油氣輸送管道內(nèi)沖刷腐蝕的研究進展

原徐杰

（上海中挪海事技術(shù)有限公司，上海 201417）

【綜述】

油氣輸送管道內(nèi)沖刷腐蝕的研究進展

原徐杰

（上海中挪海事技術(shù)有限公司，上海 201417）

根據(jù)油氣管道的運行情況，從材料、環(huán)境和流體力學(xué) 3個方面闡述了管道內(nèi)沖刷腐蝕的影響因素。介紹了沖刷腐蝕的研究方法(主要包括實驗研究、數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗)。給出了一些防護措施。

管道；沖刷腐蝕；影響因素；防護措施

Author’s address:CCS-DNV Technology Institute, Shanghai 201417, China

21世紀以來，我國的石油和能源工業(yè)得到了高速發(fā)展，油氣輸送管線的建設(shè)越來越快，目前最引人關(guān)注的是油氣管道輸送過程中由腐蝕引發(fā)的安全問題。在運行過程中，油氣管道內(nèi)壁除受CO2、H2S、水等介質(zhì)的腐蝕外，還受到固體細顆粒的影響，主要表現(xiàn)為氣固兩相流或多相流在高流速下對管道內(nèi)壁產(chǎn)生的沖刷腐蝕。沖刷腐蝕廣泛存在于石油、化工、機械、航天、建材、交通、電力等各行業(yè)中，有數(shù)據(jù)表明由它造成的損失占總腐蝕量的9%，磨損量的5%[1]。也有資料表明在原油處理站的集輸管道發(fā)生的穿孔事故中，由磨損及沖刷腐蝕引起的比例占到80%[2]。由此可見，沖刷腐蝕對油氣輸送管道的安全運行影響很大。

沖刷腐蝕(erosion corrosion)又稱為磨損腐蝕，是由金屬表面與腐蝕流體之間高速相對運動所引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果[3]。沖刷腐蝕按介質(zhì)可分為單相流、雙相流和多相流。單相沖刷腐蝕由高速流動的單相腐蝕流體造成，主要發(fā)生在輸送高純度腐蝕性液體的過流部件。而在工業(yè)中常發(fā)生由雙相流引發(fā)的沖刷腐蝕。另外由固、氣、液等引發(fā)的多相流沖刷腐蝕，其機理過程較為復(fù)雜，在各行業(yè)中也普遍存在[4]。沖刷腐蝕最嚴重的部位通常位于局部擾流段、流速變化較大區(qū)域、管道突然轉(zhuǎn)向處、管道底部等[2,5-6]。

1 影響沖刷腐蝕的因素

沖刷腐蝕是一個十分復(fù)雜的過程，在實際運輸油氣時，管道內(nèi)是高溫、高壓、高速的氣液固三相混合物，因此影響因素較多，主要包括管道材料、環(huán)境和流體力學(xué)3個方面[7]。

1. 1 管道材料

管道所用材料的化學(xué)成分、耐蝕性、硬度、冶金過程等都會影響管壁的耐沖刷腐蝕性能[8]。一般情況下，在比較溫和的腐蝕環(huán)境中材料的硬度越高，材料的耐沖刷腐蝕性能越好。在比較苛刻的環(huán)境中，材料的耐沖刷腐蝕性則主要取決于材料的耐蝕性[9]。金屬材料在沖刷條件下表面的鈍化膜開裂后的再鈍化能力決定了該材料的耐沖刷腐蝕能力[10]，因此材料表面形成鈍化膜的難易程度及其穩(wěn)定性、粘著力，與流體對材料表面剪切力和沖擊力等，都對沖刷腐蝕有很大的影響[11]。一般鈍化成膜速率較快的金屬材料表現(xiàn)出極低的質(zhì)量損失。而油氣輸送管道內(nèi)處理得比較光滑，完整的內(nèi)保護涂層等在一定流速下能起到良好的保護作用[12]。

