石油天然氣管道腐蝕與防護(hù)

汪仙明　靳培培　王傲　曹瑞麒　舒琦琳

摘? ? ? 要：石油與天然氣管道受到自身管材質(zhì)量、運(yùn)輸介質(zhì)、鋪設(shè)環(huán)境和管理設(shè)計的影響，管道的腐蝕在所難免，這將增加油氣泄漏的風(fēng)險，油氣泄漏會對人體、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來巨大的危害。本文對探討了防腐蝕技術(shù)，包括陰極保護(hù)法、緩蝕劑技術(shù)、防腐涂層技術(shù)、補(bǔ)口技術(shù)和復(fù)合管技術(shù)；介紹了常用的腐蝕檢測技術(shù)，包括磁力檢測技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)；對腐蝕預(yù)測技術(shù)以及現(xiàn)今的一些研究成果進(jìn)行了分類和總結(jié)。；指出我國中國的防腐、檢測和預(yù)測技術(shù)仍有很大的提升空間，環(huán)保、高效和適應(yīng)苛刻環(huán)境的腐蝕防護(hù)技術(shù)與智能化的腐蝕檢測和檢測技術(shù)是未來重要的研究方向。

關(guān)? 鍵? 詞：石油； 天然氣； 管道腐蝕； 防護(hù)； 檢測； 預(yù)測

中圖分類號：TE985.8? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ?文章編號： 1004-0935（20202023）0×11-00001602-0×４

由于油氣分布于與市場分布不一致，需要進(jìn)行資源的調(diào)配。管道運(yùn)輸與其他運(yùn)輸方式相比，具有成本低、效率高、建設(shè)周期短、安全無污染、能輸送液體、氣體及漿體等多種介質(zhì)、可穿過各種區(qū)域等優(yōu)點，。我國石油與天然氣運(yùn)輸多以管道運(yùn)輸為主。金屬管道受到運(yùn)輸介質(zhì)和環(huán)境因素的影響腐蝕在所難免，受到腐蝕的管道使用壽命、可靠性和安全性都會降低。管道腐蝕導(dǎo)致的油氣泄漏不僅給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)上的損失，而且會給人體和環(huán)境造成巨大的破壞，且隨著人們環(huán)保意識的提高，油氣的泄露泄漏對環(huán)境造成的危害越來越被人們所重視，所以油氣管道的腐蝕與防護(hù)研究具有十分重大的意義。

本文對探討了常用的防腐蝕技術(shù)，包括陰極保護(hù)法、緩蝕劑技術(shù)、防腐涂層技術(shù)、補(bǔ)口技術(shù)和復(fù)合管技術(shù)；介紹了常用的腐蝕檢測技術(shù)：，包括磁力檢測技術(shù)和超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)；對腐蝕預(yù)測技術(shù)以及現(xiàn)今的一些研究成果進(jìn)行了分類和總結(jié)。；指出我國的防腐技術(shù)仍有很大的提升空間，環(huán)保、高效的腐蝕防護(hù)技術(shù)與智能化的腐蝕檢測和檢測技術(shù)是未來重要的研究方向。希望本文能對管道的腐蝕與防護(hù)提供參考依據(jù)，以達(dá)到減小油氣泄漏風(fēng)險、保護(hù)環(huán)境和減小經(jīng)濟(jì)損失的目的。

1? 管道防腐機(jī)理

管道腐蝕主要有兩種形式：內(nèi)腐蝕和外腐蝕。管道材質(zhì)、運(yùn)輸介質(zhì)、環(huán)境、管理和設(shè)計都是造成管道腐蝕的關(guān)鍵因素[1]。管道質(zhì)量因素：現(xiàn)今油氣運(yùn)輸多以金屬性很強(qiáng)的鋼材作為管道材料，鋼管受到其周圍環(huán)境介質(zhì)的電化學(xué)、化學(xué)和物理等作用會引起失效破壞即腐蝕[2]。運(yùn)輸介質(zhì)因素：輸送的油氣介質(zhì)中往往含有水蒸氣、SO2、H2S和CO2等，反應(yīng)生成的化合物造成管道堵塞，導(dǎo)致管道進(jìn)一步腐蝕。環(huán)境因素：油氣管道往往鋪設(shè)于地下，管道外表面被土壤覆蓋，土壤中含有水、雜散電流和各種鹽，并且內(nèi)部有微生物及細(xì)菌，這些導(dǎo)致油氣管道發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。油氣輸送過程中往往伴隨著應(yīng)力，應(yīng)力導(dǎo)致的波動造成管道腐蝕和輕微破裂，長時間的膨脹擴(kuò)張會導(dǎo)致形成大型破口。管內(nèi)油氣和管外雨水的沖刷會導(dǎo)致管道金屬表面不斷裸露，導(dǎo)致腐蝕的出現(xiàn)。管理設(shè)計因素：管理人員專業(yè)程度不夠和管道的裝卸、安放和施工不符合規(guī)范都會對導(dǎo)致管道的腐蝕。

