油氣集輸管道泄漏問題與維修方法

宋永成

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司，吉林松原 138000）

0 引言

石化企業(yè)和油田生產(chǎn)過程中，油氣集輸管道泄漏問題極為嚴(yán)重，不僅造成天然氣、石油等能源的浪費(fèi)，而且會(huì)出現(xiàn)中毒、爆炸、火災(zāi)等事故，嚴(yán)重危害人身安全，同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染。因此，明確油氣集輸管道泄漏影響因素，及時(shí)采取油氣集輸管道防腐蝕措施，對(duì)減少油氣集輸管道泄漏問題，提高油氣集輸管道管理工作質(zhì)量具有重要意義。

1 油氣集輸管道泄漏問題分析

1.1 泄漏因素

油氣集輸管道輸送流體介質(zhì)通常為流動(dòng)狀態(tài)，流體流動(dòng)過程中會(huì)對(duì)集輸管道造成一定程度沖刷磨損，沖刷磨損嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成油氣集輸管道出現(xiàn)泄漏等問題。另外，輸送物質(zhì)會(huì)對(duì)管道造成應(yīng)力腐蝕、電化學(xué)腐蝕、點(diǎn)蝕和晶間腐蝕等，使得油氣集輸管道壁厚不斷減薄，最終出現(xiàn)管道泄漏[1]。

油氣集輸管道主要以輸送天然氣和石油兩種物質(zhì)為主，由于天然氣和石油屬于化學(xué)物質(zhì)，流經(jīng)管道時(shí)與管道壁發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)腐蝕穿孔等問題。以H2S 氣體為例，H2S 在干燥狀態(tài)下不具備腐蝕性，當(dāng)其溶解于水中時(shí)H2S 呈酸性，反應(yīng)方程式為：

當(dāng)H2S 溶解后，其產(chǎn)生的HS-和S2-可以附著于油氣集輸金屬管道，并與管道吸附性離子Fe（HS-）發(fā)生反應(yīng)，降低管道金屬?gòu)?qiáng)度，最終造成油氣集輸管道腐蝕穿孔[2]。

1.2 腐蝕種類

1.2.1 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是一種管道輸送物質(zhì)與拉應(yīng)力發(fā)生相對(duì)作用力，進(jìn)而出現(xiàn)管道破裂或腐蝕穿孔的問題。油氣集輸管道金屬材料在不同溫度下，其體積會(huì)發(fā)生一定程度變化，或金屬管道在冷卻或升溫過程中，由于溫度不均勻而產(chǎn)生拉應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕會(huì)降低油氣集輸管道使用壽命，如果拉應(yīng)力較大則會(huì)造成管道腐蝕穿孔。

1.2.2 點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕是一種在油氣集輸管道表面或深入到金屬管道內(nèi)部的腐蝕形態(tài)，點(diǎn)蝕通常深度較深，直徑較小，如果不及時(shí)修復(fù)將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散，進(jìn)而造成管道穿孔泄漏。此外，當(dāng)油氣集輸管道內(nèi)部氯離子較多時(shí)，金屬管道極易出現(xiàn)坑蝕問題，隨著坑蝕不斷擴(kuò)大，最終會(huì)形成空洞，導(dǎo)致油氣集輸管道泄漏[3]。

1.2.3 晶間腐蝕

晶間腐蝕可以破壞油氣集輸管道晶粒間的結(jié)合，降低管道機(jī)械強(qiáng)度。油氣集輸管道出現(xiàn)晶間腐蝕后，金屬管道表面無法直觀地觀察到破壞痕跡，但金屬管道晶粒間結(jié)合力減弱，力學(xué)性能降低，在石油和天然氣輸送過程中，極易出現(xiàn)管道局部腐蝕穿孔問題。

1.2.4 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是電解質(zhì)與金屬之間形成腐蝕原電池，當(dāng)金屬電極電位總比氧氣電極電位低時(shí)，金屬離子為負(fù)極，金屬管道將會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。電化學(xué)腐蝕可以在金屬管道表面形成不同直徑的鼓包，當(dāng)油氣集輸管道停止輸送天然氣或石油時(shí)，金屬表面將會(huì)出現(xiàn)大面積腐蝕[4]。

