天然氣長輸管道的腐蝕與防護措施

周華英

【摘要】天然氣使用量的急劇增加，而管網(wǎng)設(shè)施是天然氣發(fā)展的基本條件之一，也是國家現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，特別是城市燃氣管網(wǎng)設(shè)施的建設(shè)，它是一個城市生存和發(fā)展的必要保障和國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

天然氣管道從天然氣供應(yīng)場所到其使用地方，經(jīng)過各種各樣復(fù)雜的地形，管道所處環(huán)境千變?nèi)f化，且天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳等酸性氣體，它們對天然氣管道造成腐蝕威脅，影響天然氣管道的平安運行，因此天然氣管道在運營中必須實施防腐蝕保護。

【關(guān)鍵詞】天然氣管道；腐蝕；防護

The corrosion and protection

measures of natural gas pipeline

Abstract：The rapid increase of natural gas usage， and network facilities is one of the basic conditions of natural gas development. Also it is the important symbol of modernization of the country， especially the construction of city gas pipe network facilities. It is necessary to the survival and development of a city's security and the national important infrastructure.

Natural gas is transfered from supplier to each user by natural gas pipeline， after all sorts of complex terrain， pipeline environment， and natural gas often contains the acidic gas such as hydrogen sulfide， carbon dioxide. They can corrode gas pipeline， affect the safe operation of gas pipeline.So the natural gas pipeline corrosion protection must be carried out.

Keywords： Natural gas，the corrosion，the protection

1、引言

隨著我國國民經(jīng)濟較快發(fā)展，改善能源結(jié)構(gòu)日趨迫切，加上環(huán)保要求和環(huán)保意識的增強，從而對天然氣的需求有較快增長，天然氣的地位、生產(chǎn)和貿(mào)易隨之上升。國際能源署（IEA）發(fā)布年度中期天然氣市場報告預(yù)計，到2019年，我國天然氣需求將增至3150億立方米。今年官方預(yù)計到2020年天然氣年消耗4200億立方米。而天然氣的輸送主要由天然氣管道完成。各大長輸管網(wǎng)均承擔(dān)著保障國家能源供給安全戰(zhàn)略順利實施的重大責(zé)任和使命。

輸氣管網(wǎng)設(shè)施大力建設(shè)并迅速發(fā)展，成為了城市生存和發(fā)展的必要保障和國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。2007年已完成基本骨干管道（約4000km）的西氣東輸工程，配套建設(shè)支干線和區(qū)域性管道11000～17000km，形成基本覆蓋長江三角洲地區(qū)及華東、華北、中部地區(qū)的天然氣管網(wǎng)。預(yù)計到2020年，中國天然氣管道將達15萬公里，年均增長超過1萬公里。

目前輸氣管道多為鋼管，埋地敷設(shè)。實驗表明，埋地鋼管若不加防腐，一年即可能腐蝕穿孔，而若采取合理的防腐措施，使用壽命可達25年以上。天然氣管道輸送介質(zhì)中往往含有H2S、CO2等酸性腐蝕介質(zhì)對管壁腐蝕，造成天然氣井套的斷裂、集輸管線爆破等故障。國內(nèi)外腐蝕造成的案例很多，1970至1984年，美國輸氣干線發(fā)生的事故中，內(nèi)腐蝕造成的事故占4.5%；1980至1990年，俄羅斯輸氣干線共發(fā)生事故725次，內(nèi)腐蝕事故占7%。四川的威遠-成都輸氣干線在1968至1997的30年間的就發(fā)生過管道事故110余起，其中內(nèi)腐蝕事故約占總數(shù)的77%。1980年以后，通過加注緩釋劑、加強清管等措施較有效控制了管道的內(nèi)腐蝕，管道事故率有所下降，但20世紀(jì)90年代川渝地區(qū)輸氣管道的平均事故率仍達到了2.3次/1000km.a，遠遠高于發(fā)達國家的平均水平。因此對天然氣管道進行防腐蝕保護很有必要的。