2? 管道防腐技術(shù)

2.1? 陰極保護(hù)技術(shù)

陰極保護(hù)法是是一門被廣泛運(yùn)用且相對成熟的油氣管道保護(hù)技術(shù)。陰極保護(hù)法根據(jù)供電電流方式不同可以分為：外加電流陰極保護(hù)法和犧牲陽極陰極保護(hù)法。保護(hù)方法的選擇應(yīng)根據(jù)實際的環(huán)境和管道參數(shù)，一般情況下采用外加電流陰極保護(hù)法，選取石墨等優(yōu)質(zhì)材料充分發(fā)揮陰極保護(hù)法的作用。在穿跨越鐵路、公路、河流或江河帶等情況下，由于管道帶的套管具有屏蔽作用，宜采用鋅、鎂、鋁及其合金陽作等為陽極的犧牲陽極保護(hù)法。陳波[3]等[3]運(yùn)用陰極保護(hù)數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確的地對某在役海管及其犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了評估，為其確定了最優(yōu)的犧牲陽極保護(hù)方案，為陰極保護(hù)法的選取提供了參考。油氣管道存在防腐涂層、土壤環(huán)境、雜散電流和管道并行等復(fù)雜情況，同時磁暴現(xiàn)象會使油氣管道內(nèi)產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流，對陰極保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生干擾[4]，陰極保護(hù)在油氣管道保護(hù)中的運(yùn)用還有許多問題有待研究。

2.2? 緩蝕劑技術(shù)

緩蝕劑防腐機(jī)理：緩蝕劑通過分子上極性基團(tuán)的物理吸附和化學(xué)吸附或者兩者結(jié)合在管道表面形成保護(hù)層減緩腐蝕。物理吸附特點：吸附速度比較快且具有一定可逆性，?；瘜W(xué)吸附特點：吸附能力較強(qiáng)、不可逆、速度較慢。油氣管道防腐緩蝕劑主要為咪唑啉類、胺類、有機(jī)磷酸鹽類、嗎琳類、炔醇類，包括 N、P、S 和 O的雜環(huán)化合物等等。國內(nèi)外學(xué)者對緩蝕劑做了許多研究，崔銘偉[5]等[5]選擇四4口井進(jìn)行一種新型緩蝕劑的驗證，結(jié)果表明此種緩蝕劑對不同材質(zhì)的實驗井的緩蝕效果都在80%以上，對20#鋼和N80的緩蝕效果相近且優(yōu)于16 Mn。封子艷[6]等[6]研發(fā)了一種新型的的咪唑啉衍生物緩蝕劑，此緩蝕劑組分為20%緩蝕劑主劑+ 10%阻垢劑+ 4%分散劑+ 3%協(xié)同增效劑+ 63%水時緩蝕效果最佳，優(yōu)于其他四4種做對比的緩蝕劑。研究結(jié)果還表明緩蝕劑助劑影響效果由大到小順序為：協(xié)同增效劑>、阻垢劑>、分散劑。JEVREMOVIC[7]等[7]研究了將緩蝕劑注入到泡沫基中對低碳鋼緩蝕的新方法，研究表明使用含有TOFA/DETA咪唑啉緩蝕劑的泡沫進(jìn)行周期性處理，可以有效地降低低碳鋼的頂部腐蝕。緩蝕劑防腐技術(shù)因其具有操作簡單、成本較低、見效快等優(yōu)點而具有廣闊的應(yīng)用前景，。同時，適用于復(fù)雜多樣環(huán)境（，如高溫高壓、介質(zhì)高速流動、存在剪切應(yīng)力）的緩蝕劑依舊需要進(jìn)一步的研究[8]。

