石油管道防腐機理與技術探究

吳金萍

(國家管網集團西南管道有限責任公司蘭成渝輸油分公司，四川 成都610000)

在石油管道的生產制造、安裝敷設和使用維護等階段，防腐處理是共同關注的焦點。特別是對于一些使用年限較長的老舊石油管道，或者是在石油含水率較高的情況下，管道內壁腐蝕的情況尤為嚴重。我國每年因石油管道腐蝕引發的石油泄漏事故屢見不鮮，由此帶來的環境污染和經濟損失也特別嚴重。明確石油管道的腐蝕類型和腐蝕機理，進而采取針對性的防腐技術，能夠更好地提升防腐效果。除此之外，新材料、新工藝的研發和應用，在降低防腐成本和增強防腐效果方面也有積極作用。研發和推廣石油管道防腐新技術已成為當下石油行業工作人員的重要研究課題。

1 石油管道腐蝕常見類型與內在機理

1.1 硫化氫腐蝕

硫化氫(H2S)是一種溶解度極高的氣體，干燥狀態下不會對金屬管道產生腐蝕，但是在溶于水之后，發生離解并使水體呈酸性，從而對金屬產生腐蝕。H2S徹底離解后，得到H+和S2-兩種離子，腐蝕機理為：

陽極：Fe→Fe2++2e；陰極：2H+2e→Had→H2。

研究發現，當石油中硫化氫濃度較低時，腐蝕產物以硫化鐵(FeS)為主，它能夠附著在金屬管道內壁上，形成一層致密的膜，起到保護金屬管道的作用，延緩腐蝕進程；當石油中硫化氫濃度較高時，腐蝕產物以二硫化鐵(FeS2)、四硫化三鐵(Fe3S4)為主，這兩種化合物為疏松的層狀結構，會進一步加快腐蝕速率。除了硫化氫濃度影響石油管道腐蝕速率外，如果石油管道內壁上出現裂紋，也會為溶液中H+的富集提供良好條件，因此裂縫處腐蝕情況會更加明顯。

1.2 二氧化碳腐蝕

二氧化碳(CO2)溶于水后，得到呈弱酸性的碳酸，溶液中游離的H+具有極強的氧化性，會促使陽極鐵溶解，從而對金屬管道產生腐蝕。其腐蝕機理為：

陽極：Fe→Fe2++2e；陰極：H++2e-→H2。

在pH相同的情況下，二氧化碳溶于水后形成的碳酸，其腐蝕速率高于鹽酸；在相同的溶液中，溫度與腐蝕速率呈正相關關系，即溫度越高，石油管道腐蝕速率越快。除此之外，二氧化碳還能與硫化氫產生協同腐蝕，當石油管道內同時存在兩種氣體時，腐蝕速率會進一步加快。

1.3 空泡腐蝕

在石油管道內，當石油以較快速度流動時，在管道表面會產生若干渦流，在發生渦流處有不同數量的氣泡快速生成、破滅，瞬間破裂的氣泡會產生沖擊力，長此以往就會在管道表面出現磨蝕痕跡，這種現象稱為空泡腐蝕。在腐蝕現象出現的早期，多以管道內壁出現蜂窩或裂紋為主，隨著腐蝕的加重，零散分布的空洞、裂縫會不斷擴大并連接成片，最終形成氣蝕斷裂。影響空泡腐蝕速率的有多種因素，其中又以流體含氣量影響最大。含氣量越高的情況下，石油撞擊管道內壁產生的氣泡數量也會越多，從而使得腐蝕范圍更廣、腐蝕速度更快。

1.4 湍流腐蝕

石油在管道內以較快速度流動時，流體與管壁之間存在一定的摩擦力，石油管道投入使用的年限越長，因為摩擦力而造成的磨損情況會變得越嚴重，從而形成磨蝕損壞。其中，因為湍流而引發的磨蝕，又稱為湍流腐蝕。相比于普通的磨蝕，湍流腐蝕對石油管道造成的破壞更加明顯，一方面是因為湍流的存在，使得腐蝕介質與金屬管道的接觸更加頻繁，另一方面是因為湍流的存在，使金屬表面產生了額外的切應力，由石油流體帶來的切應力會加速管道內壁松腐蝕產物的剝離，從而加快了腐蝕速率，在相同時間內管道腐蝕情況也會變得更加嚴重。

