天然氣長(zhǎng)輸管道的腐蝕與防護(hù)措施

1、天然氣長(zhǎng)輸管道的腐蝕與防護(hù)措施摘要天然氣使用量的急劇增加，而管網(wǎng)設(shè)施是天然氣發(fā)展的基本條件之一,也是國(guó)家現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，特別是城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)施的建設(shè)，它是一個(gè)城市生存和發(fā)展的必要保障和國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。天然氣管道從天然氣供應(yīng)場(chǎng)所到其使用地方，經(jīng)過(guò)各種各樣復(fù)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(duì)天然氣管道造成腐蝕威脅，影響天然氣管道的平安運(yùn)行，因此天然氣管道在運(yùn)營(yíng)中必須實(shí)施防腐蝕保護(hù)。目錄1引言11.1腐蝕的定義11.2腐蝕危害性11.3腐蝕對(duì)天然氣管道的危害22天然氣管道的腐蝕特點(diǎn)42.1天然氣管道的內(nèi)腐蝕42.2天然氣管道的外腐蝕4土壤腐蝕4

2、土壤腐蝕特點(diǎn)5土壤腐蝕的影響因素5土壤腐蝕常見(jiàn)的幾種形式6大氣腐蝕8大氣腐蝕特征8大氣腐蝕的影響因素83.天然氣埋地鋼管的防腐方法103.1內(nèi)腐蝕防護(hù)10防腐涂層的結(jié)構(gòu)10防腐涂層的選擇113.2外壁腐蝕及防護(hù)12陰極保護(hù)的兩種方法13陰極保護(hù)的參數(shù)14結(jié)束語(yǔ)15參考文獻(xiàn).161引言1.1腐蝕的定義 “腐蝕”這個(gè)術(shù)語(yǔ)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(zhì)（最常見(jiàn)的液體和氣體）作用下，由于化學(xué)變化、電化學(xué)變化或物理溶解而產(chǎn)生的破壞，這個(gè)定義明確指出了金屬腐蝕是包括金屬材料和環(huán)境介質(zhì)兩種在內(nèi)的一個(gè)具有反應(yīng)作用的體系，金

3、屬要發(fā)生腐蝕必須有外部介質(zhì)的作用，而且這種作用是發(fā)生在金屬與介質(zhì)的相界上，它不包括因單純機(jī)械作用引起的金屬磨損破壞。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(quán)威的腐蝕學(xué)者或者研究機(jī)構(gòu)傾向于把腐蝕的定義擴(kuò)大到所有材料，即材料腐蝕是指材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用（包括電化學(xué)作用）而破壞的現(xiàn)象。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，絕大多數(shù)金屬都具有與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生作用而轉(zhuǎn)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(shì)，且到處可見(jiàn)，例如金屬構(gòu)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(guò)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

4、產(chǎn)中金屬機(jī)械和設(shè)備常與強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)（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(wèn)題更顯得突出和嚴(yán)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(jì)全世界每年因腐蝕而報(bào)廢的鋼鐵設(shè)備約相當(dāng)于每年產(chǎn)量的30%，假如其中2/3可回爐再生，仍有10%的鋼鐵將由于腐蝕而一去不復(fù)返了；同時(shí)金屬構(gòu)件的損壞，其價(jià)值遠(yuǎn)比金屬材料的價(jià)值大得多。例如飛機(jī)，艦船，鍋爐等，其造價(jià)遠(yuǎn)超過(guò)原材料的價(jià)格，至于因腐蝕所造成的間接損失，有時(shí)是難以統(tǒng)計(jì)的，例如發(fā)電廠的鍋爐管爆裂，更換一根不過(guò)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(guó)在1969年發(fā)表了著名的“赫爾（Hoar）報(bào)告”估計(jì)每年

5、最少損失13.65億英鎊。據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）調(diào)查，1975年美國(guó)因腐蝕而損失竟高達(dá)700億美元，我國(guó)雖然至今還沒(méi)有完整的統(tǒng)計(jì)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(wèn)題。1.3腐蝕對(duì)天然氣管道的危害天然氣是石油的氣態(tài)烴類(lèi)的采出物質(zhì), 天然氣分為伴生氣和非伴生氣兩種。我國(guó)很多城市目前應(yīng)用天然氣,或用于民用燃?xì)?或用于化工原料,或用于工業(yè)燃料。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)較快發(fā)展，改善能源結(jié)構(gòu)的要求日趨迫切,加上環(huán)保要求的日益嚴(yán)格和消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，從而對(duì)清潔能源天然氣的需求會(huì)有較快增長(zhǎng)。天然氣的地位隨著上升 周虹伶，曹輝祥. 天然氣管道腐蝕研究. 內(nèi)蒙古石油化工J. 2009. 1