2.3? 防腐涂層技術(shù)

防腐涂層是一門簡單、快捷、有效的防腐技術(shù)，擁有制備工藝簡單、成本低、并且不受地域限制的特點。在油氣管道的表面增加一層防腐涂層不僅可以隔絕外界電流，而且可以防止一些植物根莖的穿過，對油氣管道起到了有效的防腐作用。防腐涂層的種類有很多，如常溫固化陶瓷防腐反腐涂層、液體聚氯脂涂層、三層復(fù)合涂層、聚乙烯膠黏帶、熔結(jié)環(huán)氧粉末、石油瀝青、擠出聚乙烯、煤焦油瓷漆以及環(huán)氧煤瀝青等[9-12]。對新型防腐涂層、防腐材料的研究是金屬防腐的熱點趨勢之一，新型防腐涂層不僅著重于防腐而且還著眼于超疏水、防污、自愈、耐熱和抗菌等附加功能的研究。孫垚垚[13]等[13]對石墨烯防腐涂層進(jìn)行了研究，研究指出石墨烯的防腐機(jī)理在于屏蔽、緩蝕、加固和陰極保護(hù)作用，并對其存在的易團(tuán)聚、難定向排列、自身結(jié)構(gòu)有缺陷等問題提出來改進(jìn)措施。目前對石墨烯防腐的研究還是比較匱乏少，使用不當(dāng)不僅起不到防腐的作用還會促進(jìn)腐蝕，阻礙了這一防腐涂料的運(yùn)用和發(fā)展。氧化石墨烯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與石墨烯相似，具有優(yōu)越的機(jī)械其強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為是一種優(yōu)秀的石墨烯替代品。氧化石墨烯不僅具有疏水性，而且能減少腐蝕物質(zhì)的吸附和遷移，有效提高復(fù)合涂層的耐腐蝕性[14]。DAN[15]等[15]利用原子聚合法將聚氨酯（ （PU） ） /聚環(huán)氧丙烷與氧化石墨烯（ （GO-g- PPO ））接枝。研究顯示，GO-g- PPO-16復(fù)合材料在PU涂層中均勻分散，大幅度提升了PU / GO-g- PPO-16復(fù)合涂層的防腐性能。同時實驗結(jié)果顯示：，當(dāng)GO-g-PPO-16復(fù)合材料在PU涂層中的固含量為0.08 wt.%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5 wt % NaCl（ aq.）溶液中浸泡168 h后，涂層的電阻是PU涂層的50倍。

2.4? 補(bǔ)口技術(shù)

補(bǔ)口技術(shù)使用打底漆料涂抹于腐蝕缺口，外部往往利用聚乙烯膠帶纏繞，從而提高管道外部性能對油氣管道進(jìn)行有效保護(hù)。石油管道出現(xiàn)缺口時用補(bǔ)口技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)可以保證管道的完整性，常用的補(bǔ)口技術(shù)有：熱瀝青澆注補(bǔ)口技術(shù)、聚乙烯材料補(bǔ)口技術(shù)。補(bǔ)口技術(shù)在保證管道完整性上起著重要的作用，補(bǔ)口的失效會導(dǎo)致管道出現(xiàn)腐蝕缺陷。國內(nèi)石油與天然氣管道多使用3LPE防腐蝕涂層，與之對應(yīng)的補(bǔ)口材料一般是熱收縮帶，而熱收縮帶的失效將導(dǎo)致油氣泄漏的風(fēng)險。李海坤[16]等[16]研究了熱收縮帶老化后熱熔膠的降解情況、老化不同溫度和時間老化后的吸水率、剝離強(qiáng)度與破壞性質(zhì)、吸水率、熱熔膠降解之間的關(guān)系。研究顯示：，熱收縮帶的失效和剝離試驗中破壞性質(zhì)、熱熔膠高溫吸水率相關(guān)性較高，而與熱熔膠降解相關(guān)性較低，穩(wěn)定性較高的是發(fā)生內(nèi)聚破壞和熱熔膠高溫長期吸水率低的熱收縮帶。楊輝[17]等[17]研究了一種利用漏磁內(nèi)檢測技術(shù)對管道補(bǔ)口進(jìn)行失效分級評價的方法，并建立了響應(yīng)準(zhǔn)則，從現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果來看此方法識別、符合率較高，滿足現(xiàn)場需求。

