石油天然氣管道腐蝕與防護

汪仙明　靳培培　王傲　曹瑞麒　舒琦琳

摘? ? ? 要：石油與天然氣管道受到自身管材質量、運輸介質、鋪設環境和管理設計的影響，管道的腐蝕在所難免，這將增加油氣泄漏的風險，油氣泄漏會對人體、環境和經濟帶來巨大的危害。本文對探討了防腐蝕技術，包括陰極保護法、緩蝕劑技術、防腐涂層技術、補口技術和復合管技術；介紹了常用的腐蝕檢測技術，包括磁力檢測技術和超聲導波技術；對腐蝕預測技術以及現今的一些研究成果進行了分類和總結。；指出我國中國的防腐、檢測和預測技術仍有很大的提升空間，環保、高效和適應苛刻環境的腐蝕防護技術與智能化的腐蝕檢測和檢測技術是未來重要的研究方向。

關? 鍵? 詞：石油； 天然氣； 管道腐蝕； 防護； 檢測； 預測

中圖分類號：TE985.8? ? ?文獻標識碼： A? ? ?文章編號： 1004-0935（20202023）0×11-00001602-0×４

由于油氣分布于與市場分布不一致，需要進行資源的調配。管道運輸與其他運輸方式相比，具有成本低、效率高、建設周期短、安全無污染、能輸送液體、氣體及漿體等多種介質、可穿過各種區域等優點，。我國石油與天然氣運輸多以管道運輸為主。金屬管道受到運輸介質和環境因素的影響腐蝕在所難免，受到腐蝕的管道使用壽命、可靠性和安全性都會降低。管道腐蝕導致的油氣泄漏不僅給企業帶來經濟上的損失，而且會給人體和環境造成巨大的破壞，且隨著人們環保意識的提高，油氣的泄露泄漏對環境造成的危害越來越被人們所重視，所以油氣管道的腐蝕與防護研究具有十分重大的意義。

本文對探討了常用的防腐蝕技術，包括陰極保護法、緩蝕劑技術、防腐涂層技術、補口技術和復合管技術；介紹了常用的腐蝕檢測技術：，包括磁力檢測技術和超聲導波檢測技術；對腐蝕預測技術以及現今的一些研究成果進行了分類和總結。；指出我國的防腐技術仍有很大的提升空間，環保、高效的腐蝕防護技術與智能化的腐蝕檢測和檢測技術是未來重要的研究方向。希望本文能對管道的腐蝕與防護提供參考依據，以達到減小油氣泄漏風險、保護環境和減小經濟損失的目的。

1? 管道防腐機理

管道腐蝕主要有兩種形式：內腐蝕和外腐蝕。管道材質、運輸介質、環境、管理和設計都是造成管道腐蝕的關鍵因素[1]。管道質量因素：現今油氣運輸多以金屬性很強的鋼材作為管道材料，鋼管受到其周圍環境介質的電化學、化學和物理等作用會引起失效破壞即腐蝕[2]。運輸介質因素：輸送的油氣介質中往往含有水蒸氣、SO2、H2S和CO2等，反應生成的化合物造成管道堵塞，導致管道進一步腐蝕。環境因素：油氣管道往往鋪設于地下，管道外表面被土壤覆蓋，土壤中含有水、雜散電流和各種鹽，并且內部有微生物及細菌，這些導致油氣管道發生化學腐蝕和電化學腐蝕。油氣輸送過程中往往伴隨著應力，應力導致的波動造成管道腐蝕和輕微破裂，長時間的膨脹擴張會導致形成大型破口。管內油氣和管外雨水的沖刷會導致管道金屬表面不斷裸露，導致腐蝕的出現。管理設計因素：管理人員專業程度不夠和管道的裝卸、安放和施工不符合規范都會對導致管道的腐蝕。

