LNG接收站海水管道腐蝕與防護

王興龍，許穎，王曉陽，李小燕

(1.中海油石化工程有限公司管道室，山東 濟南 250101；2.中海油石化工程有限公司儲運室，山東 濟南 250101；3.上海液化天然氣有限責任公司擴建項目部，上海 200020)

1 前言

LNG接收站作為液化天然氣的接收終端，承擔了液化天然氣的接收、存儲和氣化等功能，為了滿足市場燃氣需求，國內(nèi)加快了沿海地區(qū)LNG接收站的布局，而在沿海地區(qū)，海水作為最廉價又最容易獲取的流體介質(zhì)，大量用于LNG的氣化換熱和消防。海水中鹵素離子、硫酸鹽離子等濃度非常高，且海水溶氧和海水泥沙的沖刷，給海水管道造成了嚴重的腐蝕風險，海水管道材料的研究越來越受到重視。本文只研究管道內(nèi)部腐蝕。

2 常見海水管道腐蝕

沿海海水含鹽量和含沙量一般較高，以東部沿海某接收站為例，海水累年最高含鹽度34.8%，海水最高泥沙含量4kg/m3以上。海水管道腐蝕常見的主要有：金屬管點蝕、系統(tǒng)腐蝕、電化學腐蝕、沖刷腐蝕和海生物腐蝕等。

金屬管道點蝕和系統(tǒng)腐蝕。碳鋼和低合金鋼的成本很低、產(chǎn)量較大，且強度高、韌性好，早期應用于沿海工業(yè)項目海水管道。在沒有內(nèi)部防護措施的情況下，海水含有大量的氯離子、硫酸鹽和碳酸根離子等，在海水的反復沖刷和氧氣環(huán)境下，碳鋼管道發(fā)生系統(tǒng)的腐蝕，而氯離子和溴離子加速了管道的侵蝕，造成管道大面積失效。不銹鋼管道也廣泛應用于海水系統(tǒng)設備、管道、儀表件等，鹵素離子破壞并穿透不銹鋼管道表面鈍化膜，導致點蝕、穿晶和沿晶應力腐蝕，進而導致蝕坑加深和鋼管開裂[1]。

電化學腐蝕。海水管道材質(zhì)一般與閥門和設備的材質(zhì)有區(qū)別，海水閥門常用材料是銅鎳合金、雙相鋼和鋼襯膠，儀表和設備材料選用鈦材、316系列、蒙耐爾等，管道采用碳鋼內(nèi)襯復合材料或者不銹鋼等，鋼管內(nèi)襯層破損之后，碳鋼管道基體裸露，不同的金屬電位有不小的差異，在同一電解質(zhì)環(huán)境中，各種因素的組合構(gòu)成了電化學腐蝕循環(huán)，如果碳鋼基體的電位較高，碳鋼的腐蝕速度將加快。海水中的氧隨著管道系統(tǒng)的運行擴散到金屬表面，進而氧的去極化作用加劇，也會導致管道的電化學腐蝕速率加快。

沖刷腐蝕。海水含沙量很高，且部分地區(qū)砂礫的硬度較大，顆粒較大，海水泵口管道、流向急劇變化的管道等，海水和鹽、沙對管道內(nèi)壁會形成較大的沖刷力，管道磨損比較嚴重，鋼管的表面內(nèi)襯層在海水沖刷下，逐漸減薄鼓泡甚至破損，多處內(nèi)襯層的破損，逐漸導致內(nèi)襯層的剝離。鋼質(zhì)管道如316系列鋼管，鋼管表面致密的氧化膜會在海水沖刷作用下破損，進一步導致鋼管腐蝕。

海生物腐蝕。體積較小的近海海生物可能伴隨海水進入管道系統(tǒng)，海水中含有一定的溶解氧量，隨著時間的發(fā)展，海生物逐漸變大增多，不僅導致管道內(nèi)部粗糙度增大，增大了流體阻力，而且海生物釋放的二氧化碳和硫化氫等加速了海水系統(tǒng)的腐蝕能力，加速了管道的腐蝕老化。

