天然氣地面集輸管道腐蝕原因分析及防治措施

郭奕成，劉偉旭，張藝佳

(1.國家石油天然氣管網集團有限公司建設項目管理分公司，河北 廊坊 065000；2.國家管網集團北方管道有限責任公司濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000)

管道集輸是天然氣資源運輸中最常見的一種輸送方式，具有運輸效率高、成本低以及安全性能高的特點。然而隨著天然氣地面集輸管道建設及使用規模的逐漸擴大，在天然氣的運輸過程中經常會出現管道損害問題，其中集輸管道的腐蝕問題最為常見。由于管道腐蝕而導致的天然氣泄漏，不僅會造成巨大的經濟損失，還可能對生態環境和人身安全造成嚴重的威脅[1-4]。

天然氣地面集輸管道的腐蝕一般受管道材質、天然氣組分、水相組分、酸堿性、流速、環境溫度以及壓力等因素的影響[5-9]。由于天然氣組分中一般含有一定濃度的CO2，因此，國內外學者針對CO2造成天然氣地面集輸管道腐蝕的原因及機理開展了大量的研究工作，并取得了很多成果[10-15]。西部某天然氣集輸站場部分地面集輸管道出現了比較嚴重的腐蝕問題，給天然氣的安全輸送造成了比較大的影響，因此，作者在調研分析目標天然氣地面集輸管道腐蝕現狀的基礎上，開展腐蝕原因分析，并針對性地提出切實可行的防治措施，為確保天然氣地面集輸管道的安全高效運行提供一定的技術支持。

1 天然氣地面集輸管道腐蝕現狀及原因分析

1.1 腐蝕現狀

目標天然氣地面集輸管道自2008年投入使用以來，已經連續使用十余年，近期在對集輸管道的日常檢測中發現，該集輸管道某段管線出現了比較嚴重的銹蝕現象，部分法蘭和螺栓也存在不同程度的腐蝕現象。另外，通過檢測還發現，該集輸管道內壁減薄程度比較嚴重，多處減薄率超過50%，并有4處穿孔，彎頭和直管段均出現穿孔現象，腐蝕形狀多為坑狀或片狀。

1.2 腐蝕原因分析

1.2.1 集輸管道天然氣組分分析

室內采用GCMS7600型氣相色譜-質譜聯用儀對目標集輸管道中天然氣的組分進行分析，結果見表1。

表1 天然氣組分分析結果

由表1可以看出，集輸管道中天然氣不含H2S，主要成分為CH4，其含量大于98%；C2H6和C3H8的含量均較少，分別為0.40%和0.02%；CO2的含量較高，達到了0.52%。

氣相組分中主要的腐蝕性氣體為CO2，通常情況下，CO2處于干燥狀態時不具有較強的腐蝕性，而當其溶解于水相中后，會使腐蝕介質表現出弱酸性，從而對金屬材質的集輸管道產生電化學腐蝕，在陽極端通常會生成硫化亞鐵沉淀，而在陰極端通常會發生還原反應。另外，在天然氣的輸送過程中，氣相的流動會對腐蝕產物造成一定的沖刷作用，使其不易覆蓋在金屬表面，導致腐蝕速率加快。一般CO2腐蝕為局部腐蝕嚴重，可能造成較高的穿孔率。

1.2.2 集輸管道水相組分分析

室內采用ICS-5000型多功能離子色譜儀對目標集輸管道中水相的離子組成進行分析，并根據石油與天然氣行業標準SY/T 0532-2012《油田注入水細菌分析方法 絕跡稀釋法》中的規定，對水相中微生物組成進行檢測，結果見表2。

表2 水相組分分析結果

由表2可以看出，集輸管道中水相的總礦化度較高，達到37 402.37 mg·L-1，其中氯離子的含量較高，達到22 057.65 mg·L-1；另外，水相中的細菌含量較高，硫酸鹽還原菌(SRB)含量達到1.5×105個·mL-1。

水相礦化度較高是引起管道腐蝕的一個重要原因，較高的礦化度使水相具有較高的電導率，降低了腐蝕電流的電阻，對電化學腐蝕起到一定的促進作用。另外，水相中的氯離子含量較高，也會對管道腐蝕產生一定的加速作用，氯離子的半徑很小，極易穿透金屬材質表面的鈍化膜，使其成為陽極端，其電流密度遠遠大于陰極端，容易產生坑蝕作用。

對目標集輸管道的腐蝕產物進行分析，發現腐蝕產物中含有一定量的硫化亞鐵和硫化鐵，這是SRB腐蝕產生的。天然氣組分中并不含H2S，而水相中的SRB含量較高，因此，可以確定目標天然氣地面集輸管道內存在比較嚴重的SRB腐蝕現象。

2 天然氣地面集輸管道腐蝕防治措施研究

根據目標天然氣地面集輸管道腐蝕原因分析結果，天然氣中CO2含量較高及水相的礦化度、氯離子含量、SRB含量均較高是造成腐蝕的主要原因，因此，提出了在目標天然氣地面集輸管道中添加殺菌劑和緩蝕劑的防治措施。

