輸氣管道內(nèi)腐蝕分析與對(duì)策

龐棟

（大慶石化建設(shè)有限公司，黑龍江 大慶 163714）

2008年建成的大慶至齊齊哈爾輸氣管線是保障東北能源供應(yīng)的重要基礎(chǔ)，該輸氣管線長度超過200km，標(biāo)準(zhǔn)輸氣壓力6.3MPa，輸氣量達(dá)到6.0×108m3/a，管道材質(zhì)為L415MB，直徑為406mm，壁厚6.3mm的焊接鋼管，管道外部通過3PE進(jìn)行防腐，管線從大慶市出發(fā)，途經(jīng)三個(gè)縣、市到達(dá)齊齊哈爾。

大齊管線的主管主要化學(xué)成分為Fe，次要化學(xué)成分為0.04%C、0.2%Si、1.5%Mn、0.02%Mo等。

大齊管線的氣源為氣井氣和油田伴生氣兩種，這兩種氣源的成分差距較大，按照時(shí)間段分別為管線供氣，兩種氣源中均含有4.5%的CO2，但伴生氣中還有更多的H2S成分，達(dá)到28mg/m3。

1 杜齊管道內(nèi)腐蝕分析

1.1 腐蝕基本環(huán)境

天然氣中干燥的CO2、H2S等氣體并不會(huì)對(duì)輸氣管道造成腐蝕，但混合水蒸氣后會(huì)形成弱酸，對(duì)輸氣管道造成腐蝕，因此，水是造成輸氣管道腐蝕的主要因素，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知CO2遇水后的腐蝕能力是H2S的5倍。

1.2 CO2腐蝕分析

CO2遇水后會(huì)形成碳酸，進(jìn)而對(duì)輸氣管道造成腐蝕。碳酸對(duì)輸氣管道的腐蝕作用主要作用于管道成分中的Fe，碳酸會(huì)覆蓋于管道內(nèi)壁上，與管道表面的Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成3層腐蝕物，表層腐蝕物為FeCO3的等軸晶粒層，中間層為FeCO3棒狀層，中間層受腐蝕作用發(fā)生膨脹，使表層腐蝕物擠壓開裂。底層為碳酸與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的致密物，這層致密物也起到了阻止腐蝕進(jìn)一步發(fā)展的作用，但無法完全隔絕腐蝕向管道內(nèi)部延伸。

CO2腐蝕化學(xué)反應(yīng)方程為

Fe＋H2CO3=FeCO3＋H2↑

大齊管線實(shí)際運(yùn)行期間的儀表顯示其運(yùn)行壓力為3.5～5.0MPa，按照天氣中CO2所占百分比計(jì)算可知CO2受到的壓力為0.16～0.18MPa，在壓力作用下CO2更易與管道中的水汽結(jié)合，對(duì)管道內(nèi)表面形成大范圍的腐蝕，主要產(chǎn)物為FeCO3，表現(xiàn)形式為圖4所示的片狀附著腐蝕物。工作人員每年會(huì)定期對(duì)大齊管線進(jìn)行清理，并且冬季管線內(nèi)輸氣壓力較低、流速較快，使管道內(nèi)壁上的腐蝕晶粒變得更加細(xì)密，起到了阻礙腐蝕的作用，如圖2所示。

圖2 清管作業(yè)后的腐蝕產(chǎn)物膜表面

圖4

1.3 H2S 腐蝕分析

H2S遇水后形成氫硫酸，對(duì)鐵質(zhì)管道具有一定的腐蝕作用。如圖3所示，在鐵質(zhì)管道表面，氫硫酸可以引起氫鼓泡現(xiàn)象，這是因?yàn)楣艿乐械碾s質(zhì)吸收腐蝕產(chǎn)物氫所導(dǎo)致的。氫硫酸與鐵發(fā)生反應(yīng)生成的氫會(huì)向管道內(nèi)部發(fā)生擴(kuò)散，多量的氫匯聚在一起生成氫氣，氫氣積聚增多會(huì)提高內(nèi)部壓力，使管道內(nèi)壁發(fā)生鼓泡。鼓泡的分布方向往往與管道雜質(zhì)方向相同。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)觀察，氫氣并不是生成鼓泡的唯一原因，氫硫酸與鐵發(fā)生反應(yīng)生成的氫元素也能與管道中的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷，甲烷氣體的增多也能夠增加內(nèi)部壓力，從而產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象。但氮?dú)淞蛩岣g鐵質(zhì)管道不會(huì)產(chǎn)生裂紋，這也表明L415鋼材能夠抵御一部分H2S腐蝕。

