天然氣輸送用熱彎管化學(xué)反應(yīng)與腐蝕機理分析及保護

摘 要：作為運輸天然氣的主要設(shè)備，天然氣輸送管道多采用的是金屬材質(zhì)，其中熱彎鋼管主要適用于管線路徑改變角度大于16°的情況，由于熱彎鋼管制作工藝的特殊性，其壁厚存在不均勻，經(jīng)過彎制導(dǎo)致材料特性發(fā)生了一定的變化，與其他介質(zhì)接觸容易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致天然氣管道故障，影響天然氣輸送安全性。介紹了天然氣輸送管道熱彎鋼管的腐蝕類型與機理，分析了發(fā)生腐蝕缺陷的影響因素，并提出了調(diào)整與防護措施，為天然氣輸送管道的維護提供參考。

關(guān)鍵詞：天然氣輸送管道；熱彎鋼管腐蝕缺陷；防腐涂層；陰極保護

中圖分類號：TQ346+.6;TE988.2???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0133-04

Chemical reaction and corrosion mechanismAnalysis and protection of hot bent pipe for natural gas transmission

CHEN Yongqing

（Jiangxi Provincial Natural Gas Group Co.，Ltd.，Pipeline Branch，Nanchang 330000，China

）

Abstract：As the main equipment for transporting natural gas，natural gas transmission pipelines are mostly made of metal.Among them，the hot bent steel pipe is mainly suitable for the pipelinethat the path change angle is greater than 16° degrees.Due to the particularity of the hot bent steel pipe production process，its wall thickness is not uniform，resulting in certain changes in material characteristics after bending，and it is prone to corrosionafter contacting with other media，leading to natural gas pipeline failure and unsafety of natural gas transmission.This paper introduced the type and mechanism of hot bent steel pipe corrosion in natural gas transmission pipeline，analyzed the impact factors of corrosion defects，and proposed the adjustment and protection measures，providing references for the maintenance of natural gas transmission pipeline.

Key words：natural gas transmission pipeline;corrosion defect of hot-bent steel pipe;anti-corrosion coating;cathodic protection

近年來，天然氣長輸管道飛速發(fā)展，采用管道的形式，整體化施工，將鋼管管道埋于地下，能夠自動輸送天然氣，但因管道泄漏所致的安全事故也屢次發(fā)生，受到了社會各界高度重視［1］。輸送管道熱彎鋼管腐蝕是事故發(fā)生的重要因素，掌握熱彎鋼管腐蝕機理及危險因素，及時評估并發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷，積極采取措施予以調(diào)整與防護是保障天然氣管道輸送安全的有效路徑。

1 天然氣輸送管道熱彎鋼管腐蝕類型及機理

1.1 天然氣輸送管道熱彎鋼管腐蝕類型

熱彎鋼管是天然氣輸送管道最易發(fā)生腐蝕的部位，這與熱彎鋼管的制作工藝有關(guān)，當(dāng)管線路徑改變角度在16°以上，需要采用熱彎鋼管，鋼管經(jīng)過950 ℃高頻加熱裝置加熱處理，局部溫度會明顯升高，材料強度降低，能夠自由變形滿足管線路徑角度變化需求［2-3］，其工藝如圖1所示。

當(dāng)熱彎鋼管與空氣中氧氣接觸后，會引起化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕缺陷。常見腐蝕類型如下：

（1）均勻腐蝕。該類型腐蝕主要是天然氣水蒸氣所致，當(dāng)溫度壓力下降后，管壁上的水汽會發(fā)生凝結(jié)，形成水膜附著在管壁，導(dǎo)致H2S溶解，產(chǎn)生腐蝕性氣體，引起熱彎鋼管的腐蝕;

（2）應(yīng)力腐蝕。天然氣中含有硫化氫物質(zhì)，與水結(jié)合后會產(chǎn)生水解反應(yīng)，其產(chǎn)物HS會被金屬表面吸附，導(dǎo)致氫氣釋放速度加快，增加金屬脆性，降低金屬材料的韌性，到達(dá)一定程度會出現(xiàn)滯后斷裂［4］;

（3）沖刷腐蝕。天然氣輸送管道在氣體輸入過程中，介質(zhì)速度達(dá)到一定條件后，管壁會受到明顯的沖擊，會影響管道強度，甚至沖刷掉管壁上腐蝕掉的物質(zhì)，并暴露出新的金屬，進(jìn)一步腐蝕，由此形成了惡性循環(huán)［5］;

（4）坑蝕?？游g在表面含鈍化膜的金屬上較為常見，若鋼管材料存在雜質(zhì)、缺陷，缺陷位置會吸附氣體介質(zhì)的活性陰離子，破壞鋼管表面鈍化膜，長此以往會導(dǎo)致金屬表面被腐蝕，出現(xiàn)大小不一的小孔。

