輸油管道腐蝕因素分析與防護措施
2023-09-19 14:27:57
作者：邵婷，王芳靜 來源： 腐蝕與防護
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輸油管道是保障石油和天然氣正常運輸的主要通道，由于鋼質管道的腐蝕，易引起消費企業停工停產，影響居民生活供氣、供采暖等。埋地輸油管道的泄漏，除損失大量有用物質外又會形成嚴重的環境污染，以至引起火災、爆炸等災難性事故。鑒于金屬腐蝕的普遍存在，為了避免或減緩金屬腐蝕的發生，各種金屬防腐蝕技術和工藝應運而生。為應對輸油管道腐蝕的危害性，油田引進推廣金屬防腐蝕新工藝、新資料、新設備，加藥改變水質和改變輸油工藝，從而延長管道設備運用壽命，節省資金，保證安全生產。由于腐蝕的復雜性和多變性，任何防腐蝕技術都不是萬能的，腐蝕是絕對的，防腐是相對的，所以我們需要更全面深入地了解腐蝕的環境特點，并通過合理的選材和設計預防腐蝕，同時采取適宜的技術與措施來控制腐蝕，這樣才能將石油管道的腐蝕損失降到最低程度。 腐蝕是金屬和周圍的環境因化學或電化學反應而導致的破壞性侵蝕。狹義的腐蝕指金屬的腐蝕；腐蝕廣義上是指化學或電化學材料和環境之間的相互作用，導致材料功能破壞。鋼腐蝕的基本機理如圖1所示，它的本質是金屬元素形成化合物的氧化過程。
金屬的腐蝕是指金屬與外部周圍介質發生化學變化、電化學變化或物理溶解從而產生的損壞。埋地輸油管道的腐蝕分為管道外腐蝕和管道內腐蝕。
管道內腐蝕是由于管道輸送的介質含有腐蝕性成分引起的，是管道腐蝕的主要形式，大多集中在低洼積水處、氣液交界面彎頭等處。管道內腐蝕包括多相流的沖蝕與腐蝕，以及氣體腐蝕等。
管道外腐蝕包括雜散電流腐蝕、土壤環境腐蝕、微生物腐蝕、沖刷腐蝕等，根據金屬損傷基本特征又可分為整體腐蝕和局部腐蝕。
石油產品含有大量的二氧化碳、溶解鹽和硫化氫，在運輸過程中很容易和內部的管道發生化學反應，尤其是在油田開發后期，由于注水開采，運輸介質的含水量增加，從而加劇了管道內部的腐蝕。
二氧化碳腐蝕受到眾多因素的影響，主要包括二氧化碳分壓、溫度、pH值、介質流速、碳酸鹽垢、蠟的作用等。對二氧化碳腐蝕產生重要影響的是二氧化碳在水相中的熱運動。
油氣中往往含有的硫化氫本身不會對管道造成腐蝕，但當它遇到輸送介質中的水時會電離，導致管道發生電化學腐蝕反應。
部分管道經常裸露在露天遭受風吹雨淋，且輸送的油品中含有硫元素和酸性物質，導致管道容易發生外腐蝕。管道的外腐蝕主要包括鋼鐵吸氧腐蝕，大氣降水導致的二氧化碳引起的酸性腐蝕，酸雨導致的管道表面極酸性硫化物析氫腐蝕，管道表面可代謝硫酸鹽細菌導致的細菌腐蝕等，其中以氧腐蝕最為嚴重。
通過近年來對管道防腐蝕層狀況調查和大修過程中發現我國管道腐蝕防護存在以下問題：管道防腐蝕涂層大修技術相對落后、陰極保護死區腐蝕、陰極保護裝置的維護和檢修相對落后等。為了保證輸油管道的安全，避免出現腐蝕問題影響油品的正常輸送，根據管道腐蝕的影響因素和腐蝕條件，管道防腐蝕技術人員需要對以下方面進行研究：(1) 輸油管道材質優化，在不同的輸送介質和環境條件下選擇合適的物料；(2) 做好輸油管道涂層處理，金屬表面添加防腐層，以此使鋼制管道和空氣中的氧氣得以隔絕達到保護；(3) 陰極保護技術，在管道上附加化學活性相對更為活潑的一種金屬，使陽極的管道金屬本身變為陰極；(4) 添加“緩蝕劑”，緩蝕劑是在金屬設備中添加用于減緩腐蝕的一種特殊添加劑，腐蝕抑制劑的腐蝕原理和化工生產所使用的催化劑原理是相反的，緩蝕劑可以改善活化能，以減緩發生腐蝕的反應速度。