圖1 腐蝕產(chǎn)物膜表面

圖3 管材中形成的鼓泡

H2S與Fe發(fā)生反應(yīng)的方程為：

大齊管線實(shí)際運(yùn)行期間的儀表顯示其運(yùn)行壓力為3.5～5.0MPa，按照天氣中H2S所占百分比計(jì)算可知H2S受到的壓力為7.11×10-5MPa，在壓力作用下H2S更易與管道中的水汽結(jié)合，形成氫硫酸。但管道內(nèi)的濕度環(huán)境還無法達(dá)到濕硫化氫環(huán)境，不會(huì)在管道內(nèi)壁形成大面積的腐蝕，從上面的化學(xué)方程式可以看出，H2S與管道中的水汽結(jié)合后能夠與管道中Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成FeS，表現(xiàn)形式為圖3所示的產(chǎn)物膜。工作人員每年會(huì)定期對(duì)大齊管線進(jìn)行清理，并且冬季管線內(nèi)輸氣壓力較低、流速較快，使管道內(nèi)壁上的腐蝕連城片狀區(qū)域。

1.4 管道內(nèi)固態(tài)雜質(zhì)對(duì)管道腐蝕影響分析

工作人員每年使用旋風(fēng)分離器對(duì)大齊輸氣管線進(jìn)行清理，清理出來的雜質(zhì)見圖5、圖6所示，這些黑色粉末數(shù)量較大，經(jīng)試驗(yàn)分析黑色粉末的主要成分為碳黑，還夾雜一定量的FeS，在與輸氣成分進(jìn)行對(duì)比后可知，這些雜質(zhì)均屬于油田伴生處理氣，雜質(zhì)在輸氣管道中堆積，會(huì)發(fā)生以下現(xiàn)象。

圖5 清管作業(yè)后收球筒內(nèi)炭黑等雜質(zhì)

圖6 清管器粘附的炭黑等雜質(zhì)

（1）假如這些黑色粉末在管道內(nèi)某處大量集結(jié)，就會(huì)加快局部的腐蝕速度，這是因?yàn)楣艿赖闹饕煞譃殇摬?，黑色粉末的主要成分為碳黑，鋼材的電位低于碳，就?huì)使管道內(nèi)壁的鐵元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而析出氫氣，發(fā)生電偶腐蝕。

（2）管道內(nèi)的鋼材被H2S腐蝕后形成FeS，F(xiàn)eS這種化合物并不穩(wěn)定，非常容易受到氧氣的氧化作用，并且與管道內(nèi)壁的附著力較低，還能作為陰極與鋼鐵形成化學(xué)電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，進(jìn)一步損害輸氣管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，逐漸對(duì)管道內(nèi)壁形成腐蝕。

2 腐蝕監(jiān)控與防腐措施

（1）管道全面檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。對(duì)大齊輸氣管線進(jìn)行系統(tǒng)性檢查，使用專用設(shè)備檢測管道內(nèi)部腐蝕情況，評(píng)估管道腐蝕等級(jí)，對(duì)腐蝕情況較為嚴(yán)重的管線采取科學(xué)的處理辦法。

（2）安裝腐蝕速率監(jiān)測儀。在大齊輸氣管線各站點(diǎn)安裝腐蝕監(jiān)測設(shè)備。例如采取探針式腐蝕監(jiān)測儀監(jiān)測管道的腐蝕情況，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔記錄，通過數(shù)據(jù)的對(duì)比掌握整個(gè)管線的腐蝕情況。

（3）控制含水率、漏點(diǎn)。CO2、H2S在干燥環(huán)境中不會(huì)腐蝕輸氣管道，但與水結(jié)合后則會(huì)產(chǎn)生腐蝕作用，特別是夏季以油田伴生處理氣為主要天然氣源時(shí)，腐蝕作用更強(qiáng)，因此要控制天然氣源的含水率和漏點(diǎn)，避免潮濕環(huán)境下增強(qiáng)CO2、H2S的腐蝕作用。

（4）注入緩蝕劑，降低介質(zhì)腐蝕性。夏季以油田伴生處理氣為主要天然氣源時(shí)，可在輸氣管線中沖入緩蝕劑，并根據(jù)管線的腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)為管線添加適量的pH值調(diào)節(jié)劑，提高輸氣管線的防腐能力。

3 輸氣管道腐蝕評(píng)價(jià)分析方法

大齊輸氣管線的主要輸送氣體為甲烷，還含有少量的二氧化碳、硫化氫、水等雜質(zhì)，正是這些雜質(zhì)的存在，導(dǎo)致了輸氣管線的腐蝕，尤其是主干路的管線腐蝕更加嚴(yán)重。為了有效的抵御腐蝕，延長管道壽命，工作人員會(huì)采取一定的方法對(duì)管道進(jìn)行防腐處理，采取的防腐方法一般為管道內(nèi)壁涂防腐層和陰極保護(hù)等措施，但防腐涂層破損后陰極保護(hù)無法起到很好的防腐作用，管道仍會(huì)被腐蝕，因此經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后，輸氣管線會(huì)普遍出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象。檢測現(xiàn)有管線腐蝕情況的方法一般為管道取樣法，通過現(xiàn)場挖掘?qū)艿肋M(jìn)行實(shí)地考察，了解管道的腐蝕情況，這種檢驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度較低，只能起到事后補(bǔ)救的作用。

