油气输送管道内冲刷腐蚀的研究进展

原徐杰

（上海中挪海事技术有限公司，上海 201417）

【综述】

油气输送管道内冲刷腐蚀的研究进展

原徐杰

（上海中挪海事技术有限公司，上海 201417）

根据油气管道的运行情况，从材料、环境和流体力学 3个方面阐述了管道内冲刷腐蚀的影响因素。介绍了冲刷腐蚀的研究方法(主要包括实验研究、数值模拟与现场试验)。给出了一些防护措施。

管道；冲刷腐蚀；影响因素；防护措施

Author’s address:CCS-DNV Technology Institute, Shanghai 201417, China

21世纪以来，我国的石油和能源工业得到了高速发展，油气输送管线的建设越来越快，目前最引人关注的是油气管道输送过程中由腐蚀引发的安全问题。在运行过程中，油气管道内壁除受CO2、H2S、水等介质的腐蚀外，还受到固体细颗粒的影响，主要表现为气固两相流或多相流在高流速下对管道内壁产生的冲刷腐蚀。冲刷腐蚀广泛存在于石油、化工、机械、航天、建材、交通、电力等各行业中，有数据表明由它造成的损失占总腐蚀量的9%，磨损量的5%[1]。也有资料表明在原油处理站的集输管道发生的穿孔事故中，由磨损及冲刷腐蚀引起的比例占到80%[2]。由此可见，冲刷腐蚀对油气输送管道的安全运行影响很大。

冲刷腐蚀(erosion corrosion)又称为磨损腐蚀，是由金属表面与腐蚀流体之间高速相对运动所引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀协同作用的结果[3]。冲刷腐蚀按介质可分为单相流、双相流和多相流。单相冲刷腐蚀由高速流动的单相腐蚀流体造成，主要发生在输送高纯度腐蚀性液体的过流部件。而在工业中常发生由双相流引发的冲刷腐蚀。另外由固、气、液等引发的多相流冲刷腐蚀，其机理过程较为复杂，在各行业中也普遍存在[4]。冲刷腐蚀最严重的部位通常位于局部扰流段、流速变化较大区域、管道突然转向处、管道底部等[2,5-6]。

1 影响冲刷腐蚀的因素

冲刷腐蚀是一个十分复杂的过程，在实际运输油气时，管道内是高温、高压、高速的气液固三相混合物，因此影响因素较多，主要包括管道材料、环境和流体力学3个方面[7]。

1. 1 管道材料

管道所用材料的化学成分、耐蚀性、硬度、冶金过程等都会影响管壁的耐冲刷腐蚀性能[8]。一般情况下，在比较温和的腐蚀环境中材料的硬度越高，材料的耐冲刷腐蚀性能越好。在比较苛刻的环境中，材料的耐冲刷腐蚀性则主要取决于材料的耐蚀性[9]。金属材料在冲刷条件下表面的钝化膜开裂后的再钝化能力决定了该材料的耐冲刷腐蚀能力[10]，因此材料表面形成钝化膜的难易程度及其稳定性、粘着力，与流体对材料表面剪切力和冲击力等，都对冲刷腐蚀有很大的影响[11]。一般钝化成膜速率较快的金属材料表现出极低的质量损失。而油气输送管道内处理得比较光滑，完整的内保护涂层等在一定流速下能起到良好的保护作用[12]。

1. 2 环境

环境的影响主要是管道内温度。材料的冲蚀率随环境温度的变化比较复杂，有 2种表现[13-14]。第一种是随温度升高，冲蚀速率降低，这有 2种原因：一是由于材料表面容易形成氧化膜，增强了其抗磨损性能；二是由于材料的塑性提高，当管壁表面受到固体颗粒冲击时，部分颗粒的动能被吸收，降低了冲击动能。另一种是随温度升高，冲蚀速率增大，高温下材料表面氧化生成的氧化膜被固体颗粒冲击而脱落后，会增加冲蚀速率。