1.2 天然氣輸送管道熱彎鋼管腐蝕機理

熱彎鋼管在彎制處理過程中材料性質(zhì)發(fā)生了一定的變化，壁厚不均勻，當(dāng)與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)后，會破壞材料，當(dāng)土壤、空氣或腐蝕性介質(zhì)接觸金屬管道，會產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，整個腐蝕過程不會產(chǎn)生電能，金屬表現(xiàn)均勻流失，熱彎鋼管管壁更加薄。電流流動造成的腐蝕即電化學(xué)腐蝕，需要陰極、陽極以及電解質(zhì)溶液3個條件，在電解質(zhì)溶液中金屬的電子喪失，并被溶解，形成陽極［6-8］，電極電位高的部分獲得電子即陰極，電化學(xué)腐蝕造成后果嚴(yán)重，會引起管道穿孔、破裂，外腐蝕缺陷如圖2所示。另外細(xì)菌生理代謝產(chǎn)生的排泄物與金屬接觸，會形成生物化學(xué)腐蝕。

2 天然氣輸送管道熱彎鋼管腐蝕缺陷原因

熱彎鋼管腐蝕是多種因素共同作用的結(jié)果。首先，從外部因素看，空氣、土壤、水源等環(huán)境均會導(dǎo)致鋼管腐蝕。熱彎鋼管接觸空氣后會產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，鋼管被氧化后，受到腐蝕會變薄，縮短管道的使用年限［9］。部分酸性或堿性較強的土壤接觸管道，產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)也會腐蝕管道。由于天然氣管道所處環(huán)境復(fù)雜，需要穿過河流、小溪等，引起腐蝕。其次為內(nèi)在因素，若管道工程資金有限，會導(dǎo)致設(shè)計與安裝出現(xiàn)偷工減料的情況，導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生［10］。生產(chǎn)及運行因素，在天然氣管道生產(chǎn)及運行環(huán)節(jié)若出現(xiàn)問題，也會埋下安全隱患，導(dǎo)致管道被腐蝕，因此應(yīng)做好管道日常監(jiān)測工作，提升防腐工作力度，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，及早發(fā)現(xiàn)及早處理［11-12］。

3 天然氣輸送管道熱彎鋼管腐蝕缺陷的調(diào)整策略

3.1 應(yīng)用防腐涂層

熱彎鋼管在長時間運行中，管道、鋼結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)局部腐蝕，部分可見粉化、老化及起泡等，可以在上述區(qū)域統(tǒng)一涂層，予以涂層修補處理。首先需要采用溶劑對管道表面污染物進(jìn)行清洗，若管道出入地部分有礦脂帶，則需要將其拆除，保持與地5 cm距離，清除污染物及缺陷表面，包括焊劑、裂片及氧化皮等，然后去除舊油漆，需要注意的是若表面相對濕度大于85%或表面溫度較露點溫度超出小于3 ℃，應(yīng)暫停表面處理［13-14］。對表面進(jìn)行檢測確保符合處理標(biāo)準(zhǔn)后，可進(jìn)行涂裝施工，涂裝前先將灰塵、油脂等污染物去除，預(yù)涂焊接處、角落位置及邊緣等，涂料應(yīng)合理配比，優(yōu)先選擇整罐基料與固化劑配置，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況加入適量稀釋劑［15］。采用噴涂的方式完成施工，表面處理方法如表1所示。應(yīng)遵照涂料施工相關(guān)規(guī)定，掌握好復(fù)涂間隔的時間，考慮環(huán)境與溫度條件。

3.2 陰極保護法

陰極保護是天然氣輸送管道熱彎鋼管腐蝕防護的常見策略，包括外加電流陰極法與犧牲陽極法，前者是連接電流負(fù)極與管道、正級連接管道輔助陽極，其能夠?qū)㈦娏髯怨艿酪氲叵?，破壞離子氧化反應(yīng)，鋼管表面僅存在還原反應(yīng)，可對管道起到保護作用［16-17］。后者則是連接管道與其他金屬，產(chǎn)生原電池，新的金屬連接直流電金屬，能夠?qū)Ωg產(chǎn)生削弱效應(yīng)。陰極保護法適用于電化學(xué)腐蝕，這是因為金屬接觸電解質(zhì)溶液，會在各個部分形成電位差，引起電化學(xué)腐蝕，因此可采用陰極保護法，其原理如圖3所示。陽極與陰極初始電位用Ea、Ec表示，當(dāng)發(fā)生金屬腐蝕后，受極化作用的影響，初始電位與S對應(yīng)腐蝕電位Ecorr接近，此時腐蝕電流為Icorr，陽極區(qū)會出現(xiàn)溶解，發(fā)生腐蝕破壞［18］。