6、3.。鑒于中國(guó)政府為解決城市霧霾問(wèn)題而推動(dòng)使用更清潔的能源，國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布年度中期天然氣市場(chǎng)報(bào)告預(yù)計(jì)，到2019年，中國(guó)天然氣需求將增至3150億立方米，比2013年需求量增長(zhǎng)90%。今年中國(guó)官方預(yù)計(jì)到2020年天然氣年消耗4200億立方米。下圖可見(jiàn)，2000年以來(lái)，中國(guó)天然氣需求增長(zhǎng)六倍多。天然氣使用量的急劇增加，推動(dòng)了天然氣工業(yè)的發(fā)展，管網(wǎng)設(shè)施是天然氣發(fā)展的基本條件之一,也是國(guó)家現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。因此城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)施大力建設(shè)迅速發(fā)展，成為了城市生存和發(fā)展的必要保障和國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。天然氣管道是連接上游資源和下游用戶(hù)的紐帶,是天然氣運(yùn)輸和消費(fèi)的必備手段。2007年已完成基本骨干

7、管道（約4000 km）的西氣東輸工程，配套建設(shè)支干線和區(qū)域性管道1100017000km，形成基本覆蓋長(zhǎng)江三角洲地區(qū)及華東、華北、中部地區(qū)的天然氣管網(wǎng)。目前輸氣管道使用最多的是鋼管,包括無(wú)縫管、直縫管等, 敷設(shè)方式一般為埋地。有實(shí)驗(yàn)表明,埋地鋼管若不加防腐,一年即可能腐蝕穿孔,而若采取合理的防腐措施,使用壽命可達(dá)25年以上。天然氣管道從油氣供應(yīng)點(diǎn)到油氣使用場(chǎng)所，經(jīng)過(guò)各種各樣復(fù)雜的地形，管道所處環(huán)境千變?nèi)f化，輸送介質(zhì)中往往含有H2S、CO2等酸性腐蝕介質(zhì)，它們?nèi)苡诠艿乐械乃纬伤幔c管道內(nèi)壁發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)管道外壁與土壤還可能發(fā)生土壤腐蝕。腐蝕會(huì)造成天然氣井套的斷裂、集輸管線爆破等管線故障

8、。它的發(fā)生將嚴(yán)重制約天然氣集輸能力的提高, 導(dǎo)致維修改造費(fèi)用增大。另外由于天然氣具有易燃、易爆等特性, 一旦管道泄漏很可能引起火災(zāi)爆炸事故，這給輸氣管道的安全運(yùn)行造成威脅，一旦發(fā)生腐蝕穿孔還將產(chǎn)生巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，例如：據(jù)調(diào)查, 天津燃?xì)夤芫€38公里，近十年來(lái)，管線多次被腐蝕穿孔已更換6公里。按管道投產(chǎn)時(shí)間與壁厚資料計(jì)算，穿孔年限5-17年，腐蝕速度0.30-1.22毫米/年。我國(guó)東部九個(gè)油氣田各類(lèi)管道因腐蝕穿孔達(dá)2 萬(wàn)次/年, 更換管道數(shù)量達(dá)400km/年, 因腐蝕造成的年直接經(jīng)濟(jì)損失約為數(shù)億元；1971年5月20日深夜，我國(guó)四川威成輸氣管道的越溪段，正常運(yùn)行中管線突然爆管，該管道為

9、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(dá)201Kg的管子碎片飛出151m遠(yuǎn)，氣流沖斷10m外的輸電線導(dǎo)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(yùn)行7個(gè)多月后，1972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(yán)重的內(nèi)腐蝕引起，腐蝕速度達(dá)到了，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(yuǎn)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(lái)查明第

10、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(zāi)沒(méi)有及時(shí)撲滅引發(fā)的次生災(zāi)害；2000年8月，美國(guó)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(bào)告顯示，造成此次爆炸的直接原因是管線內(nèi)壁長(zhǎng)期受到腐蝕，管壁變薄所致，因此對(duì)天然氣管道進(jìn)行防腐蝕保護(hù)是很有必要的。2天然氣管道的腐蝕特點(diǎn)長(zhǎng)輸天然氣管道在運(yùn)行中與輸送介質(zhì)發(fā)生內(nèi)腐蝕，同時(shí)外壁與土壤大氣分別發(fā)生土壤腐蝕和大氣腐蝕。天然氣管道腐蝕的破壞形態(tài)包括全面腐蝕和局部腐蝕, 全面腐蝕是一種常見(jiàn)的腐蝕形態(tài), 包括均勻全面腐蝕和不均勻全面腐蝕。局部腐蝕又可以分為點(diǎn)腐蝕（孔蝕）、縫隙腐蝕和疲勞腐蝕等。因?yàn)楦g類(lèi)型

