天然氣管道的腐蝕與防護綜述

1、摘要天然氣管道從天然氣供應場所到其使用地方，經(jīng)過各種各樣復雜的地形，管道所處環(huán)境千變?nèi)f化，且天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳等酸性氣體，它們對天然氣管道造成腐蝕威脅，影響天然氣管道的平安運行，因此天然氣管道在運營中必須實施防腐蝕保護。目前對天然氣管道進行防腐蝕保護的方法主要有絕緣層防腐方法和陰極保護兩種方法。使用絕緣層防腐蝕方法時，因根據(jù)管道特點和管道所處地形地貌選擇不同類型的防腐絕緣層；陰極保護又分為犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護，根據(jù)長輸天然氣管道的特點適宜用外加電流陰極保護，根據(jù)相關規(guī)定保護一般電位應該在-8.50v至-1.20v之間，特殊地區(qū)除外。盡管天然氣管道腐蝕防護方法有兩種，

2、但這兩種方法必須同時實施達到“聯(lián)合保護”的作用才能高效的防護天然氣管道的腐蝕。關鍵詞：天然氣；腐蝕；防腐層；外加電流陰極保護 ；犧牲陽極陰極保護目錄摘要i目錄ii1緒論11.1腐蝕的定義11.2腐蝕危害性11.3腐蝕對天然氣管道的危害22天然氣管道的腐蝕特點32.1天然氣管道的腐蝕類型32.1.1天然氣管道的內(nèi)腐蝕機理32.2天然氣管道的外腐蝕42.2.1土壤的性質43.2.2土壤腐蝕常見的幾種形式53.天然氣埋地鋼管的防腐方法63.1絕緣層防護法63.1.1防腐涂層的結構73.1.2防腐涂層的選擇73.2陰極保護的兩種方法93.2.1陰極保護的參數(shù)104結束語10參考文獻111緒論1.1腐蝕

3、的定義 “腐蝕”這個術語起源于拉丁文“corrdere”，意即“損壞”，“腐爛”。五十年代前腐蝕的定義只局限于金屬的腐蝕，它是指金屬在別的介質（最常見的液體和氣體）作用下，由于化學變化、電化學變化或物理溶解而產(chǎn)生的破壞，這個定義明確指出了金屬腐蝕是包括金屬材料和環(huán)境介質兩種在內(nèi)的一個具有反應作用的體系，金屬要發(fā)生腐蝕必須有外部介質的作用，而且這種作用是發(fā)生在金屬與介質的相界上，它不包括因單純機械作用引起的金屬磨損破壞1。隨著非金屬材料（特別是合成材料）的迅速發(fā)展，它的破壞引起了人們的重視，從五十年代以后，許多權威的腐蝕學者或者研究機構傾向于把腐蝕的定義擴大到所有材料，即材料腐蝕是指材料受環(huán)境介

4、質的化學作用（包括電化學作用）而破壞的現(xiàn)象2。從熱力學觀點看，絕大多數(shù)金屬都具有與周圍介質發(fā)生作用而轉入氧化（離子）狀態(tài)的傾向，因此金屬發(fā)生腐蝕是一種自然的趨勢，且到處可見，例如金屬構件在大氣中因腐蝕而生銹，埋于地下的金屬管道因腐蝕發(fā)生穿孔，鋼鐵在軋制過程中因高溫下與空氣中的氧作用產(chǎn)生了大量的氧化皮，在化工生產(chǎn)中金屬機械和設備常與強腐蝕性介質（如酸，堿，鹽等）接觸，尤其在高溫高壓和高流速的工藝條件下，腐蝕問題更顯得突出和嚴重。1.2腐蝕危害性腐蝕給金屬材料造成的直接損失是巨大的，據(jù)估計全世界每年因腐蝕而報廢的鋼鐵設備約相當于每年產(chǎn)量的30%，假如其中2/3可回爐再生，仍有10%的鋼鐵將由于腐蝕

