埋地輸油管道腐蝕機理及減緩對策

李逢蘭

摘? 要：油品的長距離輸送主要依靠輸油管道，在長期的輸送作業(yè)過程中管道可能會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。輸油管道腐蝕后容易造成油品泄漏污染土壤環(huán)境，甚至可能引發(fā)爆炸、火災等安全事故。因此，必須重視管道防腐工作。本文主要介紹了埋地輸油管道的內(nèi)、外腐蝕形式及機理，并提出相應的管道腐蝕減緩措施，對管道的腐蝕防護具有一定的指導意義。

關鍵詞：輸油管道? 腐蝕機理? 減緩對策? 油品泄漏

中圖分類號：TE988? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0068-04

Abstract： The long-distance transportation of oil mainly depends on the oil pipeline， which may cause corrosion during the long-term transportation operation. The corrosion of oil pipeline is easy to cause oil leakage， pollute soil environment， and even lead to explosion， fire and other safety accidents. Therefore， it is necessary to pay attention to the pipeline anti-corrosion work. This paper mainly introduces the internal and external corrosion forms and mechanisms of buried oil pipeline， and puts forward corresponding pipeline corrosion mitigation measures， which has certain guiding significance for pipeline corrosion protection.

Key Words： Oil pipeline;Corrosion mechanism; Mitigation measures; Oil leakage

石油作為重要的能源和戰(zhàn)略物資，關系著國民經(jīng)濟的正常運行和國家安全。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對石油的需求量不斷增大。與鐵路運輸、公路運輸?shù)汝懮线\輸方相比，管道輸油具有運量大、密閉性好、成本低等優(yōu)點，因而管道成為了石油產(chǎn)品最主要的輸送設備。

由于輸油管道掩埋在地下，在不同的土壤環(huán)境、水環(huán)境等因素影響下，輸油管道在使用一定時間后會出現(xiàn)不同程度的腐蝕，容易造成油品泄漏，不僅會污染土壤，造成巨大的經(jīng)濟損失，嚴重時還會發(fā)生爆炸，危及人身安全。影響管道腐蝕嚴重程度的因素有很多，如油品溫度、管道壓力、介質(zhì)成分和濃度、管道周圍土壤環(huán)境等，其中一些因素對金屬管道材料或部件的腐蝕起主導作用，對管道的使用壽命影響很大。因此，分析埋地輸油管道不同類型的腐蝕機理并提出相應減緩對策是非常有必要的。

1? 埋地輸油管道腐蝕機理

管道在油品輸送過程中，同時也含有多種化學物質(zhì)，包括二氧化碳、硫化氫、有機酸、細菌、沙子和水，這些成分是管道腐蝕的主要原因之一。輸油管道內(nèi)含有一定濃度的二氧化碳和水時，會形成一種能與鋼鐵發(fā)生反應的酸性氧化物。這種腐蝕類型被稱為二氧化碳腐蝕，也是造成輸油管道普遍腐蝕的主要原因。二氧化碳腐蝕破壞多為膜破損處的點蝕。二氧化碳與硫化氫共存時會增大其腐蝕速率，并增大金屬氫致開裂和硫化物應力開裂的敏感性。石油中的二氧化碳會溶解在水中生成碳酸（H2CO3），這種酸溶解鐵生成碳酸鐵和氫氣，如式（1）所示。

這種反應發(fā)生在陰極：

Fe + H2CO3 → FeCO3 + H2（g）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

盡管碳酸的酸性很弱，但它對碳鋼有極強的腐蝕性。上述化學反應形成碳酸鐵薄膜。CO2的存在起到催化劑的作用，促進了氫的析出，從而提高了碳鋼在水溶液中的腐蝕速率。碳酸（H2CO3）可作為H+的額外來源，或根據(jù)式（2）和（3）直接還原：