11、不同對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施也不一樣。2.1天然氣管道的內(nèi)腐蝕內(nèi)壁腐蝕是由于天然氣中殘存的水分、和、等酸性氣體造成的類(lèi)似原電池的電化學(xué)反應(yīng)和破壞金屬晶格的化學(xué)反應(yīng)。這兩種反應(yīng)都造成管壁疏松、脫落以致穿孔,不能再承受壓力和輸送天然氣。金屬的電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與導(dǎo)電離子的介質(zhì)因發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的破壞，任何一種按電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行的腐蝕反應(yīng)至少包含一個(gè)陽(yáng)極反應(yīng)和一個(gè)陰極反應(yīng)，并以流過(guò)金屬內(nèi)部的電子流和介質(zhì)中的離子流聯(lián)系在一起。陽(yáng)極反應(yīng)是金屬離子從金屬轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中和放出電子的過(guò)程，即陽(yáng)極氧化過(guò)程。相對(duì)應(yīng)的陰極反應(yīng)便是介質(zhì)中氧化劑組分吸收來(lái)自陽(yáng)極的電子的還原過(guò)程。天然氣管道輸送的介質(zhì)中含有H2S、CO2溶于水

12、，生成酸，碳鋼在酸中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)腐蝕，在陽(yáng)極區(qū)鐵被氧化為Fe2+離子，所放出的電子自陽(yáng)極（Fe）流至鋼中的陰極（Fe3C）上被H+吸收而被還原成氫氣，即陽(yáng)極氧化反應(yīng)：Fe Fe2+ + 2e 陰極還原反應(yīng)：2H + 2e H2總的反應(yīng)：Fe + 2H+ Fe2+ + H2 2.2天然氣管道的外腐蝕土壤腐蝕運(yùn)輸管道的排放，大多數(shù)在土壤之中。而天然氣在開(kāi)采和輸送中大量地應(yīng)用了鋼質(zhì)管道, 一般埋地鋼質(zhì)管道在土壤作用下常發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕穿孔, 造成油氣的跑、冒、滴、漏。不但造成經(jīng)濟(jì)損失, 而且可以引起爆炸、起火、污染環(huán)境等。正確地評(píng)價(jià)土壤的腐蝕性, 對(duì)正確地選擇防腐措施有著十分重要的意義。.1土壤腐蝕

13、特點(diǎn) 由于土壤具有多相性和不均勻性, 并且具有很多微孔可以滲透水及氣體, 因此不同土壤具有不同的腐蝕性, 又由于土壤具有相對(duì)的穩(wěn)定性, 使得土壤腐蝕和其他電化學(xué)腐蝕過(guò)程不同。在土壤中, 氧的傳遞通過(guò)土壤孔隙輸送, 其傳送速度取決于土壤的結(jié)構(gòu)和濕度, 在不同的土壤中氧的滲透率會(huì)有很大差別。在土壤中除具有可能生成的多相組織不均性有關(guān)的腐蝕微電池外, 還會(huì)因土壤介質(zhì)的宏觀差別而造成宏腐蝕電池 劉健, 李冬燕. 天然氣輸送管道的腐蝕及防護(hù)技術(shù). 中國(guó)科技信息. 2009(21).。宏腐蝕電池的種類(lèi)有:(1) 長(zhǎng)距離輸油管道穿越不同土壤形成的宏腐蝕電池。(2) 管體不同材料差異埋在土壤中產(chǎn)生的宏腐蝕電池

14、。(3) 由于管道埋深不同, 上、下部土壤的密實(shí)性, 含氧等差別造成管道上下部電極電位不同形成宏腐蝕電池。土壤腐蝕的影響因素(1) 土壤性質(zhì)：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(shí)上，多數(shù)土壤是無(wú)機(jī)的和有機(jī)的膠質(zhì)混合顆粒的集合，在這個(gè)集合體中還具有許多彎彎曲曲的微孔（毛細(xì)管），土壤中的水分和空氣可以通過(guò)這些微孔到達(dá)土壤的深處，并且土壤還具有生物學(xué)的活性。土壤的孔隙度、含水量、含氧量、電阻率、pH 值以及含鹽量、所含微生物等對(duì)土壤的腐蝕性有極大影響。(a) 孔隙度的影響：土壤的孔隙有利于氧氣的滲入和水分保存, 孔隙度越大管道腐蝕越