5、而一去不復返了；同時金屬構件的損壞，其價值遠比金屬材料的價值大得多。例如飛機，艦船，鍋爐等，其造價遠超過原材料的價格，至于因腐蝕所造成的間接損失，有時是難以統(tǒng)計的，例如發(fā)電廠的鍋爐管爆裂，更換一根不過幾百元，但引起許多工廠停產(chǎn)，其損失則是十分驚人的，英國在1969年發(fā)表了著名的“赫爾（hoar）報告”估計每年最少損失13.65億英鎊。據(jù)美國國家標準局（nbs）調(diào)查，1975年美國因腐蝕而損失竟高達700億美元，我國雖然至今還沒有完整的統(tǒng)計數(shù)字，但嫵媚的事例清楚表明，各行業(yè)均普遍存在金屬腐蝕的問題1。1.3腐蝕對天然氣管道的危害石油天然氣管道從油氣供應點到油氣使用場所，經(jīng)過各種各樣復雜的地形，管

6、道所處環(huán)境千變?nèi)f化，輸送介質中往往含有h2s、co2等酸性腐蝕介質，它們?nèi)苡诠艿乐械乃纬伤?，與管道內(nèi)壁發(fā)生電化學反應，同時管道外壁與土壤還可能發(fā)生土壤腐蝕，這給輸氣管道的安全運行造成威脅，一旦發(fā)生腐蝕穿孔還將產(chǎn)生巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，例如：1971年5月20日深夜，我國四川威成輸氣管道的越溪段，正常運行中管線突然爆管，該管道為630mm×8mm，工作壓力為2.1mpa，爆炸中，氣流將管子沿焊縫平行方向撕裂，重達201kg的管子碎片飛出151m遠，氣流沖斷10m外的輸電線導致起火，使50m以外的兩棟宿舍著火，傷26人，死亡4人，停輸兩天，搶修后換上新管段，運行7個多月后，1972

7、年1月13日，同一部位第二次爆管，經(jīng)查明以上兩次爆管均有嚴重的內(nèi)腐蝕引起，腐蝕速度達到了2.6-10.4mm/a，這是由于投產(chǎn)一年后，沿線接入了含h2s天然氣；1995年7月29日，橫貫加拿大管道公司的一條1067mm天然氣管道在rapid市附近破裂起火，50多分鐘后據(jù)爆破口7m遠的另一條914mm氣管也爆裂著火，兩條管道分別停輸了15天、4天，后來查明第一條管道是外部腐蝕裂紋引起的延性斷裂，后一事故是因火災沒有及時撲滅引發(fā)的次生災害；2000年8月，美國新墨西哥州卡爾斯巴市el paso公司的一條天然氣管線突然爆炸，造成12人死亡。事故調(diào)查報告顯示，造成此次爆炸的直接原因是管線內(nèi)壁長期受到腐

8、蝕，管壁變薄所致，因此對天然氣管道進行防腐蝕保護是很有必要的2。2天然氣管道的腐蝕特點長輸天然氣管道大多數(shù)為埋地管道，在運行中與輸送介質發(fā)生內(nèi)腐蝕，同時外壁與土壤大氣分別發(fā)生土壤腐蝕和大氣腐蝕，因為腐蝕類型不同對應的防護措施也不一樣。2.1天然氣管道的腐蝕類型2.1.1天然氣管道的內(nèi)腐蝕機理天然氣管道輸送的介質中往往含有h2s、co2水等具有腐蝕性的介質，它們與管道內(nèi)壁易發(fā)生電化學腐蝕，金屬的電化學腐蝕是指金屬表面與導電離子的介質因發(fā)生電化學作用而產(chǎn)生的破壞，任何一種按電化學機理進行的腐蝕反應至少包含一個陽極反應和一個陰極反應，并以流過金屬內(nèi)部的電子流和介質中的離子流聯(lián)系在一起。陽極反應是金屬

