天然氣地面集輸管道腐蝕原因分析及防治措施

郭奕成，劉偉旭，張藝佳

(1.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司建設(shè)項(xiàng)目管理分公司，河北 廊坊 065000；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司濟(jì)南輸油氣分公司，山東 濟(jì)南 250000)

管道集輸是天然氣資源運(yùn)輸中最常見(jiàn)的一種輸送方式，具有運(yùn)輸效率高、成本低以及安全性能高的特點(diǎn)。然而隨著天然氣地面集輸管道建設(shè)及使用規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，在天然氣的運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管道損害問(wèn)題，其中集輸管道的腐蝕問(wèn)題最為常見(jiàn)。由于管道腐蝕而導(dǎo)致的天然氣泄漏，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能對(duì)生態(tài)環(huán)境和人身安全造成嚴(yán)重的威脅[1-4]。

天然氣地面集輸管道的腐蝕一般受管道材質(zhì)、天然氣組分、水相組分、酸堿性、流速、環(huán)境溫度以及壓力等因素的影響[5-9]。由于天然氣組分中一般含有一定濃度的CO2，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CO2造成天然氣地面集輸管道腐蝕的原因及機(jī)理開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了很多成果[10-15]。西部某天然氣集輸站場(chǎng)部分地面集輸管道出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，給天然氣的安全輸送造成了比較大的影響，因此，作者在調(diào)研分析目標(biāo)天然氣地面集輸管道腐蝕現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開(kāi)展腐蝕原因分析，并針對(duì)性地提出切實(shí)可行的防治措施，為確保天然氣地面集輸管道的安全高效運(yùn)行提供一定的技術(shù)支持。

1 天然氣地面集輸管道腐蝕現(xiàn)狀及原因分析

1.1 腐蝕現(xiàn)狀

目標(biāo)天然氣地面集輸管道自2008年投入使用以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)使用十余年，近期在對(duì)集輸管道的日常檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，該集輸管道某段管線出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，部分法蘭和螺栓也存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象。另外，通過(guò)檢測(cè)還發(fā)現(xiàn)，該集輸管道內(nèi)壁減薄程度比較嚴(yán)重，多處減薄率超過(guò)50%，并有4處穿孔，彎頭和直管段均出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，腐蝕形狀多為坑狀或片狀。

1.2 腐蝕原因分析

1.2.1 集輸管道天然氣組分分析

室內(nèi)采用GCMS7600型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)目標(biāo)集輸管道中天然氣的組分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 天然氣組分分析結(jié)果

由表1可以看出，集輸管道中天然氣不含H2S，主要成分為CH4，其含量大于98%；C2H6和C3H8的含量均較少，分別為0.40%和0.02%；CO2的含量較高，達(dá)到了0.52%。

氣相組分中主要的腐蝕性氣體為CO2，通常情況下，CO2處于干燥狀態(tài)時(shí)不具有較強(qiáng)的腐蝕性，而當(dāng)其溶解于水相中后，會(huì)使腐蝕介質(zhì)表現(xiàn)出弱酸性，從而對(duì)金屬材質(zhì)的集輸管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，在陽(yáng)極端通常會(huì)生成硫化亞鐵沉淀，而在陰極端通常會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)。另外，在天然氣的輸送過(guò)程中，氣相的流動(dòng)會(huì)對(duì)腐蝕產(chǎn)物造成一定的沖刷作用，使其不易覆蓋在金屬表面，導(dǎo)致腐蝕速率加快。一般CO2腐蝕為局部腐蝕嚴(yán)重，可能造成較高的穿孔率。

1.2.2 集輸管道水相組分分析

室內(nèi)采用ICS-5000型多功能離子色譜儀對(duì)目標(biāo)集輸管道中水相的離子組成進(jìn)行分析，并根據(jù)石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0532-2012《油田注入水細(xì)菌分析方法 絕跡稀釋法》中的規(guī)定，對(duì)水相中微生物組成進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水相組分分析結(jié)果

由表2可以看出，集輸管道中水相的總礦化度較高，達(dá)到37 402.37 mg·L-1，其中氯離子的含量較高，達(dá)到22 057.65 mg·L-1；另外，水相中的細(xì)菌含量較高，硫酸鹽還原菌(SRB)含量達(dá)到1.5×105個(gè)·mL-1。

水相礦化度較高是引起管道腐蝕的一個(gè)重要原因，較高的礦化度使水相具有較高的電導(dǎo)率，降低了腐蝕電流的電阻，對(duì)電化學(xué)腐蝕起到一定的促進(jìn)作用。另外，水相中的氯離子含量較高，也會(huì)對(duì)管道腐蝕產(chǎn)生一定的加速作用，氯離子的半徑很小，極易穿透金屬材質(zhì)表面的鈍化膜，使其成為陽(yáng)極端，其電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰極端，容易產(chǎn)生坑蝕作用。

對(duì)目標(biāo)集輸管道的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物中含有一定量的硫化亞鐵和硫化鐵，這是SRB腐蝕產(chǎn)生的。天然氣組分中并不含H2S，而水相中的SRB含量較高，因此，可以確定目標(biāo)天然氣地面集輸管道內(nèi)存在比較嚴(yán)重的SRB腐蝕現(xiàn)象。

2 天然氣地面集輸管道腐蝕防治措施研究

根據(jù)目標(biāo)天然氣地面集輸管道腐蝕原因分析結(jié)果，天然氣中CO2含量較高及水相的礦化度、氯離子含量、SRB含量均較高是造成腐蝕的主要原因，因此，提出了在目標(biāo)天然氣地面集輸管道中添加殺菌劑和緩蝕劑的防治措施。