2 維修措施

現(xiàn)階段，隨著石油輸送管道數(shù)量的不斷增多，油氣集輸管道泄漏問題也越發(fā)突出，嚴(yán)重影響了石油和天然氣等能源物質(zhì)傳輸?shù)陌踩浴９艿栏g穿孔是造成油氣集輸管道泄漏的原因之一。為減少油氣集輸管道腐蝕穿孔，保證油氣輸送的安全，可以采取以下措施對(duì)油氣集輸管道進(jìn)行維修與保護(hù)。

2.1 添加緩蝕劑

油氣集輸管道出現(xiàn)腐蝕問題時(shí)，腐蝕面積和腐蝕程度會(huì)隨著時(shí)間的推移進(jìn)一步擴(kuò)大。為減緩腐蝕速度，可以在油氣集輸管道內(nèi)部加入緩蝕劑，隔離腐蝕物質(zhì)，避免與金屬管道直接接觸，進(jìn)而達(dá)到減少金屬管道腐蝕問題的目的[5]。

添加緩蝕劑的保護(hù)措施操作簡(jiǎn)單，花費(fèi)成本較小，將緩蝕劑加入油氣集輸管道中，可在管道內(nèi)部形成隔離保護(hù)層，減少金屬管道腐蝕問題。目前，常見腐蝕劑包括硫酸鹽、有機(jī)胺衍生物、亞胺乙酸衍生物和松香衍生物等，以上緩蝕劑可以與油氣集輸管道中的天然氣、石油和水等物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，形成致密的隔離保護(hù)層。此外，緩蝕劑可以與破乳劑、除硫劑等工具試劑共同使用，不會(huì)影響緩蝕劑隔離保護(hù)效果。

2.2 復(fù)合材料管道技術(shù)

油氣集輸管道材料以鋼鐵金屬材料為主，該類材料極易出現(xiàn)腐蝕、生銹等問題，導(dǎo)致管道使用壽命降低。為減少油氣集輸管道腐蝕穿孔問題的發(fā)生，可以采用復(fù)合材料管道技術(shù)。在原有金屬管道材料上，加入復(fù)合材料或陶瓷結(jié)構(gòu)材料，使油氣集輸管道形成3 層防腐蝕結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部為鋼結(jié)構(gòu)金屬材料、中間為復(fù)合材料、外部為陶瓷材料。復(fù)合集輸管道材料除了具備防腐蝕作用外，還具有較好的耐高溫、高韌性、防水汽等特性，可以滿足天然氣、石油等物質(zhì)的運(yùn)輸[6]。

2.3 管道內(nèi)涂層防腐蝕措施

除了添加緩蝕劑外，還可以采取管道涂層防腐措施，隔離油氣集輸管道內(nèi)的硫化氫、二氧化碳、水和氧氣等腐蝕性物質(zhì)，避免腐蝕性物質(zhì)與油氣集輸管道金屬物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[7]。采取油氣集輸管道內(nèi)涂層防腐措施之前，需要根據(jù)油氣集輸管道內(nèi)部存在的硫化氫、二氧化碳、氧氣等物質(zhì)含量進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果制定針對(duì)性的防腐蝕措施。例如，油氣集輸管道內(nèi)部二氧化碳含量超過管道承受范圍時(shí)，需要采取以降低二氧化碳含量為主，硫化氫、氧氣為輔的腐蝕性氣體消除措施，進(jìn)而減少腐蝕性氣體對(duì)油氣集輸管道的腐蝕作用，提高管道使用壽命。耐酸、耐堿防腐涂料可以滿足天然氣、石油不同耐堿、耐酸的要求，并且該涂料耐溫變性能較好，具有與基材料相匹配的溫度—線膨脹系數(shù)。天然氣和石油傳輸過程中，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力對(duì)防腐蝕涂層破壞力性較小，可以承受不同傳輸條件的沖刷。此外，防腐蝕涂層使用壽命長(zhǎng)、耐久性好，損壞的防腐蝕涂層維修方便[8]。

2.4 電鍍防腐

油氣集輸管道電鍍防腐措施包括兩種形式，一種為陰極性鍍層，即使油氣集輸管道金屬電極小于陽(yáng)極性電極；另一種為陽(yáng)極性鍍層，該電鍍?cè)砼c陰極性鍍層相反。電鍍防腐技術(shù)可以進(jìn)一步降低管道內(nèi)的電解質(zhì)，使石油或天然氣始終處于陽(yáng)極或陰極狀態(tài)。在該狀態(tài)下，石油中的電極離子與油氣集輸管道電鍍層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步穩(wěn)定石油或天然氣的狀態(tài)[9]。