2? 管道防腐技術

2.1? 陰極保護技術

陰極保護法是是一門被廣泛運用且相對成熟的油氣管道保護技術。陰極保護法根據供電電流方式不同可以分為：外加電流陰極保護法和犧牲陽極陰極保護法。保護方法的選擇應根據實際的環境和管道參數，一般情況下采用外加電流陰極保護法，選取石墨等優質材料充分發揮陰極保護法的作用。在穿跨越鐵路、公路、河流或江河帶等情況下，由于管道帶的套管具有屏蔽作用，宜采用鋅、鎂、鋁及其合金陽作等為陽極的犧牲陽極保護法。陳波[3]等[3]運用陰極保護數學模型準確的地對某在役海管及其犧牲陽極保護系統進行了評估，為其確定了最優的犧牲陽極保護方案，為陰極保護法的選取提供了參考。油氣管道存在防腐涂層、土壤環境、雜散電流和管道并行等復雜情況，同時磁暴現象會使油氣管道內產生地磁感應電流，對陰極保護設備產生干擾[4]，陰極保護在油氣管道保護中的運用還有許多問題有待研究。

2.2? 緩蝕劑技術

緩蝕劑防腐機理：緩蝕劑通過分子上極性基團的物理吸附和化學吸附或者兩者結合在管道表面形成保護層減緩腐蝕。物理吸附特點：吸附速度比較快且具有一定可逆性，。化學吸附特點：吸附能力較強、不可逆、速度較慢。油氣管道防腐緩蝕劑主要為咪唑啉類、胺類、有機磷酸鹽類、嗎琳類、炔醇類，包括 N、P、S 和 O的雜環化合物等等。國內外學者對緩蝕劑做了許多研究，崔銘偉[5]等[5]選擇四4口井進行一種新型緩蝕劑的驗證，結果表明此種緩蝕劑對不同材質的實驗井的緩蝕效果都在80%以上，對20#鋼和N80的緩蝕效果相近且優于16 Mn。封子艷[6]等[6]研發了一種新型的的咪唑啉衍生物緩蝕劑，此緩蝕劑組分為20%緩蝕劑主劑+ 10%阻垢劑+ 4%分散劑+ 3%協同增效劑+ 63%水時緩蝕效果最佳，優于其他四4種做對比的緩蝕劑。研究結果還表明緩蝕劑助劑影響效果由大到小順序為：協同增效劑>、阻垢劑>、分散劑。JEVREMOVIC[7]等[7]研究了將緩蝕劑注入到泡沫基中對低碳鋼緩蝕的新方法，研究表明使用含有TOFA/DETA咪唑啉緩蝕劑的泡沫進行周期性處理，可以有效地降低低碳鋼的頂部腐蝕。緩蝕劑防腐技術因其具有操作簡單、成本較低、見效快等優點而具有廣闊的應用前景，。同時，適用于復雜多樣環境（，如高溫高壓、介質高速流動、存在剪切應力）的緩蝕劑依舊需要進一步的研究[8]。

2.3? 防腐涂層技術

防腐涂層是一門簡單、快捷、有效的防腐技術，擁有制備工藝簡單、成本低、并且不受地域限制的特點。在油氣管道的表面增加一層防腐涂層不僅可以隔絕外界電流，而且可以防止一些植物根莖的穿過，對油氣管道起到了有效的防腐作用。防腐涂層的種類有很多，如常溫固化陶瓷防腐反腐涂層、液體聚氯脂涂層、三層復合涂層、聚乙烯膠黏帶、熔結環氧粉末、石油瀝青、擠出聚乙烯、煤焦油瓷漆以及環氧煤瀝青等[9-12]。對新型防腐涂層、防腐材料的研究是金屬防腐的熱點趨勢之一，新型防腐涂層不僅著重于防腐而且還著眼于超疏水、防污、自愈、耐熱和抗菌等附加功能的研究。孫垚垚[13]等[13]對石墨烯防腐涂層進行了研究，研究指出石墨烯的防腐機理在于屏蔽、緩蝕、加固和陰極保護作用，并對其存在的易團聚、難定向排列、自身結構有缺陷等問題提出來改進措施。目前對石墨烯防腐的研究還是比較匱乏少，使用不當不僅起不到防腐的作用還會促進腐蝕，阻礙了這一防腐涂料的運用和發展。氧化石墨烯結構強度與石墨烯相似，具有優越的機械其強度、化學和熱穩定性，被認為是一種優秀的石墨烯替代品。氧化石墨烯不僅具有疏水性，而且能減少腐蝕物質的吸附和遷移，有效提高復合涂層的耐腐蝕性[14]。DAN[15]等[15]利用原子聚合法將聚氨酯（ （PU） ） /聚環氧丙烷與氧化石墨烯（ （GO-g- PPO ））接枝。研究顯示，GO-g- PPO-16復合材料在PU涂層中均勻分散，大幅度提升了PU / GO-g- PPO-16復合涂層的防腐性能。同時實驗結果顯示：，當GO-g-PPO-16復合材料在PU涂層中的固含量為0.08 wt.%（質量分數）時，在質量分數3.5 wt % NaCl（ aq.）溶液中浸泡168 h后，涂層的電阻是PU涂層的50倍。