2 石油管道內壁防腐技術

2.1 緩蝕劑技術

按照主要成分的不同，石油管道防腐中常用的緩蝕劑有鏈狀有機胺緩蝕劑、季銨鹽緩蝕劑、咪唑啉緩蝕劑等若干種類型；按照電化學作用機理的不同，又可以將其分為陽極型、陰極型和混合型緩蝕劑。雖然在具體分類上有所差異，但是其防腐機理和使用方法大體相同。在石油管道的起始位置，向石油中加入適量的緩蝕劑，之后在緩蝕劑的作用下，管道內壁上會形成鈍化膜、沉淀膜等不同類型的保護膜。根據膜的具體類型，有的是起到降低摩擦阻力的效果來削弱腐蝕，有的是起到保護金屬材料的效果來延緩腐蝕。相比于內涂鍍層等常用防腐技術，加入緩蝕劑進行管道防腐，具有操作更加簡單、綜合成本更低的優勢，另外其還具有很強的環境適應性，是油氣工業中比較常見的一種防腐技術。

2.2 內涂鍍層技術

在石油管道內壁均勻噴涂一層惰性防腐材料，一來可以使原本粗糙的管道表面變得光滑，減小石油流動使的摩擦系數，二來可以發揮對金屬管壁的保護作用，防止酸性或鹽類物質的腐蝕。根據使用材料的不同，目前常用的內涂鍍層技術又可以分為環氧粉末涂敷和液體環氧涂料噴涂兩種。

2.2.1 環氧粉末涂料

這類涂料具有諸多性能優勢，例如附著力強，噴涂前只需要做好管道內壁表面的清理即可，不需要提前噴涂底漆，工序較為簡單，作業相對方便；還有就是流平性較好，能夠形成厚度均勻、密度一致的保護層，既保證了管道內壁光滑，又可以發揮很好的防腐效果。按照微觀組分的不同，又細分為雙氰胺固化環氧粉末涂料、酚醛固化環氧粉末涂料、環氧聚酯粉末涂料等若干種類。不同類型的涂料在實用功能和化學性質上存在差異，在噴涂作業時要根據所選材料的類型確定最佳的噴涂方式。

2.2.2 液體環氧涂料

這類涂料在使用時，需要配合使用固化劑，并根據產品說明書將液體環氧涂料和固化劑進行配比，充分拌勻后使用。噴涂時，做好石油管道內壁的清潔處理，除了清理表面的灰塵、松散的金屬顆粒外，還要采取噴丸除銹的方式，將管道內壁局部生銹的地方打磨干凈。之后從石油管道的一端，連接空氣壓縮機，使用干燥、無油的空氣將管道內的鐵銹、砂粒等清理干凈，之后再噴涂液體環氧材料。目前的噴涂方式有多種，比較簡單的有空氣噴涂，以及近年來出現的旋杯靜電噴涂等。噴涂前通過搖晃使材料混合均勻，裝入專用的噴涂設備中，調節好參數后，在管道內壁上噴出涂料，硬結后得到一層密致且均勻的防腐層。為了提升防腐效果，通常需要在第一遍噴涂結束后，間隔2h左右再噴涂第二遍。之后靜置約6h，使用內窺鏡進行檢查，以判斷噴涂效果是否達標，以表面光滑、無氣泡為宜。使用無損檢測儀，以判斷噴涂厚度是否一致。

2.3 陰極保護技術

電化學腐蝕也是石油管道內壁腐蝕的一種常見形式，陰極保護技術對防止此類腐蝕有顯著作用。外加電流的陰極保護法需要從外部通入電流，抵消腐蝕電池產生的電流，進而達到延緩或阻止電化學腐蝕的效果。但是考慮到石油管道的跨度較大，每隔一段距離設置一處電源提供電流，一來施工比較繁瑣，二來也無法保證電流供給的穩定性。因此，犧牲陽極的陰極保護法在經濟性、實用性上有更為突出的優勢。其原理就是把一塊活潑性較強的金屬塊，放置于石油管道上，這樣當發生電化學腐蝕時，首先消耗金屬塊，從而達到了保護金屬管道的目的。

2.4 耐蝕性基材

上述幾種防腐技術都是采用外部手段保護石油管道，而挑選耐蝕性基材則是從根本上增強石油管道的防腐能力，是一種性價比更高的防腐措施。根據基材種類的不同，大體可分為金屬基材和非金屬基材2種。前者又細分為合金、不銹鋼等類型，例如13Cr馬氏體不銹鋼，無論是在酸性環境下，還是長期與鹽類接觸中，都能保證石油管道不受腐蝕；鐵鎳合金的耐蝕性優越，且不容易出現裂紋、蜂窩，對防止點狀腐蝕、縫隙腐蝕有良好效果，此外還有極強的力學性能，有助于提高石油管道的承壓能力。后者又細分為塑料、橡膠、陶瓷等類型，除了增強耐腐蝕能力外，還具有一定的環保效益，也是目前石油管道加工制作中較為常用的耐蝕性基材類型。