2.1 殺菌劑優選

室內根據石油與天然氣行業標準SY/T 5757-2010《油田注入水殺菌劑通用技術條件》中的規定，對幾種不同類型殺菌劑(SJ-1、SJ-2、SJ-3、SJ-4)的殺菌效果進行評價，并與現場用殺菌劑(XJ-1、XJ-2)進行對比，殺菌劑加量均為500 mg·L-1，結果見圖1。

圖1 殺菌劑優選實驗結果

由圖1可以看出，現場用殺菌劑XJ-1和XJ-2對SRB的殺滅效果不太理想，殺菌率分別為94.29%和97.94%。而殺菌劑SJ-2和SJ-3的殺菌效果較好，均達到了99%以上，其中殺菌劑SJ-2的殺菌效果最好，可以達到99.99%；添加500 mg·L-1的殺菌劑SJ-2后，水相中的SRB含量可以降至15個·mL-1，達到石油與天然氣行業標準SY/T 5757-2010的要求。因此，建議將目標天然氣地面集輸管道現場用殺菌劑更換為SJ-2。

2.2 緩蝕劑優選

室內采用掛片失重法對目標天然氣地面集輸管道的腐蝕速率進行測定，并以緩蝕率為評價指標，評價不同類型緩蝕劑(HSY-1、HSY-2、HSY-3、HSY-4)的緩蝕效果，并與現場用緩蝕劑(XHS-1、XHS-2)進行對比。腐蝕介質為目標天然氣地面集輸管道現場水樣，由于現場集輸天然氣中不含氧、含有CO2，應先對腐蝕介質進行除氧處理，并飽和一定濃度的CO2，模擬現場實際。此外，腐蝕掛片采用現場集輸管道鋼材加工而成，掛片尺寸為50 mm×15 mm×2 mm，實驗時間為7 d，實驗溫度為30 ℃，緩蝕劑加量均為500 mg·L-1，結果見圖2。

圖2 緩蝕劑優選實驗結果

由圖2可以看出，不同類型的緩蝕劑對目標天然氣地面集輸管道掛片的緩蝕效果差別較大，其中現場用緩蝕劑XHS-1和XHS-2的緩蝕效果稍差，緩蝕率分別為81.62%和77.58%；緩蝕劑HSY-4的緩蝕效果最好，緩蝕率達到90%以上。因此，建議將目標天然氣地面集輸管道現場用緩蝕劑更換為HSY-4。

進一步對緩蝕劑HSY-4加量進行優選，結果見圖3。

圖3 緩蝕劑HSY-4加量對緩蝕效果的影響

由圖3可以看出，隨著緩蝕劑HSY-4加量的增大，緩蝕率逐漸升高，當其加量為1 000 mg·L-1時，緩蝕率可達到95%以上；繼續增大其加量，緩蝕率升幅不明顯。因此，緩蝕劑HSY-4的最佳加量為1 000 mg·L-1。

2.3 綜合防腐蝕效果評價

為了最大限度地提高防腐蝕效果，并節約藥劑用量，將殺菌劑SJ-2和緩蝕劑HSY-4聯合使用進行加量優化實驗，結果見表3。

由表3可以看出，當殺菌劑SJ-2加量為500 mg·L-1、緩蝕劑HSY-4加量為1 000 mg·L-1時，殺菌率和緩蝕率均達到最高，分別為99.99%和96.72%；保持緩蝕劑HSY-4加量不變、減少殺菌劑SJ-2加量時，緩蝕率變化不明顯，而殺菌率則明顯降低；保持殺菌劑SJ-2加量不變、減少緩蝕劑HSY-4加量時，殺菌率沒有變化，而緩蝕率則明顯降低。綜合來看，當殺菌劑SJ-2加量為500 mg·L-1、緩蝕劑HSY-4加量為800 mg·L-1時，殺菌率和緩蝕率均較高，此時殺菌率為99.99%，緩蝕率可達到95%以上，具有良好的綜合防腐蝕效果。

表3 殺菌劑SJ-2和緩蝕劑HSY-4聯合使用的加量優化實驗結果

3 結論

(1)目標天然氣地面集輸管道存在比較嚴重的腐蝕問題，分析認為造成管道腐蝕的主要原因為天然氣中CO2含量較高及水相的礦化度、氯離子含量、SRB含量均較高。

(2)室內優選出了比現場用殺菌劑和緩蝕劑性能更優的殺菌劑SJ-2和緩蝕劑HSY-4，其最佳使用方案為：500 mg·L-1殺菌劑SJ-2+800 mg·L-1緩蝕劑HSY-4，此時殺菌率可以達到99.99%，緩蝕率可以達到95%以上，能夠滿足目標天然氣地面集輸管道的防腐蝕要求，可以有效延長集輸管道的檢修周期和使用壽命。