當Fe2+與FeCO3的沉淀速率相同時，溶解鐵的濃度會增加。當腐蝕過程中釋放出Fe2+時，根據(jù)式（3）形成雙倍量的碳酸氫鹽：

pH值升高，當碳酸氫鹽和碳酸鹽濃度變得很高時，則生成FeCO3沉淀，如式（4）所示：

當腐蝕產(chǎn)生的鐵離子全部沉淀為碳酸鐵（FeCO3）時，pH值保持不變，整個反應變成式（1）中的狀態(tài)。

為了控制管道的腐蝕速率，應采取鈍化處理措施。鈍化是使金屬表面轉化為不易被氧化的狀態(tài)，從而延緩金屬的腐蝕速度的方法。當在金屬表面形成保護膜時，它會形成一層涂層，阻止對材料的進一步腐蝕作用。

1.1 管道內(nèi)部腐蝕

管道內(nèi)部含水率增加以及細菌活動增加，容易造成管道內(nèi)部腐蝕，且已成為大多數(shù)油氣管道中日益嚴重的問題。內(nèi)腐蝕是油氣工業(yè)管道失效的主要原因，其腐蝕形式有沖蝕腐蝕、微生物影響腐蝕、應力腐蝕裂紋等。

1.1.1 沖蝕腐蝕

沖蝕腐蝕機理是通過不斷地從管壁去除腐蝕產(chǎn)物的鈍化層來提高腐蝕反應速率。鈍化層是一層腐蝕產(chǎn)物薄膜，實際上起到穩(wěn)定腐蝕反應和減緩腐蝕反應的作用。由于管線中油品的湍流和高剪切應力作用，可以移除該鈍化層，從而導致腐蝕速率增加。在高湍流度的情況下，通常會發(fā)生沖蝕腐蝕。在湍流充分發(fā)展的多相流模型中，氣泡的形成和潰滅是由于傳質(zhì)系數(shù)的變化和管道中CO2腐蝕的最終加劇造成的。

1.1.2 微生物腐蝕

微生物腐蝕是由微生物細胞新陳代謝活動引起的。微生物會產(chǎn)生二氧化碳、硫化氫和有機酸等廢物，加劇管道腐蝕。一些細菌如硫酸鹽還原菌（SRB）的生長代謝會在管道金屬表面形成生物膜，改變生物膜內(nèi)微環(huán)境，其代謝產(chǎn)物與管道金屬基體相互作用，進而加速管道的腐蝕過程。細菌也會聚集在管壁上，形成沉積物和沉積腐蝕。微生物引起的腐蝕可通過在管道表面出現(xiàn)的黑色粘液或結瘤以及這些沉積物下的管壁點蝕來識別。

1.1.3 點狀腐蝕

點蝕（又稱孔蝕、小孔腐蝕等）是在金屬上產(chǎn)生小孔的一種極為局部的腐蝕形態(tài)，而其他地方幾乎不腐蝕或腐蝕輕微。當電化學或化學分解使金屬表面的一個小的局部區(qū)域暴露在諸如氯離子之類的有害物質(zhì)中時，就產(chǎn)生了凹坑。與整個金屬表面相比，發(fā)生點蝕的位置隨環(huán)境變化而變化。

1.1.4 縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是指在腐蝕介質(zhì)中的金屬表面上，在縫隙和其他隱蔽的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的局部腐蝕。這樣的周圍環(huán)境含有破壞性的腐蝕物質(zhì)，通常是氯離子。縫隙腐蝕的一個典型例子是在兩個與墊圈或另一個金屬表面緊密接觸的金屬表面之間的區(qū)域形成的縫隙腐蝕。最終在縫隙中形成的環(huán)境與覆蓋在坑上的沉淀腐蝕形成的環(huán)境相似。與周圍介質(zhì)相比，暴露在氧濃度較低的環(huán)境中的非屏蔽表面和縫隙內(nèi)部之間的耦合形成電化學腐蝕電池。作為腐蝕電池陽極的濃度，存在于酸性、高氯化物環(huán)境中，在這種環(huán)境中很難再沉積，使縫隙內(nèi)部受到腐蝕侵蝕。