2.1 殺菌劑優(yōu)選

室內(nèi)根據(jù)石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5757-2010《油田注入水殺菌劑通用技術(shù)條件》中的規(guī)定，對(duì)幾種不同類型殺菌劑(SJ-1、SJ-2、SJ-3、SJ-4)的殺菌效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與現(xiàn)場(chǎng)用殺菌劑(XJ-1、XJ-2)進(jìn)行對(duì)比，殺菌劑加量均為500 mg·L-1，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 殺菌劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1可以看出，現(xiàn)場(chǎng)用殺菌劑XJ-1和XJ-2對(duì)SRB的殺滅效果不太理想，殺菌率分別為94.29%和97.94%。而殺菌劑SJ-2和SJ-3的殺菌效果較好，均達(dá)到了99%以上，其中殺菌劑SJ-2的殺菌效果最好，可以達(dá)到99.99%；添加500 mg·L-1的殺菌劑SJ-2后，水相中的SRB含量可以降至15個(gè)·mL-1，達(dá)到石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5757-2010的要求。因此，建議將目標(biāo)天然氣地面集輸管道現(xiàn)場(chǎng)用殺菌劑更換為SJ-2。

2.2 緩蝕劑優(yōu)選

室內(nèi)采用掛片失重法對(duì)目標(biāo)天然氣地面集輸管道的腐蝕速率進(jìn)行測(cè)定，并以緩蝕率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同類型緩蝕劑(HSY-1、HSY-2、HSY-3、HSY-4)的緩蝕效果，并與現(xiàn)場(chǎng)用緩蝕劑(XHS-1、XHS-2)進(jìn)行對(duì)比。腐蝕介質(zhì)為目標(biāo)天然氣地面集輸管道現(xiàn)場(chǎng)水樣，由于現(xiàn)場(chǎng)集輸天然氣中不含氧、含有CO2，應(yīng)先對(duì)腐蝕介質(zhì)進(jìn)行除氧處理，并飽和一定濃度的CO2，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。此外，腐蝕掛片采用現(xiàn)場(chǎng)集輸管道鋼材加工而成，掛片尺寸為50 mm×15 mm×2 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為7 d，實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃，緩蝕劑加量均為500 mg·L-1，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 緩蝕劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，不同類型的緩蝕劑對(duì)目標(biāo)天然氣地面集輸管道掛片的緩蝕效果差別較大，其中現(xiàn)場(chǎng)用緩蝕劑XHS-1和XHS-2的緩蝕效果稍差，緩蝕率分別為81.62%和77.58%；緩蝕劑HSY-4的緩蝕效果最好，緩蝕率達(dá)到90%以上。因此，建議將目標(biāo)天然氣地面集輸管道現(xiàn)場(chǎng)用緩蝕劑更換為HSY-4。

進(jìn)一步對(duì)緩蝕劑HSY-4加量進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 緩蝕劑HSY-4加量對(duì)緩蝕效果的影響

由圖3可以看出，隨著緩蝕劑HSY-4加量的增大，緩蝕率逐漸升高，當(dāng)其加量為1 000 mg·L-1時(shí)，緩蝕率可達(dá)到95%以上；繼續(xù)增大其加量，緩蝕率升幅不明顯。因此，緩蝕劑HSY-4的最佳加量為1 000 mg·L-1。

2.3 綜合防腐蝕效果評(píng)價(jià)

為了最大限度地提高防腐蝕效果，并節(jié)約藥劑用量，將殺菌劑SJ-2和緩蝕劑HSY-4聯(lián)合使用進(jìn)行加量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，當(dāng)殺菌劑SJ-2加量為500 mg·L-1、緩蝕劑HSY-4加量為1 000 mg·L-1時(shí)，殺菌率和緩蝕率均達(dá)到最高，分別為99.99%和96.72%；保持緩蝕劑HSY-4加量不變、減少殺菌劑SJ-2加量時(shí)，緩蝕率變化不明顯，而殺菌率則明顯降低；保持殺菌劑SJ-2加量不變、減少緩蝕劑HSY-4加量時(shí)，殺菌率沒(méi)有變化，而緩蝕率則明顯降低。綜合來(lái)看，當(dāng)殺菌劑SJ-2加量為500 mg·L-1、緩蝕劑HSY-4加量為800 mg·L-1時(shí)，殺菌率和緩蝕率均較高，此時(shí)殺菌率為99.99%，緩蝕率可達(dá)到95%以上，具有良好的綜合防腐蝕效果。

表3 殺菌劑SJ-2和緩蝕劑HSY-4聯(lián)合使用的加量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)目標(biāo)天然氣地面集輸管道存在比較嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，分析認(rèn)為造成管道腐蝕的主要原因?yàn)樘烊粴庵蠧O2含量較高及水相的礦化度、氯離子含量、SRB含量均較高。

(2)室內(nèi)優(yōu)選出了比現(xiàn)場(chǎng)用殺菌劑和緩蝕劑性能更優(yōu)的殺菌劑SJ-2和緩蝕劑HSY-4，其最佳使用方案為：500 mg·L-1殺菌劑SJ-2+800 mg·L-1緩蝕劑HSY-4，此時(shí)殺菌率可以達(dá)到99.99%，緩蝕率可以達(dá)到95%以上，能夠滿足目標(biāo)天然氣地面集輸管道的防腐蝕要求，可以有效延長(zhǎng)集輸管道的檢修周期和使用壽命。