進入長輸管網(wǎng)的天然氣既有不同國家的管輸天然氣、液化天然氣，又有國產(chǎn)的氣田氣、油田伴生氣、煤層氣、頁巖氣和煤制氣等。不同氣源間可能存在的不同氣質(zhì)會對天然氣的貿(mào)易交接和安全生產(chǎn)造成影響。管道的安全輸送及天然氣的準(zhǔn)確計量都對進入管道，尤其是長輸管道的天然氣氣質(zhì)提出要求。

2、氣質(zhì)情況概述

現(xiàn)階段我國進入長輸管道中的管輸天然氣按照來源可以分為常規(guī)天然氣（氣田氣、油田伴生氣等）、頁巖氣、煤層氣以及煤制氣等。

2.1常規(guī)天然氣

典型常規(guī)天然氣氣質(zhì)組成范圍

上表是我國典型的常規(guī)天然氣氣質(zhì)組成范圍。由表可以看到，常規(guī)天然氣通常含有十多個組分，管輸天然氣大多滿足GB17820-2012標(biāo)準(zhǔn)的二類氣以上質(zhì)量要求。另外，天然氣的輸送管道是基于表中的常規(guī)天然氣氣質(zhì)進行安全設(shè)計的，在多年的實際運行中也未見異常。所以，常規(guī)天然氣在進入長輸管道時，不會對天然氣的貿(mào)易交接計量和安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響。

2.2對管道安全輸送產(chǎn)生影響的因素

進入長輸管道氣質(zhì)要滿足GB17820-2012的要求，保證多氣源（常規(guī)天然氣、頁巖氣、煤層氣、煤制氣等）進入管道后，長輸管道能安全運行。另外還需進一步討論可能對管道安全輸送產(chǎn)生影響的因素。

2.2.1 總硫

進入管道的總硫指標(biāo)直接關(guān)系到天然氣燃燒后形成的SO2排放量，GB17820-2012中的總硫含量在確定時，已充分考慮天然氣燃燒后排放的環(huán)保要求。進入長輸管道氣質(zhì)總硫指標(biāo)的確定可以參照GB17820-2012指標(biāo)執(zhí)行。

2.2.2 H2S

H2S作為酸性氣體，是對管道運行產(chǎn)生腐蝕的主要氣體。硫化氫溶于水后，首先吸附于鐵表面，F(xiàn)e經(jīng)過一系列陰離子吸附和脫附、陽極氧化反應(yīng)、水解等過程，生成Fe2+或者FeS，導(dǎo)致鐵腐蝕。

2.2.3 CO2

CO2在管輸過程中主要是電化學(xué)腐蝕。天然氣管道輸送的介質(zhì)中含有CO2溶于水，生成酸，碳鋼在酸中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)腐蝕，在陽極區(qū)鐵被氧化為Fe2+離子，所放出的電子自陽極（Fe）流至鋼中的陰極（Fe3C）上被H+吸收而被還原成氫氣，即

其電極反應(yīng)為：CO2+H2O→H2CO3 H2CO3+Fe→FeCO3+H2↑

陽極氧化反應(yīng)：Fe→Fe2++2e

陰極還原反應(yīng)：H2CO3→H++HCO3- 2H+2e→H2↑

從原理上說，在CO2的腐蝕反應(yīng)中，第一步需要CO2與水形成碳酸，然后形成原電池，進而發(fā)生管道的腐蝕。而天然氣中保證了極低水含量的管道輸送條件，這就是為什么在CO2體積分?jǐn)?shù)為2%甚至以上的情況下，管道也能安全運行的原因之一。所以，進入長輸管道的氣體中CO2含量的確定應(yīng)該同時考慮CO2腐蝕對管道產(chǎn)生腐蝕的閾值以及管道的運行條件，并綜合長期以來長輸管道的運行經(jīng)驗來確定。

2.2.4 CO

常規(guī)天然氣是在地層中經(jīng)長期的高溫高壓形成的，即使存在CO，在漫長的地質(zhì)年代下也已轉(zhuǎn)化成了CO2。所以，常規(guī)天然氣甚至包括頁巖氣和煤層氣等均不含CO。