因其投資少、效果明顯已發展為管道及其他領域防腐蝕技術的重點方向。在實際應用中，應根據輸送介質和環境條件的不同，合理選擇管道材料，以控制成本，滿足油氣工程的需要。管材的種類和質量直接決定了管材的耐蝕性，管材的耐蝕性與使用時間和腐蝕概率有關。選用耐腐蝕性強的管材是從根本上防止管材腐蝕的有效方法，為了提高碳鋼管的耐腐蝕性能，可采用不銹鋼和合金鋼管，但其生產工藝比較復雜，成本較高；陶瓷和塑料管道等非金屬管道越來越多地用于解決此問題。
在管道內壁涂敷不僅可以減少管道內腐蝕的發生率，保護管道，還可以減少輸送介質的流動摩擦，提升油氣運輸的安全性。
在選擇管道內外涂層材料時，內涂層選擇應以減少內部阻力、提高防腐蝕性能為目標；外涂層應根據土壤情況選擇具有穩定的物理化學性能、良好的介電性能和溫度適應性能好的復合材料，如環氧樹脂、聚烯烴、環氧粉末等防腐材料系列。管道內涂層的機械強度相對于管道外涂層的機械強度不高，但仍然需要具有良好的粘溫性能。
管道內外涂層是管道防腐技術處理中的一項重要防護措施。因此，選擇防腐穩定性強的內外涂層材料，按技術規范進行涂敷，已成為防腐處理的主要措施。
電化學保護主要是指陰極保護技術。陰極保護裝置安裝在石油管道的表面，使管道結構極化，電位在環境介質中負向陰極狀態移動，有效減少了電子在金屬腐蝕中的遷移，起到管道防腐蝕的作用。陰極保護措施被認為是管道防腐蝕的第二層防線。在實際應用中，陰極保護技術主要包括外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護兩種類型。這兩種技術主要是根據土壤的電化學特性和環境特性的實際情況選擇和采用的。犧牲陽極陰極保護法不需要外接電源，操作簡單，維護費用低，可以通過消耗表面的陽極保護管道不受腐蝕。
外加電流陰極保護技術檢測與維護的費用較高，但適合長距離油氣管道的保護，在實際中需要注意的是，這種方法需要持續的外部電源，也可能導致管道的過度保護和氫脆。
緩蝕劑分為無機緩蝕劑和有機緩蝕劑兩類，需要根據腐蝕因素和應用環境有針對性地選擇不同的緩蝕劑。添加緩蝕劑可以保護管道內壁，在管道內表面形成保護膜。使用緩蝕劑的優點是操作相對簡單、效率較高，但緩蝕劑容易隨輸送介質流動這一不足也較為明顯，為了不影響油氣的流動以及緩蝕劑功能性的發揮，緩蝕劑的用量、周期和加注方法應嚴格予以控制。影響長距離油氣管道腐蝕失效的因素按方式不同可分為直接因素和間接因素。針對不同的腐蝕原因，需要選擇正確的防腐蝕方法，否則可能造成嚴重的后果。為了提高油氣管道的使用壽命，在合理選擇防腐蝕涂層和方法的同時，要加強管道的運輸施工和維護。為了及時準確地維護管道，可采用先進的計算機實時監控手段對油氣管道進行實時監控。但無論采用哪種防腐蝕方法，都不是一勞永逸的。針對石油和天然氣工程的特點，管道的周邊環境、技術成本和防腐蝕效果等，都是選擇時應綜合考慮的因素。未來的發展方向將是綜合利用多種防腐蝕技術，同時發展環保、高效率的防腐蝕新技術。
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