1. 2 環(huán)境

環(huán)境的影響主要是管道內(nèi)溫度。材料的沖蝕率隨環(huán)境溫度的變化比較復(fù)雜，有 2種表現(xiàn)[13-14]。第一種是隨溫度升高，沖蝕速率降低，這有 2種原因：一是由于材料表面容易形成氧化膜，增強了其抗磨損性能；二是由于材料的塑性提高，當管壁表面受到固體顆粒沖擊時，部分顆粒的動能被吸收，降低了沖擊動能。另一種是隨溫度升高，沖蝕速率增大，高溫下材料表面氧化生成的氧化膜被固體顆粒沖擊而脫落后，會增加沖蝕速率。

1. 3 流體力學(xué)

流體力學(xué)因素主要包括流速、流態(tài)、攻角、顆粒性質(zhì)等，它們通過改變流體對材料的沖刷強度或傳質(zhì)過程來產(chǎn)生影響。

1. 3. 1 流速

流速不僅在油氣輸送過程中有很重要的影響，而且在沖刷腐蝕過程中扮演著重要的角色，也是流體力學(xué)因素中唯一可控的參數(shù)。流體的流動會對管道產(chǎn)生質(zhì)量傳遞和表面切應(yīng)力效應(yīng)。一般情況下，提高流速加速了氧的傳質(zhì)過程，增強了金屬的鈍化和再鈍化能力，使金屬鈍化占主導(dǎo)地位，而沖蝕作用相對較弱；同時又使流體在金屬表面產(chǎn)生較大的剪切力，導(dǎo)致其上保護膜剝落，重新暴露出裸金屬，加劇了管道材料的沖刷腐蝕[15]。

1. 3. 2 流態(tài)

油氣輸送管道通常表現(xiàn)為高壓和高流速的輸送狀態(tài)，因此管道內(nèi)流體的流態(tài)主要表現(xiàn)為分層流和沖擊流(段塞流)。前者主要表現(xiàn)為管道內(nèi)水與腐蝕性介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕，此時管道內(nèi)壁受到的沖擊腐蝕較弱。后者則是一種高速的紊流狀態(tài)，會對管道內(nèi)壁產(chǎn)生很高的剪切應(yīng)力。流體的流動和剪切力的共同作用會使緩蝕劑失效，也會使管壁表面的涂層及鈍化膜剝落，從而對管道內(nèi)壁產(chǎn)生強烈的機械沖刷和內(nèi)腐蝕作用[16]。

1. 3. 3 攻角

粒子入射方向與試樣表面的夾角稱為攻角。流體在材料表面沖刷的力可以分為水平和垂直 2個方向，它們的損傷作用不同：水平的力對管壁產(chǎn)生切削作用，垂直的力對壁面產(chǎn)生撞擊作用。因此攻角不同，對管壁的作用也就不同[17]。攻角對材料沖刷腐蝕性能的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)。一般情況下，隨著顆粒沖蝕角度增大，脆性材料沖刷腐蝕速率逐漸增加，最大沖蝕率在90°處。而延性材料的最大沖蝕率在15° ～ 40°之間[18]。

1. 3. 4 顆粒性質(zhì)

固體顆粒的硬度、濃度、半徑等都會影響管道內(nèi)顆粒物的沖刷腐蝕行為。隨著顆粒濃度增大，沖刷腐蝕速率增大，但兩者并不是線性關(guān)系。顆粒含量較多時，顆粒之間相互影響會產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，反而會降低材料的沖蝕作用[19]。固體顆粒的硬度與材料表面硬度之比可以用來判斷顆粒對材料沖蝕腐蝕影響的大小[20]。顆粒的硬度越高，管道內(nèi)壁受到的沖刷越嚴重。多角顆粒往往比球形顆粒更容易引起沖刷腐蝕。沖刷腐蝕速率也會隨著顆粒粒徑的增大而增大[21]。

1. 4 其他

油氣輸送管道沖刷腐蝕除了受以上因素影響之外，還與輸送介質(zhì)的pH、相對濕度、腐蝕介質(zhì)(CO2、H2S等)的濃度等有關(guān)，它們主要作用于管道材料的電化學(xué)腐蝕。一般情況下，輸送介質(zhì)的pH越小，沖刷與腐蝕的協(xié)同作用越大，腐蝕速率就越快。另外，輸送介質(zhì)中含有的 CO2、H2S、Cl-等也會溶解在液相介質(zhì)中，使管壁表面形成酸性的環(huán)境，從而加劇了輸送管道內(nèi)的沖刷腐蝕?？傊?，這些因素會使金屬管材表面生成的膜的性質(zhì)和成分不同，因此對油氣輸送管道內(nèi)的沖刷腐蝕產(chǎn)生一定的影響。

