天然氣長輸管道腐蝕及防護(hù)研究

張本同，王孟孟，宗麗娜

(1.中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司合肥管理處，安徽 合肥 230000；2.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257000)

天然氣長輸管道腐蝕及防護(hù)研究

張本同1，王孟孟1，宗麗娜2

(1.中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司合肥管理處，安徽 合肥 230000；2.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257000)

長輸管道防腐工作的好壞將直接關(guān)系到天然氣輸送的安全性和可靠性以及天然氣輸送管道的使用壽命。因此，做好加強(qiáng)天然氣管道防腐工作是至關(guān)重要的，本文對天然氣管道腐蝕的影響因素進(jìn)行總結(jié)，其中，外界因素是管道腐蝕的主要誘因，還要綜合考慮內(nèi)部因素以及生產(chǎn)運行因素。與之相對應(yīng)的防腐方法主要是涂防腐層和陰極保護(hù)法，其中強(qiáng)制電流法是目前長距離管道最主要的保護(hù)方法。

天然氣長輸管道；腐蝕因素；防腐層；陰極保護(hù)法

長距離埋地管道是我國石油天然氣資源輸送的主要方式。目前，通過管道實現(xiàn)了我國乃至全世界的石油天然氣能源的輸送。截至2011年底，我國油氣管道鋪設(shè)約為9.1萬公里，其中石油天然氣管道占總管線長度的75%以上[1]。但是，復(fù)雜的土壤環(huán)境以及所輸送物質(zhì)的腐蝕性使得輸送石油天然氣的管道內(nèi)外壁均有被腐蝕的可能性。管道一旦被腐蝕穿孔，不僅會造成石油天然氣的泄漏，運輸?shù)闹袛?，還會污染環(huán)境，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故，造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。了解我國管道運輸?shù)母g現(xiàn)狀，掌握管道腐蝕的規(guī)律并加以有效控制，采取適宜有效的技術(shù)對腐蝕程度嚴(yán)重的管道進(jìn)行修復(fù)從而使得管道的使用壽命延長，這項研究對我國國民經(jīng)濟(jì)地下大動脈的安全運行具有十分現(xiàn)實和長遠(yuǎn)的意義。

1 管道腐蝕的影響因素

1.1 外界因素的影響

外界環(huán)境包括空氣、雨水、土壤等對管道的腐蝕影響很大。在外界空氣的作用下，管道會產(chǎn)生一些氧化作用；由于環(huán)境的污染導(dǎo)致雨水、河流等的水質(zhì)呈現(xiàn)酸性；在土壤和地下水的長期接觸的過程中，地下管道會產(chǎn)生比較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，引起化學(xué)腐蝕，以上均對管道具有一定的腐蝕作用。

1.1.1 大氣腐蝕

大氣中含有的一定量的水蒸氣會在金屬的表面進(jìn)行冷卻形成水膜，水膜會溶解空氣中的某些酸性氣體，起到一定的電解質(zhì)溶液的作用，使金屬管道表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕。影響大氣腐蝕的主要因素有污染物和氣候條件。在干燥的條件下，金屬管道受污染物的影響很小，但是當(dāng)管道周圍的環(huán)境的相對濕度在80%以上時，將會加快腐蝕速度。因而，潮濕環(huán)境的架空管道表面或敷設(shè)在地溝中的管道將極易受到腐蝕。

1.1.2 土壤腐蝕

土壤是多孔性的膠體，具有固、液、氣三相，其空隙充滿了水分和氣體，一定的鹽類溶解于水中使土壤具有離子導(dǎo)電性。輸氣管道埋藏在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)各不相同的土壤各處，且管道各部分的結(jié)構(gòu)亦不同，導(dǎo)致管道中的部分金屬易發(fā)生電離，電離的金屬正離子進(jìn)入到土壤中，剩余的電子留存在該處而呈現(xiàn)出負(fù)電壓，不易被電離的部分將會呈現(xiàn)出正電壓，氧化還原反應(yīng)極易在管道兩端發(fā)生。