2.5 襯里技術

該技術的原理是在石油管道內增加內襯，并且保證與管道內壁緊密貼合，除了提高管道耐腐蝕、耐磨蝕性能外，還具有承壓、阻垢的效果，對延長石油管道整體壽命也有積極效果。翻轉內襯是一種比較成熟的襯里工藝，防腐機理選用的是具有防滲效果好、耐腐蝕能力強的復合纖維軟管，將其放入環氧樹脂中浸泡，以空氣作為動力，將軟管置于石油管道內。待樹脂材料干燥后，將軟管與金屬管道緊密連接成一體，以軟管作為內襯，起到保護金屬管道的作用。這種技術適用于那些地下管線較為復雜、作業難度較大的情況，使用該技術能夠簡化操作、節約成本。有研究表明，相比于未采取任何防腐措施的石油管道，采用翻轉內襯法處理的石油管道，其壽命可延長20-30年。

3 玻璃鋼內襯管防腐技術的應用

3.1 技術優勢

玻璃鋼(FRP)是一種由玻璃纖維和合成樹脂組合而成的復合材料，將其作為石油管道的內襯，一方面是利用其耐腐蝕、不結垢的特點，發揮理想的防腐效果；另一方面，利用其質輕而硬、機械強度高的特點，從內部發揮對管道的支撐、加強作用。在選用玻璃鋼時，不同類型的合成樹脂會對玻璃鋼的性能產生直接影響，例如雙酚A型聚酯對堿性腐蝕的抗性較好，而氯氤酸型聚酯對酸性腐蝕的抗性更強，呋喃樹脂在高溫環境下不容易發生變形，乙烯基酯樹脂在強氧化環境下也能保持物理與化學性質的穩定。因此，在技術應用時，根據石油管道的運行環境和防腐要求，科學選擇恰當類型的合成樹脂，與玻璃纖維混合制成玻璃鋼材料，對提高石油管道的防腐效果有積極作用。

3.2 施工要求

在安裝玻璃鋼之前，要做好石油管道內部處理。要求石油管道沒有明顯變形，并且提供足夠的剛度。在金屬管道的焊接處，不允許有毛刺、焊渣，如果有異常凸起要使用砂輪進行磨平。檢查管道內壁有無銹蝕情況，如果有也要除銹，保證內壁光滑，呈銀灰色。使用清潔、干燥的空氣吹凈，然后均勻涂刷一層底漆。盡量選擇收縮率小、粘結性強的樹脂材料作為底漆，優先考慮環氧樹脂、酚醛樹脂。噴涂底漆應保證均勻，為下一步安裝內襯玻璃鋼管創造良好的環境。將準備好的玻璃鋼管放置于內襯機的管坯架上，使用兩側的夾具進行固定，然后由內襯機提供進給動力，推動玻璃鋼管進入到涂有底漆的石油管道內，將端口封閉后完成內襯施工。

3.3 質量檢查

完成內襯施工后，還要對石油管道的玻璃鋼內襯層進行質量檢查，確保達到理想的防腐效果。根據檢查項目的不同，選擇相應的檢查方法，例如裂紋、氣泡檢查，可以使用目視法，或者是內窺鏡法；內襯層厚度檢查，則需要借助于單面測厚儀等專用設備。按照相關標準，使用雙層布的玻璃鋼，厚度不得低于0.5mm；使用四層布的玻璃鋼，厚度不得低于1.0mm。使用工具將玻璃鋼內襯管切開，得到20mm×40mm的長方形切口，觀察玻璃鋼與金屬管之間的粘結效果，如無明顯分層或夾雜氣泡即為合格。

4 結束語

做好石油管道防腐工作，對維護石油公司自身利益，以及保障不同地區用油需求，促進社會經濟穩定的發展有積極影響。現有的防腐技術體系中，既有“治本”的技術措施，如在石油管道生產、制造階段，選用橡膠、不銹鋼等耐蝕性基材，或者是加入玻璃鋼作為襯里等，從源頭上增強石油管道的耐腐蝕能力；也有“治標”的技術措施，如安裝活潑金屬作為陽極，保護陰極管道免遭腐蝕。無論選擇何種防腐技術，都必須熟悉防腐機理和掌握操作技術，并定期做好防腐效果觀測，才能切實保護石油管道的使用安全。除此之外，石油公司應密切關注行業新技術、新材料和新工藝的發展動態，不斷創新防腐技術，使得石油管道防腐性能得到持續性提升。