9、離子從金屬轉移到介質中和放出電子的過程，即陽極氧化過程。相對應的陰極反應便是介質中氧化劑組分吸收來自陽極的電子的還原過程。天然氣管道輸送的介質中含有h2s、co2溶于水，生成酸，碳鋼在酸中發(fā)生電化學反應腐蝕，在陽極區(qū)鐵被氧化為fe2+離子，所放出的電子自陽極（fe）流至鋼中的陰極（fe3c）上被h+吸收而被還原成氫氣，即陽極氧化反應： 陰極還原反應： 總的反應： 2.2天然氣管道的外腐蝕埋設在地下的油氣、水管線，及電纜等在土壤作用下常發(fā)生腐蝕，以致管線穿孔而漏油、漏水、或漏氣，或使電訊發(fā)生故障，而且這些設備往往很難檢修，給生產(chǎn)造成很大的損失和危害，而這些腐蝕都與土壤有著密切的關系。 2.2.1

10、土壤的性質（1）土壤的組成；土壤的固體顆粒含有砂子，灰，泥渣和植物腐爛后形成的腐殖土，土壤有各種不同的形狀：粒狀，塊狀，和片狀，事實上，多數(shù)土壤是無機的和有機的膠質混合顆粒的集合，在這個集合體中還具有許多彎彎曲曲的微孔（毛細管），土壤中的水分和空氣可以通過這些微孔到達土壤的深處，并且土壤還具有生物學的活性。（2）土壤中的水分；土壤中的水分有些與土壤的組分結合在一起，有些緊緊粘附在固體顆粒的周圍，有些可以在微孔中流動，鹽類溶解在這些水中，土壤就成了電解質，土壤的導電性與土壤的干濕程度及含鹽量有關，土壤愈干燥，含鹽量愈少，其電阻就愈大，土壤愈潮濕，含鹽量愈多，電阻就愈小，干燥和少鹽的土壤電阻率往往

11、高于10000歐姆·厘米，而潮濕含鹽的土壤，電阻率能低于500歐姆·厘米，土壤的腐蝕往往與電阻率有密切的關系。（3）土壤中的氧；土壤中的氧氣，有一些溶解在水中，有些存在于土壤的毛細管和縫隙內(nèi)，兩者對金屬在土壤中的腐蝕都有影響，土壤中的氧含量與土壤的濕度和結構都有密切的關系，在干燥的砂土中，因為氧比較容易通過，所以氧含量較多，在潮濕的砂土中，因為氧較難通過，氧量較少，而在潮濕密實的粘土中，因為氧通過非常困難，所以氧量最少，濕度不同和結構不同的土壤中，氧量相差可達幾萬倍，這種充氣不均勻，正是造成氧濃差電池腐蝕的原因。（4）土壤的酸堿性；大多數(shù)土壤是中性的，ph值在6-7，有的土

12、壤是堿性的，如堿性的砂質粘土和鹽堿土，ph值在7.5-9.5，也有一些土壤是酸性的，如腐植土和沼澤土，ph值在3-6。（5）土壤中的微生物；微生物對金屬的腐蝕也有很大的影響，其中最重要的是厭氧的硫酸鹽還原菌，硫桿菌和鐵桿菌（好氧的細菌）。3.2.2土壤腐蝕常見的幾種形式1.由于充氣不均勻引起的腐蝕當管道埋設通過結構不同和潮濕程度不同的土壤時（如通過砂土時），由于充氣不均形成氧濃差電池的腐蝕，處在砂土中的金屬部分，由于氧容易滲入，電位高，成為陰極，而處在粘土中的金屬部分，由于缺氧，成為陽極，它們之間構成氧濃差電池，而使粘土中的金屬部分遭到腐蝕，同樣，埋在地下的管道（特別是水平埋放直徑較大的管子）