15、嚴(yán)重。(b) 土壤中含水量的影響：土壤中的水分有些與土壤的組分結(jié)合在一起，有些緊緊粘附在固體顆粒的周?chē)?，有些可以在微孔中流?dòng)，鹽類(lèi)溶解在這些水中，土壤就成了電解質(zhì)，土壤的導(dǎo)電性與土壤的干濕程度及含鹽量有關(guān)，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(guān)系。(c) 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(xì)管和縫隙內(nèi)，兩者對(duì)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(jié)構(gòu)都有密切的關(guān)系

16、，在干燥的砂土中，因?yàn)檠醣容^容易通過(guò)，所以氧含量較多，在潮濕的砂土中，因?yàn)檠踺^難通過(guò)，氧量較少，而在潮濕密實(shí)的粘土中，因?yàn)檠跬ㄟ^(guò)非常困難，所以氧量最少，濕度不同和結(jié)構(gòu)不同的土壤中，氧量相差可達(dá)幾萬(wàn)倍，這種充氣不均勻，正是造成氧濃差電池腐蝕的原因。(d)電阻率的影響：土壤電阻率與土壤的含水量、含鹽量、孔隙度等很多因素有關(guān), 土壤電阻率越小腐蝕速率越高。(e) pH 值的影響：大多數(shù)土壤是中性的，pH值在6-7，有的土壤是堿性的，如堿性的砂質(zhì)粘土和鹽堿土，PH值在，也有一些土壤是酸性的，如腐植土和沼澤土，pH值在3-6。我國(guó)大部分土壤屬中性, pH 值在6 8 之間, 隨著pH 值的降低腐蝕速率增

17、加 徐雯. 埋地天然氣管道的腐蝕與防護(hù). 城市公共事業(yè)J. 2002(4).。(f) 含鹽量的影響。一般土壤中的含鹽量為0.0088% 0.15% , 土壤中含鹽量越大電導(dǎo)率也越大, 從而提高土壤的腐蝕性。當(dāng)土壤中含CaCO3時(shí), 其腐蝕速率隨CaCO3含量的增加而降低。(g)土壤中的微生物；微生物對(duì)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(xì)菌）。(2) 雜散電流的影響：電車(chē)、電氣化鐵路、以接地為回路的輸配電系統(tǒng)、電解裝置等, 在其規(guī)定的電路中流動(dòng)的電流, 其中一部分自回路中流出, 流入大地、水等環(huán)境中, 形成了雜散電流。當(dāng)環(huán)境中存在埋地管線或金屬構(gòu)筑

18、物時(shí), 雜散電流的一部分又可能流入、流出埋地管線或金屬構(gòu)筑物, 產(chǎn)生干擾腐蝕。根據(jù)腐蝕干擾源的不同, 可分為直流干擾和交流干擾。雜散電流腐蝕程度, 要比一般的土壤腐蝕劇烈得多。(3) 溫度的影響：溫度對(duì)腐蝕速度有很大影響, 一般來(lái)講, 溫度每升高20, 腐蝕速度加快一倍。2.2.1.3土壤腐蝕常見(jiàn)的幾種形式(1)由于充氣不均勻引起的腐蝕當(dāng)管道埋設(shè)通過(guò)結(jié)構(gòu)不同和潮濕程度不同的土壤時(shí)（如通過(guò)砂土?xí)r），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(yáng)極，它們之間構(gòu)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

19、下的管道（特別是水平埋放直徑較大的管子），由于各處深度不同，也會(huì)構(gòu)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(dá)困難，便成為陽(yáng)極區(qū)，腐蝕就往往是發(fā)生在這個(gè)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(jié)論則與上述情況完全相反，在粘土中，由于氧進(jìn)入較為困難，氧去極化過(guò)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(guò)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(shí)際意義，雜散電流是由直流電源（如電氣火車(chē)，有軌電車(chē)，電焊機(jī)，點(diǎn)解槽，電化學(xué)保護(hù)等）設(shè)備漏失出來(lái)的電流，一些地下設(shè)備，地下管道，電纜和混凝土的