2 沖刷腐蝕的研究方法

目前，國內(nèi)外研究人員主要通過在實驗室建立模擬裝置進行實驗研究，利用仿真模擬軟件進行數(shù)值模擬計算，以及現(xiàn)場測試等方法對沖刷腐蝕的機理和影響因素進行相關(guān)研究。

2. 1 實驗研究

實驗研究是獲得材料沖刷腐蝕性能參數(shù)的有效方法，是基于現(xiàn)場的調(diào)研在實驗室建立模擬試驗裝置，采用一定的實驗方法并獲得相關(guān)結(jié)論的過程。目前國內(nèi)外用于研究沖刷腐蝕的試驗裝置比較成熟，應(yīng)用較多的主要包括射流式?jīng)_刷腐蝕試驗機、管流式?jīng)_刷腐蝕試驗機、旋轉(zhuǎn)電極式試驗機、Coriolis沖蝕試驗機等[22]。采用電化學(xué)方法(主要包括極化曲線、電化學(xué)阻抗譜、電化學(xué)噪聲等[23])和失重法可以定量地獲得各環(huán)境參數(shù)下的沖刷腐蝕速率。但這 2種測試方法也有其自身的缺陷：通過失重法獲得數(shù)據(jù)需要比較長的實驗周期，而且獲得的是材料總體的損失速率；電化學(xué)方法雖然既可以定量地給出沖刷腐蝕速率，也能定性地記錄試樣表面的腐蝕狀態(tài)[24]，但測試過程中受外界的干擾較大，因此必須對電化學(xué)設(shè)備做好屏蔽措施。

2. 2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬計算方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣管道內(nèi)的流體問題分析及動態(tài)模擬。通過建立各參數(shù)條件下的基本守恒方程，結(jié)合邊界條件、數(shù)值計算理論及方法，預(yù)估實際過程的流場(如速度場、溫度場、濃度場等)分布，最終獲得管道內(nèi)的沖刷腐蝕速率。此法不受實驗條件限制，能夠很好地指導(dǎo)實驗，并節(jié)省費用和時間，特別適用于難以用試驗完成的測量。很多研究人員采用CFD(計算流體動力學(xué))軟件對管道內(nèi)的沖蝕進行模擬計算[25-30]，其中FLUENT軟件應(yīng)用最為廣泛，功能也很強大。

2. 3 現(xiàn)場試驗

除了在實驗室進行試驗和利用軟件進行數(shù)值模擬計算以外，還可以采用現(xiàn)場試驗法，即利用現(xiàn)有的油氣輸送管道環(huán)境，將樣品放入管道內(nèi)，試驗結(jié)束后取出以獲得相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場試驗所得數(shù)據(jù)更符合實際工況。但是由于油氣管道運行環(huán)境特殊(如高溫高壓等)，在現(xiàn)場工況下進行試驗有一定的難度，實施起來比較困難。

3 沖刷腐蝕的控制措施

3. 1 合理選材

在確定材料前，對材料分別進行室內(nèi)和現(xiàn)場試驗評價，結(jié)合相關(guān)標準進行合理地選材，還需考慮材料的可行性和經(jīng)濟因素。

3. 2 涂覆防腐涂層

在管道表面覆蓋防腐涂層可以很好地阻隔材料與流體介質(zhì)的接觸，防止化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，且防腐涂層自身的機械性能及其光滑的表面有一定的抗沖刷性能[31]。因此在管道內(nèi)涂覆防腐涂層不僅可以減少輸送阻力，提高輸氣效率，而且能較好地保護管道內(nèi)壁。