要想徹底解決輸氣管線的腐蝕，還需準(zhǔn)確預(yù)測管線腐蝕情況，采取一定的預(yù)防性措施，這對(duì)輸氣管線防腐具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)學(xué)計(jì)算法是現(xiàn)階段廣泛使用的輸氣管線腐蝕預(yù)測方法，既基于NicheGA的預(yù)測模型、灰色系統(tǒng)理論評(píng)估、模糊層次評(píng)估法等。

3.1 基于NicheGA的灰色模型方法

這種方法是基于灰色模型的一種預(yù)測演化模型，主要基于灰色理論進(jìn)行建模，參數(shù)的計(jì)算與評(píng)估采取遺傳算法，來預(yù)測輸氣管線的腐蝕情況。國內(nèi)學(xué)者秦政等人基于這種預(yù)測模型對(duì)四川的一處輸氣管線進(jìn)行了腐蝕情況預(yù)測，并采取現(xiàn)場挖掘管道進(jìn)行驗(yàn)證，預(yù)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)吻合度較高，證明這種輸氣管線腐蝕預(yù)測模型能夠達(dá)到一定的預(yù)測準(zhǔn)確性，可以用于氣管線腐蝕情況的預(yù)測，但這種預(yù)測方法受函數(shù)影響較大，只有建立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)才能提高其預(yù)測準(zhǔn)確性。

3.2 灰色系統(tǒng)理論評(píng)價(jià)方法

灰色系統(tǒng)理論評(píng)價(jià)輸氣管線腐蝕方法需要建立在明確的腐蝕原因基礎(chǔ)上，因此采取該方法對(duì)大齊輸氣管線進(jìn)行腐蝕預(yù)測時(shí)，首先要確定灰色輸入數(shù)據(jù)，這需要大量的數(shù)據(jù)支持，關(guān)于數(shù)據(jù)庫進(jìn)行，從而建立灰色關(guān)聯(lián)，將腐蝕原因作為影響因素進(jìn)行計(jì)算。國內(nèi)學(xué)者張棟棟等人以國內(nèi)某段輸氣管線腐蝕預(yù)測為例對(duì)這種預(yù)測方法進(jìn)行了說明，他們將H2S濃度、CO2濃度、緩蝕劑濃度作為參數(shù)，以近幾年實(shí)際腐蝕數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在該預(yù)測理論下形成了三因素預(yù)測關(guān)聯(lián)。

3.3 模糊層次評(píng)價(jià)方法

與前兩種預(yù)測方法相比，模糊層次評(píng)價(jià)法不僅具備定量分析的特性，還具備定性分析的特性，是一種綜合性分析方法，這種分析方法也是基于灰色系統(tǒng)理論而產(chǎn)生的，使用這種方法預(yù)測天然氣輸氣管線腐蝕情況時(shí)，需要構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)圖，并在此基礎(chǔ)上建立模糊矩陣，在這一矩陣中分為多個(gè)層次，可以清晰的體現(xiàn)影響腐蝕因素，并很好的區(qū)分各影響因素的權(quán)重，因此這種預(yù)測方法的計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。國內(nèi)學(xué)者王方成等人廣泛研究了國內(nèi)外輸氣管線的腐蝕資料，建立了腐蝕層次結(jié)構(gòu)。基于國內(nèi)外現(xiàn)有腐蝕數(shù)據(jù)得到了各影響因素的權(quán)重，使各種方法具有較高的預(yù)測精度。

4 結(jié)語

大齊輸氣管線中含水量較小，漏點(diǎn)一般在-20℃左右，氣體中含有一定量的CO2和H2S，這兩種氣體與水結(jié)合后，就會(huì)對(duì)鋼質(zhì)管道產(chǎn)生腐蝕作用，這種腐蝕發(fā)生后會(huì)產(chǎn)生一定的鈍化效果，阻礙腐蝕的發(fā)展速度。但大齊輸氣管線采用了冬季與夏季切換氣源的輸氣形式，兩種資源成分有一定的差別，對(duì)腐蝕鈍化形成破壞，有加速腐蝕發(fā)展的可能。

在天然氣輸氣管線中的腐蝕一般為局部腐蝕，管道內(nèi)壁首先出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)，隨時(shí)間的延長而加深，由于輸氣管道的管壁厚度僅有6.3mm，很容易發(fā)生泄漏，因此，應(yīng)定期清理管道內(nèi)部，并加強(qiáng)對(duì)腐蝕情況的監(jiān)測，以保障管線的完好。