20、鋼筋等都容易因這種雜散電流引起腐蝕，直流電往往從路軌漏到地下，進(jìn)入地下管道某處，再?gòu)墓艿赖牧硪惶幜鞒龆氐铰奋墸s散電流從管道流出的地方，成為腐蝕電池的陽(yáng)極區(qū)，腐蝕破壞就發(fā)生在這個(gè)地方，如下圖所示，金屬的損失量與流過(guò)的雜散電流的電量成正比，符合法拉第定律，經(jīng)計(jì)算：一安培電流流過(guò)一年就相當(dāng)于約九公斤的鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕而被溶解掉了，可見(jiàn)雜散電流引起的腐蝕也是相當(dāng)嚴(yán)重的。 (3)由于微生物引起的腐蝕對(duì)于腐蝕有作用的細(xì)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(xì)菌最適宜存在的溫度為25-30度，當(dāng)溫度高到55度以上時(shí)，就無(wú)法生存，在地下管道附近，由于污

21、物發(fā)酵結(jié)果產(chǎn)生硫代硫酸鹽，排硫桿菌就在其上大量繁殖，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(duì)金屬的嚴(yán)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(shí)，腐蝕過(guò)程是很難進(jìn)行的，但是，對(duì)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(jìn)行，而且更加嚴(yán)重，主要是由于生物的催化作用，使腐蝕過(guò)程的陰極去極化反應(yīng)得以進(jìn)行，從而大大加速了腐蝕。細(xì)菌腐蝕并非它本身對(duì)金屬的侵蝕作用，而是細(xì)菌生命活動(dòng)的結(jié)構(gòu)間接地對(duì)金屬腐蝕的電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響，主要以下述四種發(fā)生影響腐蝕過(guò)程：新城代謝產(chǎn)物的腐蝕作用細(xì)菌能產(chǎn)生某些具有腐蝕性的代謝產(chǎn)物，如

22、硫酸，有機(jī)酸和硫化物等；生命活動(dòng)影響電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；改變金屬所處環(huán)境的狀況；破壞金屬表面有保護(hù)性的非金屬覆蓋層或緩蝕劑的穩(wěn)定性。大氣腐蝕由大氣中的水、氧、酸性污染物等物質(zhì)的作用而引起的腐蝕, 稱(chēng)為大氣腐蝕。鋼鐵在大氣自然環(huán)境中生銹, 就是一種最常見(jiàn)的大氣腐蝕現(xiàn)象。通常所說(shuō)的大氣腐蝕, 就是指金屬材料在常溫下潮濕空氣中的腐蝕。2.2.2.1大氣腐蝕特征一般地講, 鋼材在大氣條件下, 遭受大氣腐蝕有三種類(lèi)型。(1)干燥的大氣腐蝕。此時(shí)大氣中基本沒(méi)有水汽, 普通金屬在室溫下產(chǎn)生不可見(jiàn)的氧化膜, 鋼鐵的表面將保持著光澤。(2)潮濕的大氣腐蝕。是指金屬在肉眼看不見(jiàn)的薄膜層下所發(fā)生的腐蝕。大氣條件下

23、鋼材的腐蝕實(shí)質(zhì)上是水膜下的電化學(xué)腐蝕。此時(shí)大氣中存在著水汽, 當(dāng)水汽濃度超過(guò)臨界濕度(鐵的臨界濕度約為65% , 某些鎳的腐蝕產(chǎn)物臨界濕度約為85% , 而銅的腐蝕產(chǎn)物臨界濕度接近100% ) , 相對(duì)濕度低于100% 時(shí), 金屬表面有很薄的一層水膜存在, 就會(huì)發(fā)生均勻腐蝕。若大氣中有酸性污染物CO 2、H2S、SO 2 等, 腐蝕顯著加快。(3)可見(jiàn)液膜下的大氣腐蝕。指空氣中的相對(duì)濕度為100% 左右或在雨中及其他水溶液中產(chǎn)生的腐蝕。此時(shí), 水分在金屬表面上已成液滴凝聚, 存在肉眼看得見(jiàn)的水膜。.2大氣腐蝕的影響因素(1)水的影響。在大氣環(huán)境下對(duì)鋼材起腐蝕作用的物質(zhì)中, 水是主要因素(一般地

