處管道的負(fù)擔(dān)，造成管道的進(jìn)一步變薄甚至破裂[18]。因此前述三種因素協(xié)同作用、相互促進(jìn)必然使得管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂或者爆管。

2 解決理論

造成管道腐蝕的原因主要是電化學(xué)腐蝕作用，解決辦法是采取陰極保護(hù)措施，包括：外加電流法和犧牲陽(yáng)極法。犧牲陽(yáng)極法的使用條件如下：當(dāng)需要電流大小小于1 A，土壤電阻率低于100 Ω·m時(shí)[19]，可使用一定數(shù)量的陽(yáng)極以提供保護(hù)電流，若所需電流較大，則使用此法的成本將會(huì)增加，不再使用，此時(shí)應(yīng)用外加電流法進(jìn)行陰極保護(hù)就更為經(jīng)濟(jì)。若在電源存才問題，管網(wǎng)復(fù)雜，管道分叉或是存在雜散電流時(shí)，外加電流法將不再適用，為了起到陰極保護(hù)的效果，可以暫時(shí)忽略成本，采用犧牲陽(yáng)極法。

2.1 外加電流法

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，都必須配備兩臺(tái)恒電位儀，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障，另一臺(tái)可作為備用機(jī)進(jìn)行切換，使管道全線得到不間斷陰極保護(hù)。

外加電流陰極保護(hù)范圍的半徑計(jì)算：

式中：L—單側(cè)保護(hù)長(zhǎng)度，m；

DVL—最大保護(hù)電位與最小保護(hù)電位之差，V；

D—管道外徑，m；

JS—保護(hù)電流密度，A/m2；

R—單位長(zhǎng)度管道縱向電阻，Ω/m；

ρt—鋼管電阻率，mm；

d—管道壁厚，mm。

2.2 犧牲陽(yáng)極法

利用犧牲陽(yáng)極法完成陰極保護(hù)，通常采用鎂作為陽(yáng)極材料，在管道全線鋪設(shè)犧牲陽(yáng)極。

（1）單支陽(yáng)極接地電阻計(jì)算

式中：Rv—立式陽(yáng)極接地電阻；

ρ—土壤電阻率；

ρa(bǔ)—填包料電阻率；

L—陽(yáng)極填料層長(zhǎng)度；

La—陽(yáng)極等效直徑；

D—陽(yáng)極等效直徑；

d—填料層直徑。

（2）陽(yáng)極輸出電流計(jì)算

式中：Ia—陽(yáng)極輸出電流；

Ec—陰極開路電位；

Ea—陽(yáng)極開路電位；

ec—陰極極化電位；

ea—陽(yáng)極極化電位；

Rc—陰極過渡電阻；

Ra—陽(yáng)極接地電阻；

RW—回路導(dǎo)線電阻；

ΔE—陽(yáng)極有效電位差；

R—回路總電阻。

（3）所需陽(yáng)極數(shù)量計(jì)算

式中：N—陽(yáng)極數(shù)量；

f—備用系數(shù)，通常取2；

IA—所需總保護(hù)電流；

Ia—單支陽(yáng)極輸出電流。

（4）陽(yáng)極壽命計(jì)算

式中：T—陽(yáng)極中心至地面的距離；

W—陽(yáng)極井質(zhì)量,kg；

ω—陽(yáng)極消耗率（7.92 kg/（A·a）；

I—陽(yáng)極平均輸出電流。

3 結(jié) 論

管道的腐蝕問題是造成管道安全事故的首要原因，管道腐蝕問題長(zhǎng)期得不到解決會(huì)引發(fā)管漏、腐蝕穿孔、管裂、爆管等事故，會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失，環(huán)境污染甚至威脅人身安全。因此，采取有效措施防止或減緩管道的腐蝕是必要的。

具體介紹了管道腐蝕的情況進(jìn)行了細(xì)致的分類，并逐一分析了產(chǎn)生該種腐蝕的機(jī)理和原因。分析結(jié)果表明，管道直接與土壤接觸或水和空氣滲入保護(hù)層引發(fā)的電化學(xué)腐蝕是造成管道腐蝕的主要原因。該種腐蝕可以通過對(duì)管道外加保護(hù)層或蓋層的方法快速解決表象問題，通過犧牲陽(yáng)極法或外加電流法解決根本矛盾。因此，管道的保護(hù)只有內(nèi)外兼顧才能收到最好的效果。

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