污水管道腐蝕機理及防護措施

楊 娜，吳 明，齊 浩，王 丹，謝 飛

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

油田污水不僅礦化度高、氯離子含量高、pH 值低，而且還含有 CO2、H2S和硫酸鹽還原菌，需要通過污水廠的處理，將上述組分含量降低到標準含量才能回注和排外[1]。這些因素使污水成為了腐蝕性極強的介質對管道腐蝕嚴重，由于污水管線大部分地下掩埋，過路、水溝和河流全部穿、跨越鋪設，大氣、土壤對管道有著不同程度的腐蝕,并且管道破損處不易發現維修。

目前，在國內外埋地管道發生的各種破壞性事故中，管道腐蝕泄漏造成的事故排在第一位。管道作為油田的主要運輸設施，其腐蝕問題一直困擾著油田正常運行生產。國內的數據顯示，1988年全國發生油氣田管道事故248起，由于管道腐蝕引起的就占到202起[2]。如四川輸氣網，在1992-1997年間由于腐蝕原因導致爆炸、燃燒事故133起。在遼河油田管道腐蝕嚴重的曙光和雙喜嶺地區，埋地管道投產1～7年就全線穿孔，不到十年就全線更新。

1 污水管線腐蝕特性

油田污水管線大部分地下掩埋，過路、水溝和河流全部穿、跨越鋪設。歸納起來管道腐蝕多發生在以下幾個部位:①管道的底部②彎頭下部，彎頭氣水結合處，彎頭焊口處③架空管道防腐層破損處及架空管道的支撐處④管道焊縫處⑤防腐層與管體剝離的部位[3,4]。

管道腐蝕分為外腐蝕和內腐蝕兩種, 管道的腐蝕破壞是內外腐蝕因素共同作用的結果。管道外腐蝕分為土壤腐蝕、大氣腐蝕、防腐層破損造成的腐蝕，其中主要是由于土壤造成的腐蝕。常見的腐蝕形式有因土壤性質不同（含氧量、含鹽量、pH值等）形成的土壤宏觀腐蝕電池腐蝕、雜散電流引起的腐蝕及由于土壤中微生物的新陳代謝引起的腐蝕。管道內腐蝕是由污水中的細菌、氧氣、硫化物、氯化物共同造成的腐蝕，形貌以點蝕破壞為主, 特別是在管道底部、管道流速變化處尤其明顯。當流速較慢時，細菌腐蝕和沉積物垢下腐蝕協同加速，導致腐蝕嚴重，當流速較快時發生沖刷腐蝕[5]。

2 影響污水管線腐蝕因素

2.1 管線外腐蝕原因

2.1.1 土壤腐蝕

污水管道大部分埋于地下，受到土壤不同程度的腐蝕。既存在土壤本身對金屬材料的腐蝕，也存在由于土壤微生物新陳代謝產生的腐蝕，還存在雜散電流的腐蝕。

（1）土壤本身對材料的腐蝕形成的宏觀電池

對于污水管道而言，接觸土壤范圍大，屬于宏觀電池。宏觀電池主要有氧濃差電池、鹽濃差電池、酸濃差電池、溫差電池、應力腐蝕電池[6]。

①氧濃差電池是埋地管道局部嚴重腐蝕的主要原因之一。由于水平埋放的管道各處深淺不同，氧的濃度不同，管道下部氧濃度小成為陽極遭受腐蝕。在密實的土壤中氧傳遞相對困難，腐蝕的陽極反應減慢，在疏松土壤中氧的傳遞較快，氧的極限擴散電流增大，腐蝕反應的速度也隨之加快[4]。

②鹽濃差電池是由于管道各處土壤含鹽濃度不同形成的腐蝕電池。含鹽量高的金屬表面電極電位低成為陽極發生腐蝕。土壤的含鹽量越高，腐蝕性越強[7]。在土壤的各種鹽分中，Cl-、SO42-對其腐蝕性影響較大。其中Cl-是土壤中腐蝕性最強的一種陰離子，它能破壞金屬的鈍態，加快金屬的腐蝕，并與金屬生成可溶性產物。SO42-能促進金屬的腐蝕。

③酸濃差電池是由于管道所處的土壤酸度的差異產生的腐蝕電池。酸度高處為陽極優先腐蝕。土壤的pH值越小，酸度越大，腐蝕性越強。在強酸性土壤中，金屬容易發生全面腐蝕。腐蝕速率隨著pH值的減小而增大,在pH值低于3.8時就會更大[8]。一般地，隨著pH的降低，土壤的腐蝕性顯著提高。

④溫差電池是由于管道表面土壤介質溫度不同造成的。溫度高處為陽極遭受腐蝕。溫度對管道的土壤腐蝕是通過其他因素間接起的作用。土壤溫度升高加快電化學反應中陰極的離子化過程和擴散過程[2]。如溫度升至25～35 ℃時，最適合微生物的生長，加快了微生物引起的腐蝕速度。溫度低時腐蝕形成的點孔小而深，溫度高時點孔大而淺。