13、，由于各處深度不同，也會構成氧濃差電池，埋得較深的地方（如在管子的下部），由于氧到達困難，便成為陽極區(qū)，腐蝕就往往是發(fā)生在這個區(qū)域。必須注意的是：如果僅僅是微電池作用引起的腐蝕其結論則與上述情況完全相反，在粘土中，由于氧進入較為困難，氧去極化過程較難，所以腐蝕也就較慢，而在土壤中，氧容易滲入，氧去極化過程容易，所以腐蝕就較快。2.由雜散電流引起的腐蝕雜散電流是一種漏電現(xiàn)象，在土壤的腐蝕中，防止它引起的腐蝕有很大的實際意義，雜散電流是由直流電源（如電氣火車，有軌電車，電焊機，點解槽，電化學保護等）設備漏失出來的電流，一些地下設備，地下管道，電纜和混凝土的鋼筋等都容易因這種雜散電流引起腐蝕，直流電

14、往往從路軌漏到地下，進入地下管道某處，再從管道的另一處流出而回到路軌，雜散電流從管道流出的地方，成為腐蝕電池的陽極區(qū)，腐蝕破壞就發(fā)生在這個地方，如下圖所示，金屬的損失量與流過的雜散電流的電量成正比，符合法拉第定律，經(jīng)計算：一安培電流流過一年就相當于約九公斤的鐵發(fā)生電化學腐蝕而被溶解掉了，可見雜散電流引起的腐蝕也是相當嚴重的。 3.由于微生物引起的腐蝕對于腐蝕有作用的細菌不多，其中最重要的是硫桿菌和硫酸鹽還原菌（厭氧菌）。硫桿菌有排硫桿菌和氧化硫桿菌兩種，這種細菌最適宜存在的溫度為25-30度，當溫度高到55度以上時，就無法生存，在地下管道附近，由于污物發(fā)酵結果產(chǎn)生硫代硫酸鹽，排硫桿菌就在其上大

15、量繁殖，產(chǎn)生元素硫，緊接著，氧化硫桿菌將元素硫氧化成硫酸，造成對金屬的嚴重腐蝕。（2）硫酸鹽還原菌（厭氧菌） 如果土壤中非常缺氧，而且又不存在氧濃差電池及雜散電流等腐蝕大電池時，腐蝕過程是很難進行的，但是，對于含有硫酸鹽的土壤，如果有硫酸鹽還原菌存在，腐蝕不但能順利進行，而且更加嚴重，主要是由于生物的催化作用，使腐蝕過程的陰極去極化反應得以進行，從而大大加速了腐蝕。細菌腐蝕并非它本身對金屬的侵蝕作用，而是細菌生命活動的結構間接地對金屬腐蝕的電化學過程產(chǎn)生影響，主要以下述四種發(fā)生影響腐蝕過程：新城代謝產(chǎn)物的腐蝕作用細菌能產(chǎn)生某些具有腐蝕性的代謝產(chǎn)物，如硫酸，有機酸和硫化物等；生命活動影響電極反應

16、的動力學過程；改變金屬所處環(huán)境的狀況；破壞金屬表面有保護性的非金屬覆蓋層或緩蝕劑的穩(wěn)定性。3.天然氣埋地鋼管的防腐方法3.1絕緣層防護法金屬腐蝕是由于環(huán)境介質作用在金屬表面產(chǎn)生電化學反應或化學反應，涂層對金屬的作用是通過抑制上述反應而達到，具體來看，是基于下面三方面的作用：（1）屏蔽作用：許多涂層對酸、堿、鹽等腐蝕介質顯示化學惰性，且介電常數(shù)高，阻止了腐蝕電路的形成，因此金屬表面涂覆漆膜后，把金屬表面與環(huán)境隔開，起到了屏蔽腐蝕介質的作用。但必須指出，涂料用高聚物具有一定的透氣性，并與其結構密切相關。（2）鈍化緩釋作用：借助涂料中的防銹顏料與金屬表面反應，使其鈍化或生成保護性的物質以提高涂層的保