2.4? 補口技術

補口技術使用打底漆料涂抹于腐蝕缺口，外部往往利用聚乙烯膠帶纏繞，從而提高管道外部性能對油氣管道進行有效保護。石油管道出現缺口時用補口技術進行修補可以保證管道的完整性，常用的補口技術有：熱瀝青澆注補口技術、聚乙烯材料補口技術。補口技術在保證管道完整性上起著重要的作用，補口的失效會導致管道出現腐蝕缺陷。國內石油與天然氣管道多使用3LPE防腐蝕涂層，與之對應的補口材料一般是熱收縮帶，而熱收縮帶的失效將導致油氣泄漏的風險。李海坤[16]等[16]研究了熱收縮帶老化后熱熔膠的降解情況、老化不同溫度和時間老化后的吸水率、剝離強度與破壞性質、吸水率、熱熔膠降解之間的關系。研究顯示：，熱收縮帶的失效和剝離試驗中破壞性質、熱熔膠高溫吸水率相關性較高，而與熱熔膠降解相關性較低，穩定性較高的是發生內聚破壞和熱熔膠高溫長期吸水率低的熱收縮帶。楊輝[17]等[17]研究了一種利用漏磁內檢測技術對管道補口進行失效分級評價的方法，并建立了響應準則，從現場應用結果來看此方法識別、符合率較高，滿足現場需求。

2.5? 復合管技術

復合管技術具有力學性能好、耐腐蝕和經濟性好等特點，以雙金屬襯里復合管最為常見，由內層襯管和外層基管組成。陳俊文[18]等[18]建立了雙金屬襯里復合管制管過程力學分析有限元模型，對制管過程進行了仿真模擬；。研究表明：，雙金屬襯里復合管兩管的緊密度隨著內壓的增大而增大，隨著兩種材料膨脹系數的差增大而減小，為提高緊密度可以適當的增加內壓、減小兩材料的體膨脹系數差。雙金屬復合管材料因其材料特殊導致焊接困難，容易出現焊接缺陷[19]。曾德智[20]等[20]通過建立整管段試件試樣有限元力學模型對X52/825冶金復合管焊接接頭的腐蝕性能進行評價，。研究顯示：，經 720 h腐蝕實驗后X52/825冶金復合管焊接接頭未出現破裂、刺漏和開裂性裂紋，表明此焊接接頭耐腐蝕性較好。現今的雙金屬復合管塌陷試驗、緊密度試驗和彎曲試驗指標規定不明確，復合管的制造、檢驗和應用需要進一步研究與完善[21]。

3? 管道腐蝕檢測與預測方法

由于石油天然氣管道鋪設環境復雜多樣，當管道發生腐蝕時往往不能及時發現，因此，需要采取合適的管道腐蝕檢測與預測方法，及時對腐蝕管道進行應急處理，防止油氣的泄漏，提高管道的使用壽命。其中使用得比較多的是磁力檢測技術、超聲導波檢漏技術。

3.1? 磁力檢測技術

磁力檢漏是利用金屬磁記憶的一種檢測方式，通過鐵磁性的感應分析對管道缺陷進行準確定? ?位[22]。磁檢漏技術是一門十分有效、實用的內檢測技術，因具有環境限制小、適用范圍廣、經濟性好等優點，而被廣泛運用[23]。尹志勇[24]等[24]利用磁檢漏法對山東東營地區一管線進行檢漏，結果顯示：，由于長輸管道施工工期較長，管道內已經發生了不同程度腐蝕，在此情況下及時采取防護措施，減小了事故發生的幾率概率。廖柯熹[25]等[25]研究了一種基于磁力定位、超聲導波測定量的埋地管道腐蝕檢測方法，實際應用顯示：，此方法能在非開挖狀態下對缺陷管道進行精準定位和腐蝕等級評價。