24、講濕度越大, 腐蝕性就越強(qiáng))。其腐蝕原理概述如下:(a) 水是一種電解質(zhì), 而且還能溶解大量的離子, 從而引起金屬的腐蝕。(b) 水可離解成H+ 和OH-, pH值的不同對(duì)金屬和氧化物的溶解腐蝕具有明顯的影響。(2) SO2的影響。SO2在大氣中被氧化成SO3，與水結(jié)合生成H2SO4，與鋼鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致腐蝕。在受工業(yè)廢氣污染地區(qū), SO2 對(duì)鋼材腐蝕的影響最為嚴(yán)重。以石油、天然氣、煤為燃料的廢氣中含有大量的SO2, 鋼材的腐蝕速率隨大氣中的SO2含量的增加而增加。3.天然氣埋地鋼管的防腐方法3.1內(nèi)腐蝕防護(hù)內(nèi)腐蝕是由于天然氣中殘存的水分、和、等酸性氣體造成的類(lèi)似原電池的電化學(xué)反應(yīng)和破壞金屬

25、晶格的化學(xué)反應(yīng)。這兩種反應(yīng)都造成管壁疏松、脫落以致穿孔,不能再承受壓力和輸送天然氣。對(duì)于內(nèi)壁的防腐蝕,主要可從以下兩個(gè)方面入手：(1)凈化天然氣通常在氣源地,從地下開(kāi)采出來(lái)的天然氣先經(jīng)過(guò)脫硫、脫水等一系列工藝,達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),才進(jìn)人長(zhǎng)輸管線。(2)管道內(nèi)壁涂敷對(duì)管道作內(nèi)壁涂敷可減少腐蝕、輸氣阻力以及每年的清管次數(shù)。目前我國(guó)已開(kāi)發(fā)了鋼管內(nèi)表面環(huán)氧樹(shù)脂靜電粉末噴涂技術(shù)及成套設(shè)備。有數(shù)據(jù)表明,對(duì)于大口徑長(zhǎng)輸管線,大約一年即可收回內(nèi)涂所花費(fèi)的投資。其中多以第二種方法為主，金屬腐蝕是由于環(huán)境介質(zhì)作用在金屬表面產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)，涂層對(duì)金屬的作用是通過(guò)抑制上述反應(yīng)而達(dá)到，具體來(lái)看，是基于下面三方面

26、的作用：(1)屏蔽作用：許多涂層對(duì)酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)顯示化學(xué)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(kāi)，起到了屏蔽腐蝕介質(zhì)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(jié)構(gòu)密切相關(guān)。(2)鈍化緩釋作用：借助涂料中的防銹顏料與金屬表面反應(yīng)，使其鈍化或生成保護(hù)性的物質(zhì)以提高涂層的保護(hù)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(jī)緩蝕劑的作用。(3)電化學(xué)保護(hù)作用：涂料中使用電位比鐵較低的金屬為填料（如鋅），會(huì)起到犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)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。防腐涂層的結(jié)構(gòu)在實(shí)

27、際應(yīng)用中，一種涂層往往不能很好的起到保護(hù)金屬的作用，或不能同時(shí)滿(mǎn)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(gè)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(jié)構(gòu)就同時(shí)滿(mǎn)足了不同的使用要求，如粉末涂料。防腐涂層的選擇在選擇防腐層的時(shí)候防腐涂層應(yīng)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(huì)對(duì)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(shí)間發(fā)展；能抵抗裝卸、儲(chǔ)存和安裝時(shí)的損傷；能有效地保持絕緣電阻隨時(shí)間恒定不變；抗剝離性能；抗化學(xué)介質(zhì)破壞；補(bǔ)傷容易；

28、物理性能保持能力強(qiáng)；對(duì)環(huán)境無(wú)毒；能防止地面儲(chǔ)存和長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程不發(fā)生變化和降解。目前國(guó)內(nèi)外適用于長(zhǎng)輸管道的防腐蝕涂層主要有煤焦油瓷漆、PE二層結(jié)構(gòu)、PE三層結(jié)構(gòu)、熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)、雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末(雙層FBE)覆蓋層等。下面將各種防腐蝕材料的主要優(yōu)缺點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用狀況及評(píng)價(jià)簡(jiǎn)述如下:(1)煤焦油瓷漆具有絕緣性能好、吸水率低、耐細(xì)菌腐蝕和植物根莖穿透、國(guó)內(nèi)材料充足及使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低(約5560 元/ m2) 等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低,適宜溫度范圍窄,低溫易變脆,生產(chǎn)施工過(guò)程中可能會(huì)逸出有毒氣體,需要嚴(yán)格的煙霧處理措施。國(guó)外使用已有70多年歷史,近年來(lái)因受環(huán)保的限制逐漸被其他覆蓋層代