3 海水管道材質(zhì)分析

3.1 碳鋼表面處理復合管

碳鋼管道輸送海水介質(zhì)，發(fā)生接觸腐蝕，但如果對碳鋼管道做可靠的內(nèi)防腐處理，既能保證海水系統(tǒng)的有效運行，又充分利用碳鋼管道造價低，強度高的優(yōu)點。鍍鋅碳鋼鋼管廣泛應用于LNG接收站海水消防系統(tǒng)，而鍍鋅又分為熱鍍鋅和冷鍍鋅，熱鍍鋅常見工藝是熱浸鍍鋅，熔融的金屬鋅與碳鋼結(jié)合，形成結(jié)構(gòu)緊密的鋅合金層，而冷鍍鋅一般鍍鋅層厚度較薄，附著力較差，相對于熱鍍鋅鋼管的使用年限較短，一般不到5年，鍍鋅層就可能出現(xiàn)破損脫落，目前已經(jīng)被國內(nèi)外禁用。

碳鋼內(nèi)部涂敷熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層，一次成膜，與鋼管的粘結(jié)性較好，早期一些工程海水系統(tǒng)參照AWWA C213《給水鋼管的內(nèi)、外層熔化粘結(jié)環(huán)氧涂層》標準對鋼管做內(nèi)防腐處理，并取得了較好的社會效益，國內(nèi)最早的依據(jù)是由中國石油天然氣總公司編制的SY/T0442《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術標準》，相對于碳鋼鍍鋅層，其耐磨性和耐蝕性更高，早期應用于海洋平臺海水系統(tǒng)、LNG接收站海水系統(tǒng)等鋼管的內(nèi)防腐。碳鋼涂塑管道，如碳鋼內(nèi)部涂覆聚丙烯等防腐層已經(jīng)應用于海水系統(tǒng)，并取得了一定的防腐效果，但由于耐沖刷能力低，較少用于LNG接收站海水管道。碳鋼襯膠防腐系統(tǒng)一般應用于閥門、儀表件等，由于制造和成型工藝較復雜，造價相對也較高，很少應用于管道內(nèi)防腐。

碳鋼襯水泥砂漿防腐層，早在秦山核電站一期的時候，已經(jīng)應用在海水管道上[2]，性質(zhì)較為穩(wěn)定，而且由于海水添加的海生物抑制劑腐蝕性較強，水泥砂漿內(nèi)襯層相對于環(huán)氧襯里、塑料襯里和橡膠襯里的耐用性更高，而且由于水泥砂漿的抗壓強度高、耐剝離強度更高，耐沖刷能力更好。國內(nèi)早期市政供排水系統(tǒng)和工業(yè)海水系統(tǒng)是依據(jù)美國水行業(yè)協(xié)會標準AWWA C205和AWWA C602，國內(nèi)早期應用轉(zhuǎn)化的標準是石油天然氣行業(yè)標準SY/T 0321和由北京市市政設計研究院編制的CECS 10:89標準。但水泥砂漿內(nèi)襯層顆粒大、質(zhì)地疏松，粗糙度更高、流體阻力更高，隨著管道系統(tǒng)的運行，水泥砂漿層可能出現(xiàn)裂縫、蜂窩狀小洞、粉化等破損類型。

單一的防腐層難以持續(xù)長久的對鋼管進行防護，而碳鋼內(nèi)襯復合材料配合陰極保護系統(tǒng)作為聯(lián)合防護方案，較為廣泛的應用于海水系統(tǒng)管道防護。陰極保護一般分為犧牲陽極保護和強制電流保護，犧牲陽極保護一般是由電位更低的活潑金屬與被保護的碳鋼管道相連，管道充當原電池的陰極，因此在陽極塊的犧牲下，管道一直處于被保護的狀態(tài)。強制電流系統(tǒng)是由外加電源提供電子，使管道處于得電子的被保護狀態(tài)。