1.1.3 細(xì)菌腐蝕

細(xì)菌腐蝕常常伴隨在土壤腐蝕的過程中，參與細(xì)菌腐蝕的細(xì)菌主要有鐵細(xì)菌、氧化菌、硫酸鹽還原菌、硝酸鹽還原菌等，其中最具有代表性的是厭氧性硫酸鹽還原菌。分布在河、海、湖泊水田、沼澤的淤泥中以及透氣性差，pH值=6～8的堿性土壤中。當(dāng)陰極反應(yīng)發(fā)生時產(chǎn)生的氫會與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，最終生成硫化鐵等腐蝕產(chǎn)物，在管道表面進(jìn)行覆蓋，形成孔蝕。另外，此還原菌還能來利用土壤中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行大量繁衍，有硫化氫臭雞蛋味和土壤顏色發(fā)黑是硫酸鹽還原菌腐蝕現(xiàn)場的特點。

1.1.4 雜散電流腐蝕

雜散電流腐蝕又稱為干擾腐蝕，是流散于大地中的電流對管道產(chǎn)生的腐蝕，是一種電化學(xué)腐蝕，該腐蝕由外界因素引起，外部電流的大小和極性將決定管道腐蝕的部位，當(dāng)管道沿高壓輸電線敷設(shè)時，在管線建成四個月就會因電磁耦合在管道上感應(yīng)交流電而引起電流腐蝕穿孔，對設(shè)備和人體均造成危害。

1.2 內(nèi)部因素的影響

由于資金短缺、條件有限及管道設(shè)計不合理等原因也會在管道的設(shè)計、采購過程以及施工中引起天然氣管道防腐措施不到位、不合格的管道本體質(zhì)量以及由于粗暴的施工方式造成的原有防腐層破損等問題。這樣會直接影響管道的運行，甚至引發(fā)安全問題。

此外，輸氣管道的內(nèi)壁會附著有較多的水分，易導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕，天然氣本身含有雜質(zhì)，主要是酸性較強(qiáng)的硫化物、硫化氫、二氧化碳、氯離子及其他物質(zhì)，腐蝕管道內(nèi)壁，并且在管道玩頭連接處形成水合物而堵塞管道，形成均勻腐蝕；隨著輸送過程中壓力、溫差及流體流動速率的變化影響，均會使得金屬管道內(nèi)壁遭受不同程度的應(yīng)力腐蝕和沖刷腐蝕。

1.3 生產(chǎn)運行的影響

防腐工作在天然氣管道的生產(chǎn)運行過程中起著重要的作用，是檢測管道能否正常工作的"眼睛"。高速發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)，使得各種施工層出不窮，如果監(jiān)管不力，就可能會破壞管道的防腐層，或者產(chǎn)生大量的雜散電流使得管道發(fā)生孔蝕，嚴(yán)重者甚至使得管道爆裂。因此，管道企業(yè)任務(wù)艱巨，除了要加強(qiáng)管道的巡護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況以保證管道的外界安全外，還要注重與電氣鐵路、施工單位等各部門的溝通協(xié)調(diào)。

2 管道防腐方法

天然氣管道腐蝕的影響因素復(fù)雜多變，嚴(yán)重程度不等，對其進(jìn)行全方位的防腐保護(hù)，使得管道壽命延長，運行的安全性提高是十分有必要的。防腐方法較多，常見的主要有涂防腐層法、電化學(xué)保護(hù)法和加緩蝕劑法。針對不同類型的腐蝕因素，可以相應(yīng)的選擇不同的方法來增強(qiáng)防腐保護(hù)。

2.1 涂防腐層

天然氣的輸送過程中，具有距離長、范圍廣、壓力高和流量大等特點，沿途以崎嶇的地形較多，又受到天氣和溫度的影響。因此，對管壁防腐層的選材要綜合考慮土壤、運輸條件及工藝技術(shù)要求等等，最終在保證正常輸送量的基礎(chǔ)上，做到經(jīng)濟(jì)、合理和可靠。

2.1.1 外部防腐層

外部防腐層是天然氣管道的第一道防線，可以避免管道直接接觸土壤和空氣，防止管道在運行過程中遭受不同程度的腐蝕。對于土壤腐蝕可以增加水泥砂漿或者塑料絕緣層、噴涂環(huán)氧粉末或者瀝青層等。由于瀝青本身具有優(yōu)良的防腐效果且價格低廉是一類最常見的防腐措施，此外塑料絕緣層具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和彈塑性，保障了電絕緣性與防水性，也有具有較大的應(yīng)用前景；大氣腐蝕很難徹底避免，防腐的重點在于隔離酸性物質(zhì)。這就要求在管道施工的過程中，要先對輸氣管路進(jìn)行全方位的刷涂與除銹處理，條件允許的情況下，可以選擇專用玻璃布進(jìn)行管道的包裹處理，從而杜絕大氣腐蝕，保證輸氣管道內(nèi)外層的穩(wěn)定性[2]。