2.5? 復(fù)合管技術(shù)

復(fù)合管技術(shù)具有力學(xué)性能好、耐腐蝕和經(jīng)濟(jì)性好等特點，以雙金屬襯里復(fù)合管最為常見，由內(nèi)層襯管和外層基管組成。陳俊文[18]等[18]建立了雙金屬襯里復(fù)合管制管過程力學(xué)分析有限元模型，對制管過程進(jìn)行了仿真模擬；。研究表明：，雙金屬襯里復(fù)合管兩管的緊密度隨著內(nèi)壓的增大而增大，隨著兩種材料膨脹系數(shù)的差增大而減小，為提高緊密度可以適當(dāng)?shù)脑黾觾?nèi)壓、減小兩材料的體膨脹系數(shù)差。雙金屬復(fù)合管材料因其材料特殊導(dǎo)致焊接困難，容易出現(xiàn)焊接缺陷[19]。曾德智[20]等[20]通過建立整管段試件試樣有限元力學(xué)模型對X52/825冶金復(fù)合管焊接接頭的腐蝕性能進(jìn)行評價，。研究顯示：，經(jīng) 720 h腐蝕實驗后X52/825冶金復(fù)合管焊接接頭未出現(xiàn)破裂、刺漏和開裂性裂紋，表明此焊接接頭耐腐蝕性較好?，F(xiàn)今的雙金屬復(fù)合管塌陷試驗、緊密度試驗和彎曲試驗指標(biāo)規(guī)定不明確，復(fù)合管的制造、檢驗和應(yīng)用需要進(jìn)一步研究與完善[21]。

3? 管道腐蝕檢測與預(yù)測方法

由于石油天然氣管道鋪設(shè)環(huán)境復(fù)雜多樣，當(dāng)管道發(fā)生腐蝕時往往不能及時發(fā)現(xiàn)，因此，需要采取合適的管道腐蝕檢測與預(yù)測方法，及時對腐蝕管道進(jìn)行應(yīng)急處理，防止油氣的泄漏，提高管道的使用壽命。其中使用得比較多的是磁力檢測技術(shù)、超聲導(dǎo)波檢漏技術(shù)。

3.1? 磁力檢測技術(shù)

磁力檢漏是利用金屬磁記憶的一種檢測方式，通過鐵磁性的感應(yīng)分析對管道缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定? ?位[22]。磁檢漏技術(shù)是一門十分有效、實用的內(nèi)檢測技術(shù)，因具有環(huán)境限制小、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點，而被廣泛運(yùn)用[23]。尹志勇[24]等[24]利用磁檢漏法對山東東營地區(qū)一管線進(jìn)行檢漏，結(jié)果顯示：，由于長輸管道施工工期較長，管道內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了不同程度腐蝕，在此情況下及時采取防護(hù)措施，減小了事故發(fā)生的幾率概率。廖柯熹[25]等[25]研究了一種基于磁力定位、超聲導(dǎo)波測定量的埋地管道腐蝕檢測方法，實際應(yīng)用顯示：，此方法能在非開挖狀態(tài)下對缺陷管道進(jìn)行精準(zhǔn)定位和腐蝕等級評價。

3.2? 超聲導(dǎo)波檢漏技術(shù)