17、護作用，另外，許多油料在金屬皂的催化作用下生成降解產(chǎn)物也能起到有機緩蝕劑的作用（3）電化學保護作用：涂料中使用電位比鐵較低的金屬為填料（如鋅），會起到犧牲陽極的陰極保護作用，并且鋅的大氣腐蝕產(chǎn)物堿式碳酸鋅比較穩(wěn)定，又起到封閉、堵塞期末空隙的作用5。3.1.1防腐涂層的結構在實際應用中，一種涂層往往不能很好的起到保護金屬的作用，或不能同時滿足防腐、耐候、美觀等使用要求，因此大多在金屬表面涂覆幾種涂層，以組成一個整體系統(tǒng)共同發(fā)揮功效，這一涂層體系包括底漆，中間層，面漆，每層按需要分別涂刷一至數(shù)次，也有的僅是單層結構就同時滿足了不同的使用要求，如粉末涂料。3.1.2防腐涂層的選擇在選擇防腐層的時候防

18、腐涂層應具備以下基本性能：有效的電絕緣性；有效的隔水屏障性；涂敷于管道的方法不會對管道性能產(chǎn)生不利影響；涂敷于管道上的涂層缺陷最少；與管道表面有良好的附著力；能防止針孔隨時間發(fā)展；能抵抗裝卸、儲存和安裝時的損傷；能有效地保持絕緣電阻隨時間恒定不變；抗剝離性能；抗化學介質破壞；補傷容易；物理性能保持能力強；對環(huán)境無毒；能防止地面儲存和長距離運輸過程不發(fā)生變化和降解3。目前國內(nèi)外適用于長輸管道的防腐蝕涂層主要有煤焦油瓷漆、pe二層結構、pe三層結構、熔結環(huán)氧粉末(fbe)、雙層熔結環(huán)氧粉末(雙層fbe)覆蓋層等4。下面將各種防腐蝕材料的主要優(yōu)缺點、國內(nèi)外應用狀況及評價簡述如下:(1)煤焦油瓷漆具有

19、絕緣性能好、吸水率低、耐細菌腐蝕和植物根莖穿透、國內(nèi)材料充足及使用壽命長、價格低(約5560 元/ m2) 等優(yōu)點。主要缺點是機械強度較低,適宜溫度范圍窄,低溫易變脆,生產(chǎn)施工過程中可能會逸出有毒氣體,需要嚴格的煙霧處理措施。國外使用已有70多年歷史,近年來因受環(huán)保的限制逐漸被其他覆蓋層代替。我國已研制出達到國際標準的煤焦油瓷漆產(chǎn)品,分3 種型號,以適應不同的溫度需要。(2) pe 兩層結構具有絕緣性能好、吸水率低、機械強度高、堅韌耐磨、耐酸堿鹽和細菌腐蝕、耐溫度變化、國內(nèi)材料充足等優(yōu)點,價格較低(約6065 元/ m2 ) 。缺點是耐紫外線性能差,陽光下過久暴露易老化,與鋼管表面結合力較差,

20、抗陰極剝離性能差。pe 層的靜電屏蔽作用不利于外加電流陰極保護。國外采用聚乙烯防腐蝕有40 多年歷史,目前仍有一定的使用量,其中,在中小管徑上的用量占第一位,中等管徑應用上僅次于熔結環(huán)氧粉末。國內(nèi)1985 年后廣泛應用,到目前為止油田和各地中小管徑采用此種覆蓋層的防腐蝕管道已超過上萬公里。(3) pe 三層結構 pe 三層結構防腐蝕層結合了高密度聚乙烯包覆、熔結環(huán)氧粉末的優(yōu)點。它利用環(huán)氧粉末與鋼管表面牢固結合,利用高密度聚乙烯耐機械損傷,兩層之間特殊的膠層使三者形成分子鍵結合的復合結構,實現(xiàn)防蝕性能、機械性能的良好結合,是目前我國大型管道工程首選的涂層。pe 三層結構防腐蝕層從1995 年在庫