⑤應力腐蝕電池是由于管道與周圍土壤之間的相對運動形成的。而二者之間相對運動是由管道運行條件及土壤結構變化引起的，使外防腐層周圍的惰性土壤應力轉化為活性土壤應力并作用于管道外防腐層, 導致涂層脫粘或干裂[9]。

（2）土壤中的微生物腐蝕

在緊密潮濕的土壤中，由于氧濃度低，適合厭氧菌的生長。研究發現，硫酸鹽還原菌的活動會造成金屬強烈腐蝕，對貧氧環境中腐蝕的陰極去極化過程有促進作用。細菌在新陳代謝中產生硫化氫、二氧化碳和酸，改變管道周圍的土壤環境，破壞金屬表面的覆蓋層，加速管道腐蝕。還有一些細菌是以管道的石油瀝青防腐層作為養料, 造成防腐層破壞而喪失防腐功能[10]。

（3） 雜散電流的腐蝕

雜散電流腐蝕是指正常電路漏失而流散于大地中的電流對管道產生的腐蝕。油田管線的雜散電流主要來源于管道兩側的高壓輸電變壓器、抽油機、高壓輸電線等設備的電源接地極。雜散電流從土壤進入管道的部位為腐蝕電池的陰極區，導致金屬表面涂層脫落，雜散電流從管道流出的部位成為陽極區，在此處管道遭受腐蝕。在管道陽極區絕緣層的破損處，腐蝕集中并具有強烈的破壞性[11]。

2.1.2 大氣腐蝕

污水管道架空的部分易受到大氣腐蝕。大氣中的水蒸氣在金屬表面形成水膜，水膜中溶解了大氣中的氣體及雜質，使金屬表面發生電化學腐蝕。在非潮濕環境中，管道幾乎沒有腐蝕現象。當相對濕度超過80%，腐蝕速度迅速加快。在不同大氣濕度環境下形成的水膜厚度對腐蝕速率影響很大。在水膜很薄時，腐蝕速度主要由陽極控制，在水膜吸水潤濕時，腐蝕的速度主要由陰極控制[12]。

2.1.3 防腐層破損引起的腐蝕

油田污水管道一直以來采用的是加強瀝青防腐和陰極保護的方法。管道上的石油瀝青防腐層由于受壓有剝離傾向，當防腐層與管體剝離時, 陰極保護電流受到屏蔽, 在防腐層與管體之間形成良好的腐蝕環境[13]。當石油瀝青防腐層剝離到一定程度時,地下水由破損處流入，加快了剝離過程并形成空隙，受空隙內干濕交替影響造成腐蝕。由于空隙內的地下水含有鹽類物質使腐蝕加劇。

2.2 管線內腐蝕原因

油田采出水總礦化度較高,含有溶解氧、二氧化碳、硫化物等腐蝕性介質和大量的硫酸鹽還原菌及泥砂, 致使污水管道內壁發生腐蝕、結垢。

2.2.1 化學腐蝕

污水管道內除常含有一定的水分外, 還有溶解氧、二氧化碳、硫化物等腐蝕性介質。它們與管道內壁發生化學作用而腐蝕管道。

2.2.2 電化學腐蝕

油田污水由于礦化度高，大量腐蝕性介質與管道內壁接觸，產生電化學腐蝕。污水中的Cl-使管道發生點蝕，并在點蝕坑內形成鹽酸，又加劇了蝕坑的發展。H2S能使金屬材料形成硫化物應力破裂。當 CO2溶解于水中時形成碳酸, 會使金屬發生電化學腐蝕并促進其發展[14]。

2.2.3 硫酸還原菌造成腐蝕

油田污水在密閉環境中輸送，因而形成缺氧環境。大量的硫酸鹽還原菌存在于這種環境，能把污水中的SO42-的S還原成S2-，產生的H2S 與Fe產生反應生成黑色腐蝕產物導致水質明顯惡化，使管線遭受嚴重腐蝕。同時，腐蝕產物與水中的成垢離子沉淀成垢，造成管道堵塞[2]。大量的硫酸鹽還原菌附著在管壁上，附著的地方會出現坑蝕而穿孔，同時氫去極化與細菌同時作用導致腐蝕加劇。

2.2.4 流速的影響

由于流體的相對運動攜帶了高濃度的氧到達金屬表面造成腐蝕。當流速增大時，氧向金屬表面的擴散速度加快，腐蝕速度加快。當流速到達一定值后，氧含量增加引起金屬表面鈍化，腐蝕速度急劇下降。假如流速再進一步增加，金屬表面的鈍化層被破壞，管道彎頭處由于流體高速沖刷造成沖擊腐蝕，當高速流體流向改變時局部極大的沖擊力造成空泡腐蝕，從而加速腐蝕[5]。