1.1.5 應力腐蝕裂紋

應力腐蝕裂紋是局部腐蝕的一種形式，通過腐蝕劑和拉伸應力的同時作用，在金屬中產(chǎn)生裂紋。它在10-3～10 mm/h的速度范圍內(nèi)擴展，這取決于所涉及的合金和環(huán)境的組合。當裂紋擴大到臨界尺寸，將會導致從與應力腐蝕相關的相對緩慢的裂紋擴展速率過渡到與機械性能相關的快速裂紋擴展速率。當應力強度（包括裂紋尺寸在內(nèi)的構件幾何結構的函數(shù)）達到相關材料的斷裂值時，就會發(fā)生這種轉變。管道應力腐蝕裂紋是一種環(huán)境相關裂紋。這是因為裂紋是多種因素結合管道周圍環(huán)境造成的。管道應力腐蝕開裂最明顯的識別特征是周圍環(huán)境pH值高，在管道外部出現(xiàn)斑塊或平行裂紋集。

1.2 管道外部腐蝕

輸油管道外部腐蝕通常是指管道與外部土壤、空氣、水等介質(zhì)接觸，發(fā)生物理、化學或者電化學變化，導致管道外壁產(chǎn)生局部腐蝕?；瘜W腐蝕一般發(fā)生在管道壁表面，使得管壁整體變薄，作用過程相對緩慢，對管壁整體破壞力較小。輸油管道埋在地下時容易發(fā)生電化學腐蝕，電化學腐蝕對管道破壞力較大。金屬管道浸泡在土壤電解質(zhì)溶液中，由于管道不同部位接觸的溶液離子種類、濃度、溫度等存在差異，在管道表面形成宏觀電池或者局部電池，如溶液中氧氣在不同地方會存在濃度差，在濃度較小的地方形成陽極，管道表面溫度也會存在差異，在溫度較高的地方同樣也會形成陽極。電化學腐蝕一般不易發(fā)現(xiàn)或識別，但其對管道破壞力較大，會導致管道穿孔，甚至發(fā)生斷裂，使得管道發(fā)生嚴重泄漏。

2? 埋地輸油管道腐蝕減緩對策

2.1 管道內(nèi)部腐蝕減緩對策

2.1.1 內(nèi)涂層保護

在管道內(nèi)表面增設一層內(nèi)涂層是防止管道發(fā)生內(nèi)腐蝕的有效手段之一。管道內(nèi)表面增加內(nèi)涂層后不僅可以對其起到保護作用，而且可以使管壁粗糙度降低，從而使油品流動的摩擦系數(shù)大幅降低，降低油品的輸送成本。目前常見的內(nèi)涂層技術主要有兩種，分別是環(huán)氧粉末涂敷技術和液體環(huán)氧涂料技術。環(huán)氧粉末涂料具有優(yōu)良的防腐性、絕緣性和可靠的、耐久的使用壽命，是鋼質(zhì)管道內(nèi)涂層的優(yōu)選材料。其應用溫度為-30～100℃，適用于各種油品，在國內(nèi)外得到了普遍的應用，取得了理想的效果。在鋼管內(nèi)壁涂敷液體環(huán)氧涂料可使鋼管內(nèi)壁與原油、污水隔離起來而免受腐蝕，同時又能提高內(nèi)壁的光滑程度，起到減阻作用。

2.1.2 緩蝕劑

在油品中加入一定量的緩蝕劑可以在管道內(nèi)表面形成一層保護膜，從而減緩輸油管道內(nèi)表面的腐蝕速率。緩蝕劑有以下優(yōu)點：（1）使用量較少，較為經(jīng)濟，且對環(huán)境無污染;（2）操作較為簡單，不需要對管道增設額外的設備;（3）同一種緩蝕劑可以在不同的油品環(huán)境中得到應用。因此向油品中加入緩蝕劑成為了主要的管道內(nèi)部防腐措施。目前，國內(nèi)外使用的緩蝕劑主要成分為有機物，常見的緩蝕劑有咪唑啉、有機胺以及炔醇類等[1]。