21、鄯線、陜京線應用以來,防蝕效果很好。但有人認為:pe 三層結構覆蓋層破損后,容易形成靜電屏蔽,陰極保護作用不能良好發(fā)揮。目前我國對此觀點尚未重視。pe 三層結構防腐蝕層造價相對較高(約100 元/ m2) ,是其缺點之一。(4) 熔結環(huán)氧粉末(fbe)具有與鋼管表面結合牢固、絕緣性能好、機械強度高、耐溫度變化、耐化學腐蝕等優(yōu)點,可適用于各種惡劣自然環(huán)境。主要缺點是耐紫外線性能差;由于覆蓋層較薄(0.350. 50 mm) ,耐劃傷和磕碰性能較厚覆蓋層要差。國外從20 世紀60 年代開始應用于管道防腐蝕,發(fā)展很快,是目前國際管道防腐蝕上采用量最多的覆蓋層。價格約在6570 元/ m2。(5) 雙

22、層熔結環(huán)氧粉末（雙層fbe）與pe三層結構類似,具有和pe三層相同的綜合性能,機械性能尤其高,補口也用雙層fbe ,相容性好,覆蓋層表面光滑。另外可避免陰極屏蔽問題。3.2陰極保護的兩種方法根據(jù)提供極化電流的方法不同，陰極保護可以分為犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護兩種，犧牲陽極法是用一種腐蝕電位比被保護金屬腐蝕電位更負的金屬或合金與被保護體組成電偶電池，依靠負電性金屬不斷腐蝕溶解產(chǎn)生的電流對被保護金屬構成保護的方法，由于低電位金屬所在電偶電池中作為陽極，偶接后其自身腐蝕速度增加，故被稱作“犧牲陽極”。外加電流陰極保護是利用外部直流電源對被保護體提供陰極極化，實現(xiàn)對被保護體的保護方法。外部電

23、源的負極與被保護體相連，正極接輔助陽極，輔助陽極的作用是為了構成陰極保護完整的回路5。犧牲陽極保護方法的主要特點是：1）不需要外加直流電源，適用于無電源地區(qū)和小規(guī)模、分散的保護對象；2）驅動電壓低，輸出功率低，保護電流小且不可調(diào)節(jié)，陽極有效保護距離小，使用范圍受介質電阻率的限制，但保護電流的利用率較高，一般不會造成過保護，對鄰近金屬設施干擾?。?）陽極數(shù)量較多，電流分布比較均勻，但陽極重量大，會增加結構重量，且陰極保護的時間受犧牲陽極壽命的限制；4）系統(tǒng)牢固可靠，施工技術簡單，單次投資費用低，不需要專人管理。外加電流陰極保護方法的主要特點是：1）需要外部直流電源；2）驅動電壓高，輸出功率和保護

24、電流大，能靈活調(diào)節(jié)，控制陰極保護電流，陽極有效保護半徑大，因此在惡劣的腐蝕條件或高電阻率的環(huán)境中葉適用，但有可能造成過保護，也可能對附近金屬設施造成干擾；3）陽極數(shù)量少，系統(tǒng)重量輕，結構重量增加不多，難溶和不溶性輔助陽極消耗低、壽命長、可作長期的陰極保護、但由于系統(tǒng)使用的陽極數(shù)量少，保護電流可能分布不均勻。4）在惡劣環(huán)境中，系統(tǒng)易受損傷，設備安裝、施工、維護較復雜、一次投資費用高。因此，陰極保護方法的選擇應根據(jù)供電條件、介質電阻率、所需保護電流的大小、運行過程中工藝條件變化情況、壽命要求、結構形狀等決定，通常情況下，對無電源、介質電阻率低、條件變化不大、所需保護電流較小的小型系統(tǒng)，宜選用犧牲陽極保護；相反，對有電源、介質電阻率大、所需保護電流大、條件變化大、使用壽命長的大系統(tǒng)，應選用外加電流陰極保護，因此長輸天然氣管道適宜用外加電流陰極保護。3.2.1陰極保護的參數(shù)保護電位，是指通過陰極保護金屬使金屬結構達到完全保護或者有效保護所需達到的電位值，保護電位