外部電鍍層防腐的目的是隔絕土壤與油氣集輸金屬管道直接接觸，防止土壤中的電解質(zhì)與油氣集輸管道中的石油或天然氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而避免油氣集輸管道出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

2.5 腐蝕物質(zhì)的處理

天然氣和石油中包含大量的二氧化碳、水、氧氣、雜質(zhì)、金屬離子等腐蝕物質(zhì)，在其運(yùn)輸過程中，腐蝕物質(zhì)與油氣集輸管道金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而造成管道出現(xiàn)腐蝕穿孔等泄漏問題。為降低油氣集輸管道腐蝕穿孔等泄漏問題的發(fā)生，需要對(duì)管道內(nèi)部的腐蝕物質(zhì)進(jìn)行清除處理。

（1）水處理。石油開采過程中無法完全去除水分，尤其是石油后期開發(fā)階段，其內(nèi)部水分含量會(huì)進(jìn)一步增加，石油運(yùn)輸過程中，其內(nèi)部的水分與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)造成腐蝕穿孔問題。因此，在石油運(yùn)輸前，需對(duì)石油中的水分進(jìn)行脫水處理。常用脫水處理方法包括物理方法或化學(xué)方法，如熱化學(xué)沉降脫水法、電化學(xué)聯(lián)合脫水法、沉降脫水法等。當(dāng)石油中的含水率較高時(shí)，常用兩段脫水法，首先采用化學(xué)沉降方法對(duì)石油進(jìn)行初步脫水，使石油含水率降低至30%，其次采用電脫水方法再次進(jìn)行脫水處理，進(jìn)一步降低石油含水量[10]。

（2）二氧化碳處理。油氣集輸管道中的二氧化碳與石油中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生污垢或腐蝕物質(zhì)，針對(duì)該問題可以采用添加阻垢劑的方式，避免腐蝕物質(zhì)對(duì)管道造成腐蝕，防止穿孔問題。

（3）氧化物質(zhì)處理。石油運(yùn)輸過程中，其內(nèi)部含有物質(zhì)與空氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，氧氣會(huì)進(jìn)一步加快腐蝕性物質(zhì)之間的反應(yīng)速度，進(jìn)而導(dǎo)致油氣集輸管道腐蝕穿孔面積擴(kuò)大。因此，在運(yùn)輸過程中應(yīng)盡量減少石油與空氣接觸，做好空氣隔離措施。

（4）二氧化硫處理。石油運(yùn)輸前期無法開展原油脫硫工藝，為避免硫化氫、二氧化硫等物質(zhì)對(duì)油氣集輸管道造成腐蝕，可以通過添加緩蝕劑的方法隔離硫化物與金屬管道直接接觸。

（5）細(xì)菌處理。天然氣與石油中存在的腐生菌、油硫酸鹽還原菌等，可以通過添加滅菌劑的方式，減少細(xì)菌對(duì)油氣集輸管道腐蝕危害。另外，為保證除硫劑、緩蝕劑、除鐵劑等防腐蝕藥劑功效的發(fā)揮，石油運(yùn)輸速度不得超過10 m/s，避免削弱藥劑效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

腐蝕穿孔問題是造成石油傳輸管道泄漏問題的重要因素之一，石油運(yùn)輸過程中硫化氫、氧氣、二氧化碳等物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成腐蝕性物質(zhì)，該物質(zhì)與油氣集輸金屬管道接觸會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕、點(diǎn)蝕、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等現(xiàn)象，如果腐蝕問題較為嚴(yán)重，就會(huì)造成油氣集輸管道泄漏。因此，為加強(qiáng)對(duì)油氣集輸管道管理與維修，需要明確造成油氣集輸管道腐蝕問題的因素，并通過隔離或處理腐蝕物質(zhì)、改造油氣集輸管道等方法避免腐蝕物質(zhì)與油氣集輸管道直接接觸，減少油氣集輸管道出現(xiàn)腐蝕穿孔的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)油氣集輸管道的目的。