3.2? 超聲導波檢漏技術

超聲導波檢漏也是一種非開挖無損檢測技術，原理是：超聲導波在管道中沿軸向傳播，當管道很橫截面積改變時靈敏接收器將收到其反射的一個回波信號，通過對回波信號的分析判斷管道內部的變化情況。壓電超聲檢測技術因其檢測距離較長、能定量測量、不受電磁干擾等優點，廣泛運用于運輸液態介質的長距離輸送管道的檢測[26]。壓電超聲檢測技術其缺點是需要耦合劑，埋地管道內檢測受限。葉至靈[27]等[27]研究了電磁超聲波檢測方法，此方法不僅無需耦合劑就能夠產生多種聲波，可對管道的內腐蝕進行檢測，而且通過橫波在斜面試件試樣中傳播和反射進行COMSOL 的有限元模型仿真，發現斜面腐蝕測厚偏大，且誤差隨著斜角的增大而增大。

3.3? 管道腐蝕預測方法

管道腐蝕的預測與檢測同樣重要，有效的腐蝕預測對管道的完整性管理有很大的幫助，對防止油氣泄漏和環境保護有很大的作用。王方成[28]等[28]采用模糊層次分析法對各影響因素進行權重計算，為長輸天然氣管道腐蝕的預防和治理提供相關的理論依據。BALEKELAYI[29]等[29]研究了一種基于貝葉斯譜分析回歸的腐蝕預測方法，此方法將腐蝕因素和腐蝕深度作為半參數，并用數學的方式描述了電化學腐蝕過程。程凱凱[30]等研究了基于相關性和貝葉斯推斷的腐蝕深度預測方法，結果表明此方法能夠更好地反映樣本容量對推斷結果的影響，預測結果更為保守且與工程經驗判斷結果一致，對工程應用更加安全有利。研究成果可為管道腐蝕深度的預測提供更準確的信息，同時為考慮隨機變量相關性的其他腐蝕管道特征值的預測提供理論參考。

智能化腐蝕檢測與檢測技術是未來研究的重要趨勢，SHAFEEK[31]等[31]使用Microsoft Access和Visual c#進行編碼將一種無損檢測技術與管道腐蝕缺陷軟件相結合，此軟件使用簡單、無需復雜的分析，能測量一般腐蝕情況并對腐蝕進行預測，有效降低了油氣泄漏的風險。

4? 總結結束語

油氣管道受到介質和環境因素的影響易發生失效破壞。我國的石油與天然氣管道防護技術還有很大的提升空間，環保、高效的腐蝕防護技術與智能化的腐蝕檢測和檢測技術是未來重要的研究方向。同時為了進一步減少腐蝕帶來的油氣泄漏風險，需要對管道質量和焊接嚴格要求，做好巡檢和管線周邊地區安全的宣傳。

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Research on Corrosion and Protection of Petroleum and Natural Gas Pipelines

WANG Xian-ming， JIN Pei-pei， WANG Ao， CAO Rui-qi

（CNOOC Jiangsu Natural Gas Co.， Ltd， Jiangsu Jiangsu 224000，China）

Abstract： Oil and gas pipelines are affected by factors such as their own pipeline quality， transport media， laying environment and management design. Pipeline corrosion is inevitable. It will increase the risk of oil and gas leakage and bring great harm to the human body， the environment and the economy. The pipeline anti-corrosion technology is discussed， including cathodic protection technology， corrosion inhibitor technology， anti-corrosion coating technology， repair technology and composite pipeline technology. Common corrosion detection technology， magnetic detection technology and ultrasonic guided wave technology; classification and summary of corrosion prediction technology and some research results in recent years. It is pointed out that there is still a lot of room for improvement in anti-corrosion， detection and prediction technology in my country. Environmental protection， high efficiency， anti-corrosion technology and intelligent corrosion detection technology suitable for harsh environments are important research directions in the future.

Key words：? Oil;? natural gas;? pipeline corrosion;? protection;? detection;? prediction