29、替。我國(guó)已研制出達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的煤焦油瓷漆產(chǎn)品,分3 種型號(hào),以適應(yīng)不同的溫度需要。(2) PE 兩層結(jié)構(gòu)具有絕緣性能好、吸水率低、機(jī)械強(qiáng)度高、堅(jiān)韌耐磨、耐酸堿鹽和細(xì)菌腐蝕、耐溫度變化、國(guó)內(nèi)材料充足等優(yōu)點(diǎn),價(jià)格較低(約6065 元/ m2 ) 。缺點(diǎn)是耐紫外線性能差,陽(yáng)光下過(guò)久暴露易老化,與鋼管表面結(jié)合力較差,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(hù)。國(guó)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(yīng)用上僅次于熔結(jié)環(huán)氧粉末。國(guó)內(nèi)1985 年后廣泛應(yīng)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(guò)上萬(wàn)公里。

30、(3) PE 三層結(jié)構(gòu) PE 三層結(jié)構(gòu)防腐蝕層結(jié)合了高密度聚乙烯包覆、熔結(jié)環(huán)氧粉末的優(yōu)點(diǎn)。它利用環(huán)氧粉末與鋼管表面牢固結(jié)合,利用高密度聚乙烯耐機(jī)械損傷,兩層之間特殊的膠層使三者形成分子鍵結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)防蝕性能、機(jī)械性能的良好結(jié)合,是目前我國(guó)大型管道工程首選的涂層。PE 三層結(jié)構(gòu)防腐蝕層從1995 年在庫(kù)鄯線、陜京線應(yīng)用以來(lái),防蝕效果很好。但有人認(rèn)為:PE 三層結(jié)構(gòu)覆蓋層破損后,容易形成靜電屏蔽,陰極保護(hù)作用不能良好發(fā)揮。目前我國(guó)對(duì)此觀點(diǎn)尚未重視。PE 三層結(jié)構(gòu)防腐蝕層造價(jià)相對(duì)較高(約100 元/ m2) ,是其缺點(diǎn)之一。(4) 熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)具有與鋼管表面結(jié)合牢固、絕緣性能好、機(jī)

31、械強(qiáng)度高、耐溫度變化、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn),可適用于各種惡劣自然環(huán)境。主要缺點(diǎn)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(guó)外從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始應(yīng)用于管道防腐蝕,發(fā)展很快,是目前國(guó)際管道防腐蝕上采用量最多的覆蓋層。價(jià)格約在6570 元/ m2。(5) 雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（雙層FBE）與PE三層結(jié)構(gòu)類(lèi)似,具有和PE三層相同的綜合性能,機(jī)械性能尤其高,補(bǔ)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(wèn)題。3.2外壁腐蝕及防護(hù)管道的外壁腐蝕情況較為復(fù)雜,它與多種因素有關(guān),如管道的材質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)的均勻性、包含雜質(zhì)的種類(lèi)、數(shù)量、焊縫

32、熔渣和機(jī)械加工殘余應(yīng)力等,還與土壤性質(zhì)、電阻率、含水量、值、雜散電流、干擾電流、微生物等有關(guān)。如果用被腐蝕金屬的質(zhì)量來(lái)表示腐蝕速度,則有下列關(guān)系：W=I×T×K式中：W一 被腐蝕金屬損失的質(zhì)量,gI 一 腐蝕電流強(qiáng)度,AT 一 時(shí)間,sK 一 電化學(xué)當(dāng)量上述因素都會(huì)影響到腐蝕電流,其中,土壤電阻率是反映土壤腐蝕性的主要指標(biāo),土壤電阻率越小,形成腐蝕電池的電流強(qiáng)度越大,腐蝕速度則越大,反之亦然。目前埋地鋼管外壁防腐蝕較為常用的是絕緣層防腐蝕和陰極防腐蝕,兩者通常同時(shí)使用。絕緣層防腐蝕要根據(jù)管道所處地域的地形、地貌、地質(zhì)狀況正確選擇合理的防腐蝕材料,目前國(guó)內(nèi)外常用的有石油瀝青、

33、環(huán)氧煤瀝青、煤焦油瓷漆、聚乙烯熔結(jié)環(huán)氧粉末等。管道防腐蝕總成本應(yīng)包括以下幾項(xiàng)因素：材料、施工、修補(bǔ)、安裝、陰極保護(hù)、維修、檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)年限等,綜合以上各因素,目前國(guó)內(nèi)使用較多的是環(huán)氧煤瀝青防腐蝕。它分三個(gè)等級(jí)見(jiàn)下表,可根據(jù)不同的要求進(jìn)行選擇。陰極保護(hù)的兩種方法根據(jù)提供極化電流的方法不同，陰極保護(hù)可以分為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)兩種，犧牲陽(yáng)極法是用一種腐蝕電位比被保護(hù)金屬腐蝕電位更負(fù)的金屬或合金與被保護(hù)體組成電偶電池，依靠負(fù)電性金屬不斷腐蝕溶解產(chǎn)生的電流對(duì)被保護(hù)金屬構(gòu)成保護(hù)的方法，由于低電位金屬所在電偶電池中作為陽(yáng)極，偶接后其自身腐蝕速度增加，故被稱(chēng)作“犧牲陽(yáng)極”。外加電流陰極保護(hù)是利用