3. 3 改善流體介質(zhì)的成分

凈化輸送的流體介質(zhì)，特別是 CO2、H2S等腐蝕性介質(zhì)；同時要盡可能地過濾掉管道內(nèi)的固體顆粒和懸浮物，清除水分。

3. 4 改善管線設(shè)計

通過改善管線設(shè)計可以更好地降低沖刷腐蝕對油氣輸送管道帶來的損失。沖刷腐蝕主要發(fā)生在三通、變徑、彎頭等改變流體方向、流體速度過大和紊流嚴重的部位，因此首先可以通過改變管件尺寸(如半徑、外形等)來降低沖蝕對管道的影響。其次，改進管件的壁面結(jié)構(gòu)也能降低管件的局部磨損，比如適當增加材料的厚度或者在磨損處設(shè)置擋板等，都可以延長管道的使用壽命[32-35]。

3. 5 陰極保護

陰極保護是一種電化學(xué)保護方法。對油氣輸送管道內(nèi)壁采用一定的陰極保護技術(shù)可以在一定程度上抑制沖刷與腐蝕的協(xié)同效應(yīng)，從而減輕沖刷腐蝕對管線的影響。不過該法還存在一些問題，如保護距離短，樣機與管道內(nèi)壁絕緣難，安裝復(fù)雜[36]。

3. 6 使用緩蝕劑

向管道內(nèi)加注緩蝕劑，可以減緩或抑制管道內(nèi)的腐蝕。緩蝕劑可以在管道金屬表面形成一層保護膜，隔離管道內(nèi)壁與腐蝕介質(zhì)，進而降低管道內(nèi)的沖刷腐蝕。但是加注緩蝕劑的運行成本較高，且加注設(shè)備的管理和維護也比較困難，須完善緩蝕劑的加注工藝及管理。

3. 7 其他

除了以上的防腐控制措施外，控制流速和流態(tài)也可以很好地控制沖刷腐蝕對管道的影響。還可以利用表面改性手段，如通過表面熱處理增加材料的硬度以及表面涂/鍍耐磨耐蝕涂層等，以減輕介質(zhì)流體對金屬表面的沖擊，進而減少沖蝕發(fā)生[21]。對于已建成的管道，加強腐蝕檢測也是有效預(yù)防沖刷腐蝕的方法之一。在管線的常規(guī)運行過程中，要進行定期監(jiān)測和預(yù)防工作，監(jiān)測管道、設(shè)備以及管道內(nèi)腐蝕介質(zhì)和環(huán)境參數(shù)的變化情況，并進行匯總分析，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，減少沖刷腐蝕對管線及生產(chǎn)運行帶來的損失。

4 結(jié)語

沖刷腐蝕對油氣管道的安全運行有重大的影響，它是由沖刷和腐蝕共同作用的結(jié)果。管道內(nèi)的環(huán)境比較惡劣，因此影響因素較多且相互影響，這給研究油氣管道內(nèi)的沖刷腐蝕帶來了一定的困難?？傮w來講，沖刷腐蝕主要受材料、環(huán)境、流體力學(xué)等因素的影響。目前國內(nèi)外主要采用實驗研究和數(shù)值模擬計算來研究其相關(guān)規(guī)律和機理。為了保證油氣輸送管道的安全運行，可以通過合理選材、涂覆防腐涂層、改善流體介質(zhì)和管線設(shè)計、采用電化學(xué)陰極保護措施和緩蝕劑、監(jiān)測腐蝕等來控制沖刷腐蝕，以最大限度地延長管道的使用壽命。為了更有效地控制沖刷腐蝕，須在現(xiàn)有測試方法的基礎(chǔ)上不斷開創(chuàng)新的測試方法，并開發(fā)新的、有效的防腐手段。

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[ 編輯：杜娟娟 ]

Research progress of erosion corrosion of oil and gas pipeline

YUAN Xu-jie

The influential factors of erosion corrosion happened in pipeline were described from aspects of materials, environment and hydrodynamics based on the operation conditions of oil and gas pipeline. The research methods of erosion corrosion were introduced, mainly including experimental research, numerical simulation and field test. Some preventive measurements were given.

pipeline; erosion corrosion; influence factor; prevention measurement

TG178; TG172.2

B

1004 - 227X (2016) 20 - 1091 - 04

2016- 06-01

2016-09-29

原徐杰（1986-），女，山西長治人，碩士，工程師，從事金屬材料的腐蝕與防護。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) silence1846@163.com。