3.2.1 犧牲陽極保護法

犧牲陽極保護法常用材料包括鋅陽極、鎂陽極等，鋅陽極適用于土壤電阻率小于20 Ω·m的情況，對于高土壤電阻率部位，可采用鎂陽極。土壤含鹽量為3.3%～4%，鎂陽極輸出電流高，會出現(xiàn)嚴(yán)重自腐蝕；鋁陽極腐蝕產(chǎn)生的物質(zhì)僵硬，不適用于土壤環(huán)境，因此其常常被用于海水或電阻率在5 Ω·m以下的土壤。鋅陽極適用于溫度較高的工作環(huán)境，當(dāng)溫度升高后，晶間腐蝕速率也會加快［19］。鋅陽極溫度在60 ℃以上時，會產(chǎn)生極性逆轉(zhuǎn)，電位變正，此時陽極鐵電位保持不變，陰極為鋅陽極，且受到保護，陽極為鐵，會導(dǎo)致腐蝕的加速。鎂陽極與鋁陽極在高溫度下均可應(yīng)用，但也會降低電流效率［20］。常見陽極性能如表2所示。

3.2.2 外加電流陰極保護法

外加電流法下，外接直流電源會使得保護管道接電源成為負(fù)極，正極為輔助電極，經(jīng)涂層空隙陰極保護電流進(jìn)入管道，常將石墨、高硅鑄鐵作為輔助陽極。恒電位儀是外加電流陰極保護的核心設(shè)備，其先對參比信號進(jìn)行阻抗變換，結(jié)合控制電位經(jīng)過比較放大，會輸出信號，該信號與誤差呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)。在移相觸發(fā)器加載信號，會結(jié)合電信號大小對脈沖時間進(jìn)行自動化調(diào)整，使得極化回路可控硅導(dǎo)通時間發(fā)生變化，進(jìn)而對輸出電流、電壓進(jìn)行改變，達(dá)到給定恒定電位。應(yīng)將電位誤差控制在±10 MV，給定電位從0～3.0 V不等，且能夠連續(xù)可調(diào)；電源效率應(yīng)控制在82%～92%，過熱保護閾值控制為80～85 ℃。

3.3 應(yīng)用緩蝕劑

緩蝕劑防護具有投資少、操作簡單、應(yīng)用方便等優(yōu)勢，腐蝕材料的腐蝕分子覆蓋在受保護層上會形成吸附材料，對金屬物理狀態(tài)產(chǎn)生影響，取消電化學(xué)反應(yīng)，此時金屬表面能量能夠達(dá)到一種平衡，使得腐蝕速度變得緩慢。另外，受保護金屬材料吸附的保護膜具有疏水性，在金屬表面運動，無法形成電子流運動，不會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，削弱了腐蝕作用。緩蝕劑在每個井一級節(jié)流后管段，采用固定式緩蝕劑進(jìn)行連續(xù)加注處理，配合霧化工藝能夠滿足腐蝕控制要求。在管道中線位置安裝中空霧化噴頭，可達(dá)到較好的霧化效果。為了達(dá)到防腐目的，可采用緩蝕劑批處理的方法，這樣管道內(nèi)部會被油溶性緩釋劑膜覆蓋，需要注意的是管道在投入運行前，需要先對管壁、管道內(nèi)低洼積水徹底清除［21］。

按照1∶1的比例對批處理緩蝕劑、柴油混合，其會對金屬產(chǎn)生吸引力，清管操作過程中會在金屬表面沉積，要保障清管器之間緩蝕劑充足，達(dá)到全周覆蓋。若管道未應(yīng)用清管設(shè)備，可以借助高容量泵將1∶1混合劑泵入管道，對模擬環(huán)繞面進(jìn)行優(yōu)化，重復(fù)操作2次，以達(dá)到滿意的效果，其機理如圖4所示。

由圖4可知，經(jīng)過批處理，熱彎鋼管管道內(nèi)壁會形成緩蝕劑涂層，具有較好的粘性，會吸附在內(nèi)壁，避免含硫天然氣與管道內(nèi)壁的直接接觸，降低了酸性介質(zhì)對管道腐蝕風(fēng)險。

4 結(jié)語

綜上所述，天然氣輸送管道熱彎鋼管腐蝕是事故發(fā)生的重要因素，掌握熱彎鋼管腐蝕機理及危險因素，及時評估并發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷，識別熱彎鋼管腐蝕缺陷，通過陰極保護、應(yīng)用防腐涂層、緩蝕劑等進(jìn)行調(diào)整，提升防腐技術(shù)水平，提升天然氣運輸安全性。天然氣輸送管道防腐保護與人們生活及天然氣安全、高質(zhì)量運輸息息相關(guān)，應(yīng)提升思想認(rèn)識及防護認(rèn)識，積極采取措施予以調(diào)整與防護是保障天然氣管道輸送安全的有效路徑。

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收稿日期：2023-04-1；修回日期：2023-09-01

作者簡介：陳永清（1987-），男，工程師，主要從事天然氣長輸管道生產(chǎn)運行和保護管理研究；E-mail：wdn123na@163.com。

引文格式：陳永清.天然氣輸送用熱彎管化學(xué)反應(yīng)與腐蝕機理分析及保護［J］.粘接，2023，50（11）：133-136.