34、外部直流電源對(duì)被保護(hù)體提供陰極極化，實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)體的保護(hù)方法。外部電源的負(fù)極與被保護(hù)體相連，正極接輔助陽(yáng)極，輔助陽(yáng)極的作用是為了構(gòu)成陰極保護(hù)完整的回路。犧牲陽(yáng)極保護(hù)方法的主要特點(diǎn)是：(1)不需要外加直流電源，適用于無(wú)電源地區(qū)和小規(guī)模、分散的保護(hù)對(duì)象；(2)驅(qū)動(dòng)電壓低，輸出功率低，保護(hù)電流小且不可調(diào)節(jié)，陽(yáng)極有效保護(hù)距離小，使用范圍受介質(zhì)電阻率的限制，但保護(hù)電流的利用率較高，一般不會(huì)造成過(guò)保護(hù)，對(duì)鄰近金屬設(shè)施干擾小；(3)陽(yáng)極數(shù)量較多，電流分布比較均勻，但陽(yáng)極重量大，會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量，且陰極保護(hù)的時(shí)間受犧牲陽(yáng)極壽命的限制；(4)系統(tǒng)牢固可靠，施工技術(shù)簡(jiǎn)單，單次投資費(fèi)用低，不需要專(zhuān)人管理。外加電流陰極

35、保護(hù)方法的主要特點(diǎn)是：(1)需要外部直流電源；(2)驅(qū)動(dòng)電壓高，輸出功率和保護(hù)電流大，能靈活調(diào)節(jié)，控制陰極保護(hù)電流，陽(yáng)極有效保護(hù)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(guò)保護(hù)，也可能對(duì)附近金屬設(shè)施造成干擾；(3)陽(yáng)極數(shù)量少，系統(tǒng)重量輕，結(jié)構(gòu)重量增加不多，難溶和不溶性輔助陽(yáng)極消耗低、壽命長(zhǎng)、可作長(zhǎng)期的陰極保護(hù)、但由于系統(tǒng)使用的陽(yáng)極數(shù)量少，保護(hù)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(shè)備安裝、施工、維護(hù)較復(fù)雜、一次投資費(fèi)用高。因此，陰極保護(hù)方法的選擇應(yīng)根據(jù)供電條件、介質(zhì)電阻率、所需保護(hù)電流的大小、運(yùn)行過(guò)程中工藝條件變化情況、壽命要求、結(jié)構(gòu)形狀等決定，通常情況

36、下，對(duì)無(wú)電源、介質(zhì)電阻率低、條件變化不大、所需保護(hù)電流較小的小型系統(tǒng)，宜選用犧牲陽(yáng)極保護(hù)；相反，對(duì)有電源、介質(zhì)電阻率大、所需保護(hù)電流大、條件變化大、使用壽命長(zhǎng)的大系統(tǒng)，應(yīng)選用外加電流陰極保護(hù)，因此長(zhǎng)輸天然氣管道適宜用外加電流陰極保護(hù)。3.2.2陰極保護(hù)的參數(shù)保護(hù)電位，是指通過(guò)陰極保護(hù)金屬使金屬結(jié)構(gòu)達(dá)到完全保護(hù)或者有效保護(hù)所需達(dá)到的電位值，保護(hù)電位有時(shí)是個(gè)電位區(qū)間，人們習(xí)慣上將為達(dá)到陰極保護(hù)所諸極化電位中的最正的電位稱(chēng)為最小保護(hù)電位，而將最負(fù)的電位稱(chēng)作最大保護(hù)電位。如果被保護(hù)結(jié)構(gòu)的電位太負(fù)，超過(guò)最大保護(hù)電位，不僅會(huì)造成電能的浪費(fèi)，而且還可能由于被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面析出氫氣，造成表面涂層嚴(yán)重剝落或?qū)е陆饘贇浯?，即出現(xiàn)過(guò)保護(hù)的情況，美國(guó)腐蝕