3.2 不銹鋼管和雙相鋼管

不銹鋼管在海水淡化等工程中大量應用，低碳奧氏體鋼304L由于點蝕速率太快，已經(jīng)極少用于海水系統(tǒng)，而316系列鋼管尤其是316L管道由于鉬等元素的存在和含碳量低等，耐點蝕能力、耐晶間腐蝕能力大幅度提高，目前仍廣泛應用LNG接收站海水儀表件、設備和其他工業(yè)鹽水管道。雙相鋼管道由于存在穩(wěn)定的鐵素體和奧氏體兩相組織，不是僅依靠鋼管表面的鈍化膜來防止鹵素離子侵蝕，雙相鋼耐點蝕當量PRE值更高，但由于造價較高，焊接要求非常高，難以廣泛應用，目前主要是用在閥門、設備等特殊部位。

3.3 銅鎳合金管

目前小口徑(4"及以下)銅合金管在LNG接收站中廣泛應用于海水系統(tǒng)，而且展現(xiàn)出了良好的耐蝕性、較小水力學流體阻力等特性。此外，海洋平臺3"以下的海水管道也廣泛應用了銅鎳合金管。銅鎳合金管線膨脹系數(shù)大，焊接要求較高，而且對管道流速的要求較為苛刻[3]，目前主要是應用在小口徑海水管道上。

3.4 非金屬管

GRP玻璃鋼管是由玻璃纖維增強的樹脂基體管，具有良好的耐腐蝕性能、內(nèi)壁粗糙度小、水力流體阻力非常小，而且壽命較長，近些年廣泛應用于LNG接收站海水管道，設計使用壓力等級一般不超過PN16。GRP玻璃鋼管道一般分三層，內(nèi)襯防腐層、結(jié)構(gòu)層和外保護層，內(nèi)襯防腐層一般選用更耐腐蝕的乙烯基樹脂，內(nèi)襯層和外保護層采用間苯樹脂等，既充分發(fā)揮了乙烯基樹脂的耐蝕性、間苯樹脂良好的機械強度，又考慮了方案的技術經(jīng)濟性。GRP玻璃鋼管道連接型式多樣，地下管道常用的是雙O型圈承插連接，管道與管件連接多用粘接。GRP玻璃鋼管道相對于碳鋼內(nèi)襯復合管道，劣勢在于剛度低、強度小、熱膨脹系數(shù)大而且防火效果差，不適合應用在LNG地上海水管道，而且對于地基要求高，如果所在地區(qū)地質(zhì)沉降較為嚴重，必須為GRP玻璃鋼管道的敷設做好地基。

GRE管結(jié)構(gòu)設計與GRP管類似，但樹脂采用雙酚A、環(huán)氧氯丙烷等環(huán)氧樹脂，相對于GRP管，GRE管的承壓能力更高，近些年多用于LNG接收站海水消防管。由于防火性能的要求，國內(nèi)GRE廠家還沒有LNG項目的應用業(yè)績，目前LNG接收站GRE管的設計和供貨基本上都被國外廠家壟斷。

4 海水管道防護

LNG接收站海水管道的設計和防腐是一個技術經(jīng)濟學問題，建設和設計單位在工程造價和維護費用中選擇一個平衡，既要保證安全運行，盡量延長管道使用壽命，又要考慮造價。碳鋼內(nèi)襯復合管的內(nèi)襯材料選擇，應充分考慮各種材料的優(yōu)缺點和項目特點，選擇合適的材料。表1是各種管道材料的性能對比，工程設計人員可以根據(jù)各種材料的優(yōu)缺點斟酌選用。

表1 各種海水管道材料性能

不銹鋼、經(jīng)過表面處理的碳鋼應與陰極保護系統(tǒng)配合，為了避免犧牲陽極防護系統(tǒng)的壽命短、保護距離短、電位不易控制等不利因素，盡量選擇強制電流陰極保護系統(tǒng)。

5 結(jié)論

通過各種海水管道材料的性能分析和比較，對LNG接收站海水管的設計提供了參考，各接收站可以根據(jù)項目具體情況，結(jié)合各種材料的應用經(jīng)驗，選擇合適的材料。