2.2 管道外部腐蝕減緩對策

2.2.1 外防腐涂層

在輸油管道外表面增加外涂層是防止管道外壁腐蝕最有效的手段之一。管道外壁增加外涂層后，管道將與周圍的環(huán)境相隔離，此時的管道基體將無法和土壤及空氣產(chǎn)生直接接觸。采用不同的外涂層技術，所產(chǎn)生的保護作用也將不同。外涂層材料的選擇必須具有以下特點：（1）力學性能強，可以抵消管道在土壤中的偏移，且在環(huán)境出現(xiàn)熱脹冷縮時，外涂層不易脫落;（2）外涂層材料具有較強的耐腐蝕性，可以抵抗微生物、酸堿物質(zhì)以及大氣的腐蝕。常見的防腐涂層技術有環(huán)氧涂層、聚乙烯等技術[2]。環(huán)氧涂層作為一種熱固性材料，由固化劑與環(huán)氧樹脂組成，其具有表面光滑、粘結力強以及涂層致密等優(yōu)點，能夠較好的應對堿、鹽物質(zhì)的腐蝕。三層結構聚乙烯防腐層也稱三層PE或3PE，其底層為環(huán)氧粉末涂料，中間層為共聚物膠粘劑，面層為聚乙烯。三層PE具有雙層熔結環(huán)氧涂層的粘結性以及防腐蝕性能，且具備聚烯烴材料的較好機械性能以及高抗?jié)B性，各方面性能較為穩(wěn)定，且產(chǎn)品使用不存在污染，近年來深受我國管線防腐蝕工作者的青睞。

2.2.2 陰極保護

陰極保護技術主要分為兩種，一種是外加電流的陰極保護法，另一種是犧牲陽極的陰極保護法，其保護原理示意圖如圖1所示[3]。外加電流的陰極保護法即在管道中通入電流，使得被保護金屬的電位低于周圍環(huán)境，從而防止管道被腐蝕。該方法對保護管道的長度無限制，適用于長距離輸送管道的保護;犧牲陽極的陰極保護法是將具有較強還原性能的金屬材料與管道進行連接，使之形成回路，并用來替代金屬管道被腐蝕。這種方法的優(yōu)點在于無需外加電流作用，對外界干擾少、操作較為簡單，適合于城市范圍內(nèi)埋地管道的防腐。

3? 結語

隨著人們對石油需求量的日益增長，輸油管道防腐工作顯得尤其重要。本文對埋地輸油管道的腐蝕機理及相應的減緩措施進行了探討，通過采取防腐涂層、陰極保護等方式減緩管道腐蝕，確保輸油管道平穩(wěn)運行。

參考文獻

[1] 闞偉海，陳莉榮，姜慶宏，等.復合緩蝕劑對碳鋼腐蝕率的影響研究[J].表面技術，2015，44（4）：127-131.

[2] 任雲(yún).油田油氣長輸管道腐蝕現(xiàn)狀分析及對策研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2018，38（6）：30-31.

[3] 李雪，朱慶杰，周寧，等.油氣管道腐蝕與防護研究進展[J].表面技術，2017，46（12）：206-217.

[4] 戴巧紅，舒麗娜，潘霞青，等.油氣長輸管道腐蝕與防護研究進展[J].金屬熱處理，2019，44（12）：198-204.

[5] 李勇，曹哲.油氣管道腐蝕及防護技術研究進展[J].化工管理，2019（19）：150-151.

[6] 郭立勇.油氣管道腐蝕及防護技術研究進展[J].全面腐蝕控制，2019，33（3）：87-89.

[7] 李亞芹.埋地管道腐蝕機理及應對措施[J].環(huán)球市場，2016（29）：67-68.