2.2.5 輸送壓力

隨著管線輸送壓力增加，硫化氫和二氧化碳的分壓隨之增加，硫化氫和二氧化碳的溶解度相應增加，提高了管線的腐蝕速率。壓力升高時，管線承壓能力降低，管線容易破裂。輸送壓力的波動還會促進腐蝕裂紋的發育，加快了開裂速度，當氫鼓泡和裂紋擴展到臨界值時管道就可能破裂,在應力和腐蝕介質的共同作用下加速了腐蝕穿孔的速度[15]。

3 防護對策

3.1 管道外腐蝕防護措施

3.1.1 外防腐蝕涂層

涂層是管道防腐最基本的也是必須采取的措施。油田主要集輸管道的防腐層材料多為單層熔結環氧粉末(聚乙烯、環氧樹脂、酚醛樹脂)、三層聚乙烯(環氧粉末、聚合物膠粘劑，聚乙烯層），非主要管道的防腐層為石油瀝青材料。現又研制了雙層熔結環氧粉末,提高了單層熔結環氧粉末的機械性能。經過國外對這些防腐層應用的調研和分析，對雙層熔結環氧粉末防腐層給出很高的評價，其次是熔結環氧粉末防腐層和三層聚乙烯防腐層[16]。

3.1.2 管道陰極保護

管道的陰極保護通過對管道施加陰極電流使其陽極腐蝕速度降至最低。陰極保護的方法有強制電流法和犧牲陽極法。采用犧牲陽極對污水系統進行保護取得了滿意的效果。當土壤或水中含有硫酸鹽還原菌, 并且硫酸根含量大于 0.5%時, 通電保護電位應達到-950 mV或更負[17]。為防止陰極保護電流的流失，在管道進、出口處設置電絕緣裝置。

3.1.3 雜散電流排流保護

管道的排流保護，根據被干擾管道的陽極區有無正負極性交變而采用不同的排流方式，無交變時采用直流排流保護，有交變時采用極性排流保護，情況較為復雜時采用強制排流保護。將雜散電流從被干擾管道排回漏泄電流的電網中，來消除雜散電流對管道的腐蝕[18]。

3.2 管道內壁防護措施

3.2.1 管道內壁防腐涂層

目前國內管道內涂環氧聚氨酯、熔結環氧粉末防腐，雖然它們都是性能優良的防腐層，但是污水會腐蝕常溫固化的環氧類的涂層，使涂層發生溶脹、斷裂。所以要針對油田污水管道選擇適用的涂層，涂料應該具有抗腐蝕性高、抗滲透性強、抗垢性好、耐水性好、耐溫性好的性能。目前研究環氧樹脂/改性雙馬來酰亞胺膠粘涂料，改性后的環氧樹脂涂層耐介質性能很好，可滿足油田高溫高流速多相流體系腐蝕的控制需要[19]。

3.2.2 應用非金屬管道

檢測及研究表明：由于污水具有很強的腐蝕性，易引起管線內部腐蝕，嚴重時污水管道比混輸管道的腐蝕速率高20～30倍，因此對于低壓污水管道，在滿足管道強度要求的情況下，推薦使用非金屬管道。低壓污水管道可以選用玻璃鋼管、鋼骨架復合管等材料，能夠有效防止管壁內腐蝕，盡可能消除或減少穿孔現象，延長管線使用壽命[20]。

3.2.3 緩蝕劑

添加緩蝕劑是一種重要而可行的防腐手段，目前油田使用較多是咪唑啉類的緩蝕劑，該類緩蝕劑對 H2S，CO2，HCl等酸性腐蝕介質有較好的抑制效果。然而復合型的緩蝕劑協同作用效果要比單一的緩蝕劑好。遼河油田石油伴生氣的緩蝕劑篩選結果表明，天成化工緩蝕劑與沈陽中科緩蝕劑復配后緩蝕率可達90% 以上[21]。盲目的選擇緩蝕劑有可能會降低防腐效果，加速管道腐蝕，因此應根據油田污水管道具體環境篩選適合的緩蝕劑，在實際體系中應該根據具體流速情況來調節緩蝕劑濃度以達到最佳緩蝕效果。

4 結 語

油氣田生產系統中，管道腐蝕問題倍受重視。尤其是污水管道腐蝕嚴重，其影響因素也比較復雜。污水管道的腐蝕控制一直是油田管道輸送的一個難題，因此要采取有效的防腐措施延緩管道腐蝕。腐蝕防護措施包括采用涂層、電化學保護、添加緩蝕劑、應用非金屬管道等，在工程實際應用中可采取多種防護措施相互結合的防護方式, 以達到有效控制腐蝕的目的。

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