超聲導(dǎo)波檢漏也是一種非開挖無損檢測技術(shù)，原理是：超聲導(dǎo)波在管道中沿軸向傳播，當(dāng)管道很橫截面積改變時靈敏接收器將收到其反射的一個回波信號，通過對回波信號的分析判斷管道內(nèi)部的變化情況。壓電超聲檢測技術(shù)因其檢測距離較長、能定量測量、不受電磁干擾等優(yōu)點，廣泛運(yùn)用于運(yùn)輸液態(tài)介質(zhì)的長距離輸送管道的檢測[26]。壓電超聲檢測技術(shù)其缺點是需要耦合劑，埋地管道內(nèi)檢測受限。葉至靈[27]等[27]研究了電磁超聲波檢測方法，此方法不僅無需耦合劑就能夠產(chǎn)生多種聲波，可對管道的內(nèi)腐蝕進(jìn)行檢測，而且通過橫波在斜面試件試樣中傳播和反射進(jìn)行COMSOL 的有限元模型仿真，發(fā)現(xiàn)斜面腐蝕測厚偏大，且誤差隨著斜角的增大而增大。

3.3? 管道腐蝕預(yù)測方法

管道腐蝕的預(yù)測與檢測同樣重要，有效的腐蝕預(yù)測對管道的完整性管理有很大的幫助，對防止油氣泄漏和環(huán)境保護(hù)有很大的作用。王方成[28]等[28]采用模糊層次分析法對各影響因素進(jìn)行權(quán)重計算，為長輸天然氣管道腐蝕的預(yù)防和治理提供相關(guān)的理論依據(jù)。BALEKELAYI[29]等[29]研究了一種基于貝葉斯譜分析回歸的腐蝕預(yù)測方法，此方法將腐蝕因素和腐蝕深度作為半?yún)?shù)，并用數(shù)學(xué)的方式描述了電化學(xué)腐蝕過程。程凱凱[30]等研究了基于相關(guān)性和貝葉斯推斷的腐蝕深度預(yù)測方法，結(jié)果表明此方法能夠更好地反映樣本容量對推斷結(jié)果的影響，預(yù)測結(jié)果更為保守且與工程經(jīng)驗判斷結(jié)果一致，對工程應(yīng)用更加安全有利。研究成果可為管道腐蝕深度的預(yù)測提供更準(zhǔn)確的信息，同時為考慮隨機(jī)變量相關(guān)性的其他腐蝕管道特征值的預(yù)測提供理論參考。

智能化腐蝕檢測與檢測技術(shù)是未來研究的重要趨勢，SHAFEEK[31]等[31]使用Microsoft Access和Visual c#進(jìn)行編碼將一種無損檢測技術(shù)與管道腐蝕缺陷軟件相結(jié)合，此軟件使用簡單、無需復(fù)雜的分析，能測量一般腐蝕情況并對腐蝕進(jìn)行預(yù)測，有效降低了油氣泄漏的風(fēng)險。

4? 總結(jié)結(jié)束語

油氣管道受到介質(zhì)和環(huán)境因素的影響易發(fā)生失效破壞。我國的石油與天然氣管道防護(hù)技術(shù)還有很大的提升空間，環(huán)保、高效的腐蝕防護(hù)技術(shù)與智能化的腐蝕檢測和檢測技術(shù)是未來重要的研究方向。同時為了進(jìn)一步減少腐蝕帶來的油氣泄漏風(fēng)險，需要對管道質(zhì)量和焊接嚴(yán)格要求，做好巡檢和管線周邊地區(qū)安全的宣傳。

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Research on Corrosion and Protection of Petroleum and Natural Gas Pipelines

WANG Xian-ming， JIN Pei-pei， WANG Ao， CAO Rui-qi

（CNOOC Jiangsu Natural Gas Co.， Ltd， Jiangsu Jiangsu 224000，China）

Abstract： Oil and gas pipelines are affected by factors such as their own pipeline quality， transport media， laying environment and management design. Pipeline corrosion is inevitable. It will increase the risk of oil and gas leakage and bring great harm to the human body， the environment and the economy. The pipeline anti-corrosion technology is discussed， including cathodic protection technology， corrosion inhibitor technology， anti-corrosion coating technology， repair technology and composite pipeline technology. Common corrosion detection technology， magnetic detection technology and ultrasonic guided wave technology; classification and summary of corrosion prediction technology and some research results in recent years. It is pointed out that there is still a lot of room for improvement in anti-corrosion， detection and prediction technology in my country. Environmental protection， high efficiency， anti-corrosion technology and intelligent corrosion detection technology suitable for harsh environments are important research directions in the future.

Key words：? Oil;? natural gas;? pipeline corrosion;? protection;? detection;? prediction