2.1.2 內(nèi)部防腐層

內(nèi)防腐層主要是在管內(nèi)壁和管流之間提供隔離空間，避免金屬管道與腐蝕物質(zhì)發(fā)生直接接觸。在天然氣長輸管線中進(jìn)行涂層，除起到防腐作用以外，而且可以降低摩擦阻力，提高輸量。一般情況下，管道內(nèi)側(cè)的防腐涂層可以選擇環(huán)氧樹脂或合成樹脂等，常用的有聚酰胺環(huán)氧樹脂和胺固化環(huán)氧樹脂，涂層厚度為0.038～0.2mm，為保證涂層與管壁粘結(jié)的牢固性需要對對便面進(jìn)行處理。20世紀(jì)70年代以來，管道內(nèi)外壁一般選擇相同的材料，以便可以同時進(jìn)行涂覆。

2.2 陰極保護(hù)法

腐蝕電位即自然電位，可以表示金屬失去電子的難易程度。腐蝕電位越負(fù)越易失電子，失電子為陽極區(qū)，得電子為陰極區(qū)。陽極區(qū)因失去電子而發(fā)生腐蝕，如鐵原子失去電子變成鐵離子而進(jìn)入到土壤中。而陰極區(qū)得到電子而受到保護(hù)，陰極保護(hù)發(fā)的遠(yuǎn)離就是基于此。一般是給金屬補充足量的電子，則被保護(hù)的金屬出的電子將處于過飽和狀態(tài)，使得金屬表面?zhèn)€點達(dá)到同一負(fù)電位。主要方法主要有以下三種。

2.2.1 犧牲陽極保護(hù)法

犧牲陽極是將被保護(hù)金屬連接一種電位更負(fù)的金屬或合金，使被保護(hù)體陰極極化的方法。被保護(hù)金屬為陰極，保護(hù)金屬是陽極，被腐蝕消耗，從而實現(xiàn)了對陰極的被保護(hù)金屬體的防護(hù)。此保護(hù)方法具有較多優(yōu)點：保護(hù)電流的利用率高，不會發(fā)生過保護(hù)現(xiàn)象；對于短距離和無電源地區(qū)仍然適用；不會干擾鄰近的地下金屬設(shè)備且施工技術(shù)簡單，安裝維護(hù)費用較低；管道的接地、保護(hù)兼顧；日常的管理工作量小。但也存在較多的缺點：驅(qū)動電位低較低，較難調(diào)節(jié)保護(hù)電流；由于土壤電阻率限制使用范圍；若雜散電流干擾強(qiáng)烈，保護(hù)作用將喪失；犧牲陽極壽命將限制保護(hù)時間。

2.1.2 外加電流保護(hù)法

通過外部電源使得周圍環(huán)境高于需要保護(hù)的設(shè)備的電位的狀態(tài)下，從而成為整個環(huán)境中的陰極，被保護(hù)的設(shè)備將不會因為失去電子而發(fā)生腐蝕。該系統(tǒng)是由整流電源、參比電極、連接電纜、陽極地床組成，強(qiáng)制電流法的電源常用的有整流器、熱電發(fā)生器、太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等；輔助陽極的常用材料有石墨，磁性氧化鐵、高硅鑄鐵及廢鋼鐵等[3]。該方法是目前長距離管道最主要的保護(hù)方法。此法的優(yōu)點是由于驅(qū)動電壓高，可以靈活控制陰極保護(hù)電流的輸出量；使用于高電阻率或惡劣的腐蝕環(huán)境下；對不溶性陽極材料可做長期陰極保護(hù)；一座陰極保護(hù)站若采用較好的防腐絕緣層，可以保護(hù)幾十公里的范圍；另外，對于防腐絕緣層質(zhì)量較差或者有局部裸露的管道也可以達(dá)到完全保護(hù)。但是此方法需要外部電源；易干擾鄰近的地下金屬設(shè)備，且維護(hù)和投入費用也較高。