2.2.5 H2

H2是最可能影響長輸管道的組分，常量的H2在長輸管道的鋼材中可能形成氫脆和氫鼓泡等，對管輸產(chǎn)生影響。對于常規(guī)天然氣來說，H2的體積分?jǐn)?shù)為0.1%甚至更低，以至于完全不含H2。

3、天然氣管道的腐蝕

輸氣管道在運行中與輸送介質(zhì)發(fā)生內(nèi)腐蝕。內(nèi)腐蝕是由于天然氣中殘存的水分和H2S、CO2等酸性氣體造成的類似原電池的電化學(xué)反應(yīng)和破壞金屬晶格的化學(xué)反應(yīng)。這兩種反應(yīng)都造成管壁疏松、脫落以致穿孔，不能再承受壓力和輸送天然氣。

4、天然氣埋地鋼管的防腐方法

4.1內(nèi)腐蝕防護

對于內(nèi)壁的防腐蝕，主要可從以下兩個方面入手：

（1）凈化天然氣通常在氣源地，從地下開采出來的天然氣先經(jīng)過脫硫、脫水等一系列工藝，達到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，才進人長輸管線。

（2）管道內(nèi)壁涂敷對管道作內(nèi)壁涂敷可減少腐蝕、輸氣阻力以及每年的清管次數(shù)。目前我國已開發(fā)了鋼管內(nèi)表面環(huán)氧樹脂靜電粉末噴涂技術(shù)及成套設(shè)備。

其中多以第二種方法為主，涂層是通過抑制金屬表面產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而實現(xiàn)防腐，具體來看，是基于下面三方面的作用：

（1）屏蔽作用：許多涂層對酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)顯示化學(xué)惰性，且介電常數(shù)高，阻止了腐蝕電路的形成，因此金屬表面涂覆漆膜后，把金屬表面與環(huán)境隔開，起到了屏蔽腐蝕介質(zhì)的作用。但必須指出，涂料用高聚物具有一定的透氣性，并與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

（2）鈍化緩釋作用：借助涂料中的防銹顏料與金屬表面反應(yīng)，使其鈍化或生成保護性的物質(zhì)以提高涂層的保護作用，另外，許多油料在金屬皂的催化作用下生成降解產(chǎn)物也能起到有機緩蝕劑的作用。

（3）電化學(xué)保護作用：涂料中使用電位比鐵較低的金屬為填料（如鋅），會起到犧牲陽極的陰極保護作用，并且鋅的大氣腐蝕產(chǎn)物堿式碳酸鋅比較穩(wěn)定，又起到封閉、堵塞期末空隙的作用。

4.1.1防腐涂層的結(jié)構(gòu)

在實際應(yīng)用中，一種涂層往往不能很好的起到保護金屬的作用，或不能同時滿足防腐、耐候、美觀等使用要求，因此大多在金屬表面涂覆幾種涂層，以組成一個整體系統(tǒng)共同發(fā)揮功效，這一涂層體系包括底漆，中間層，面漆，每層按需要分別涂刷一至數(shù)次，也有的僅是單層結(jié)構(gòu)就同時滿足了不同的使用要求，如粉末涂料。

4.1.2防腐涂層的選擇

在選擇防腐層的時候防腐涂層應(yīng)具備：有效的電絕緣性；有效的隔水屏障性；涂敷于管道的方法不會對管道性能產(chǎn)生不利影響；涂敷于管道上的涂層缺陷最少；與管道表面有良好的附著力；能防止針孔隨時間發(fā)展；能抵抗裝卸、儲存和安裝時的損傷；能有效地保持絕緣電阻隨時間恒定不變；抗剝離性能；抗化學(xué)介質(zhì)破壞；補傷容易；物理性能保持能力強；對環(huán)境無毒；能防止地面儲存和長距離運輸過程不發(fā)生變化和降解。

目前國內(nèi)外適用于長輸管道的防腐蝕涂層主要有煤焦油瓷漆、PE二層結(jié)構(gòu)、PE三層結(jié)構(gòu)、熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）、雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（雙層FBE）覆蓋層等。