2.1.3 排流保護(hù)法

天然氣長輸管道沿線與高壓輸電線路近距離平行時，會受到高壓輸電線、電氣化鐵路的干擾，使得管道的腐蝕加劇。因此，天然氣長輸管線應(yīng)當(dāng)盡可能的遠(yuǎn)離交、直流干擾源[4]。

2.3 加緩蝕劑

緩蝕劑由于使用方便、成本低和見效快等特點引起了人們的重視。一般認(rèn)為緩蝕劑的作用機(jī)理是成膜理論、吸附理論和電化學(xué)理論，緩蝕劑中的原子通過化學(xué)鍵與管壁金屬形成保護(hù)膜，從而保護(hù)管道。常用的緩蝕劑主要有咪唑啉類、胺類、有機(jī)磷酸鹽類、炔醇類、嗎啉類等等。這些分子及化學(xué)結(jié)構(gòu)均由極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)構(gòu)成。其中在酸性環(huán)境下，咪唑啉類可以發(fā)揮明顯的效果。但是緩蝕劑對天然氣有一定影響，且對環(huán)境也有一定的危害。因此，選擇緩蝕劑要根據(jù)情況綜合考慮。

2.4 改善管道金屬的本質(zhì)

根據(jù)用途不同可以選擇不同材質(zhì)的管道使其具有耐腐蝕性。常見的方法是在金屬中添加合金元素，如：在鋼中加入鎳制成不銹鋼可以增強(qiáng)防腐蝕能力。

2.5 保護(hù)環(huán)境

加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)對減少和防止金屬腐蝕同樣有著重要作用?？諝赓|(zhì)量的提升有助于酸性氣體的減少，使得大氣腐蝕的程度減小。此外，控制環(huán)境的溫度和濕度，減少腐蝕介質(zhì)的濃度，除去介質(zhì)中的氧，均可減少和防止金屬腐蝕。

3 結(jié)語

在運行的過程中，長輸天然氣管道的腐蝕影響因素眾多。腐蝕的機(jī)理也各不相同，受到目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的制約，每一項針對天然氣長輸管線的防腐技術(shù)并不能應(yīng)對所有的環(huán)境。因此，在防腐問題上，要針對天然氣管道的具體情況，采取不同的應(yīng)對措施。最大限度的提高管線的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 毛東旭，李成林，王 昭，等.電化學(xué)防護(hù)技術(shù)在化工管道防腐中的研究與應(yīng)用[J].廣東化工, 2015 , 42 (08) :5-6.

[2] 汪春勝. 探析天然氣輸送管道的腐蝕因素及防護(hù)措施[J].科學(xué)管理,2017(2):298.

[3] 李立國.關(guān)于天然氣長輸管道防腐蝕技術(shù)的探討[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2014 (15) :61.

[4] 馮仁強(qiáng).論天然氣長輸管道防腐對策[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品 , 2015 (21) :95-95.

CorrosionandProtectionofLongDistanceNaturalGasPipeline

ZhanBentong1,WangMengmeng1,ZongLina2

(1.He-Hei Precinct of Petro-China West East Gas Pipeline Company, Hefei 230000,China;2.Shengli College China University of Petroleum, Dongying 257000 China)

Long-distance pipeline corrosion work will be directly related to the safety and reliability of natural gas transmission and natural gas pipeline service life. Therefore, it is very important to strengthen the anti-corrosion work of natural gas pipeline. In this paper, the factors influencing the corrosion of natural gas pipeline are summarized. Among them, the external factors are the main causes of pipeline corrosion, and the internal factors and production factors are also taken into account. Corresponding to the corresponding anti-corrosion method is mainly coated with anti-corrosion and cathodic protection method, in which the forced current method is the most important long-distance pipeline protection method.

long distance natural gas pipeline; the factor of corrosion; anti-corrosion coating; cathodic protection

2017-07-19

張本同(1984—)，安徽定遠(yuǎn)人，中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司合肥管理處助理工程師，獲學(xué)士學(xué)位，主要從事管道保護(hù)領(lǐng)域研究。

TE988.2

A

1008-021X(2017)18-0134-02

(本文文獻(xiàn)格式張本同，王孟孟，宗麗娜.天然氣長輸管道腐蝕及防護(hù)研究[J].山東化工，2017，46(18)：134-135，138.)