（1）煤焦油瓷漆具有絕緣性能好、吸水率低、耐細菌腐蝕和植物根莖穿透、國內(nèi)材料充足及使用壽命長、價格低等優(yōu)點。主要缺點是機械強度較低，適宜溫度范圍窄，低溫易變脆，生產(chǎn)施工過程中可能會逸出有毒氣體，需要嚴(yán)格的煙霧處理措施。國外使用已有70多年歷史，近年來因受環(huán)保的限制逐漸被其他覆蓋層代替。我國已研制出達到國際標(biāo)準(zhǔn)的煤焦油瓷漆產(chǎn)品，分3種型號，以適應(yīng)不同的溫度需要。

（2）PE兩層結(jié)構(gòu)具有絕緣性能好、吸水率低、機械強度高、堅韌耐磨、耐酸堿鹽和細菌腐蝕、耐溫度變化、國內(nèi)材料充足等優(yōu)點，價格較低。缺點是耐紫外線性能差，陽光下過久暴露易老化，與鋼管表面結(jié)合力較差，抗陰極剝離性能差。PE層的靜電屏蔽作用不利于外加電流陰極保護。國外采用聚乙烯防腐蝕有40多年歷史，目前仍有一定的使用量。其中在中小管徑上的用量占第一位，中等管徑應(yīng)用上僅次于熔結(jié)環(huán)氧粉末。國內(nèi)1985年后廣泛應(yīng)用，到目前為止油田和各地中小管徑采用此種覆蓋層的防腐蝕管道已超過上萬公里。

（3）PE三層結(jié)構(gòu)防腐蝕層結(jié)合了高密度聚乙烯包覆、熔結(jié)環(huán)氧粉末的優(yōu)點。它利用環(huán)氧粉末與鋼管表面牢固結(jié)合，利用高密度聚乙烯耐機械損傷，兩層之間特殊的膠層使三者形成分子鍵結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)防蝕性能、機械性能的良好結(jié)合，是目前我國大型管道工程首選的涂層。PE三層結(jié)構(gòu)防腐蝕層從1995年在庫鄯線、陜京線應(yīng)用以來，防蝕效果很好。

（4）熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）具有與鋼管表面結(jié)合牢固、絕緣性能好、機械強度高、耐溫度變化、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點，可適用于各種惡劣自然環(huán)境。主要缺點是耐紫外線性能差；由于覆蓋層較薄（0.35～0.50mm），耐劃傷和磕碰性能較厚覆蓋層要差。國外從20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用于管道防腐蝕，發(fā)展很快，是目前國際管道防腐蝕上采用量最多的覆蓋層。

（5）雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（雙層FBE）與PE三層結(jié)構(gòu)類似，具有和PE三層相同的綜合性能，機械性能尤其高，補口也用雙層FBE，相容性好，覆蓋層表面光滑。另外可避免陰極屏蔽問題。

結(jié)束語

針對埋地天然氣管道的腐蝕防護，只單獨采用涂層外防腐和陰極保護兩種方法中的任意一種是不行的，因為如果對氣管道進行陰極保護不加防腐層或防腐層質(zhì)量較差，這樣做就會增加耗電量而不經(jīng)濟；如果只采用防腐層不加陰極保護，由于防腐層不可能絕對完好無損，一旦防腐層上有針孔或破損，就會形成大陰極、小陽極（針孔或破損部分）的腐蝕電池。腐蝕將會集中在破損或針孔處，其腐蝕速度比裸露管道的腐蝕速度還要大，從而導(dǎo)致管道在較短的時間內(nèi)穿孔，顯然只采用防腐層而不施加陰極保護顯然不行的。因此天然氣管道的腐蝕防護大都采用陰極保護與防腐層相結(jié)合的方法，這種方法被稱為管道的“聯(lián)合保護”，是當(dāng)今世界上公認的管道防腐措施。

參考文獻

[1]周虹伶，曹輝祥.天然氣管道腐蝕研究.內(nèi)蒙古石油化工，2009（13）.

[2]趙文德.石油天然氣管道的腐蝕與防護.化學(xué)工程與裝備，2009（7）.

[3]趙曉東.埋地天然氣管道腐蝕問題的解決.石油化工應(yīng)用，2007（26）.

[4]梁平，唐柯等.天然氣管線內(nèi)腐蝕影響因素分析.石油工程，2000（6）.