1. 3 流体力学

流体力学因素主要包括流速、流态、攻角、颗粒性质等，它们通过改变流体对材料的冲刷强度或传质过程来产生影响。

1. 3. 1 流速

流速不仅在油气输送过程中有很重要的影响，而且在冲刷腐蚀过程中扮演着重要的角色，也是流体力学因素中唯一可控的参数。流体的流动会对管道产生质量传递和表面切应力效应。一般情况下，提高流速加速了氧的传质过程，增强了金属的钝化和再钝化能力，使金属钝化占主导地位，而冲蚀作用相对较弱；同时又使流体在金属表面产生较大的剪切力，导致其上保护膜剥落，重新暴露出裸金属，加剧了管道材料的冲刷腐蚀[15]。

1. 3. 2 流态

油气输送管道通常表现为高压和高流速的输送状态，因此管道内流体的流态主要表现为分层流和冲击流(段塞流)。前者主要表现为管道内水与腐蚀性介质中的电化学腐蚀，此时管道内壁受到的冲击腐蚀较弱。后者则是一种高速的紊流状态，会对管道内壁产生很高的剪切应力。流体的流动和剪切力的共同作用会使缓蚀剂失效，也会使管壁表面的涂层及钝化膜剥落，从而对管道内壁产生强烈的机械冲刷和内腐蚀作用[16]。

1. 3. 3 攻角

粒子入射方向与试样表面的夹角称为攻角。流体在材料表面冲刷的力可以分为水平和垂直 2个方向，它们的损伤作用不同：水平的力对管壁产生切削作用，垂直的力对壁面产生撞击作用。因此攻角不同，对管壁的作用也就不同[17]。攻角对材料冲刷腐蚀性能的影响与材料的性质有关。一般情况下，随着颗粒冲蚀角度增大，脆性材料冲刷腐蚀速率逐渐增加，最大冲蚀率在90°处。而延性材料的最大冲蚀率在15° ～ 40°之间[18]。

1. 3. 4 颗粒性质

固体颗粒的硬度、浓度、半径等都会影响管道内颗粒物的冲刷腐蚀行为。随着颗粒浓度增大，冲刷腐蚀速率增大，但两者并不是线性关系。颗粒含量较多时，颗粒之间相互影响会产生屏蔽效应，反而会降低材料的冲蚀作用[19]。固体颗粒的硬度与材料表面硬度之比可以用来判断颗粒对材料冲蚀腐蚀影响的大小[20]。颗粒的硬度越高，管道内壁受到的冲刷越严重。多角颗粒往往比球形颗粒更容易引起冲刷腐蚀。冲刷腐蚀速率也会随着颗粒粒径的增大而增大[21]。

1. 4 其他

油气输送管道冲刷腐蚀除了受以上因素影响之外，还与输送介质的pH、相对湿度、腐蚀介质(CO2、H2S等)的浓度等有关，它们主要作用于管道材料的电化学腐蚀。一般情况下，输送介质的pH越小，冲刷与腐蚀的协同作用越大，腐蚀速率就越快。另外，输送介质中含有的 CO2、H2S、Cl-等也会溶解在液相介质中，使管壁表面形成酸性的环境，从而加剧了输送管道内的冲刷腐蚀。总之，这些因素会使金属管材表面生成的膜的性质和成分不同，因此对油气输送管道内的冲刷腐蚀产生一定的影响。

2 冲刷腐蚀的研究方法

目前，国内外研究人员主要通过在实验室建立模拟装置进行实验研究，利用仿真模拟软件进行数值模拟计算，以及现场测试等方法对冲刷腐蚀的机理和影响因素进行相关研究。

2. 1 实验研究

实验研究是获得材料冲刷腐蚀性能参数的有效方法，是基于现场的调研在实验室建立模拟试验装置，采用一定的实验方法并获得相关结论的过程。目前国内外用于研究冲刷腐蚀的试验装置比较成熟，应用较多的主要包括射流式冲刷腐蚀试验机、管流式冲刷腐蚀试验机、旋转电极式试验机、Coriolis冲蚀试验机等[22]。采用电化学方法(主要包括极化曲线、电化学阻抗谱、电化学噪声等[23])和失重法可以定量地获得各环境参数下的冲刷腐蚀速率。但这 2种测试方法也有其自身的缺陷：通过失重法获得数据需要比较长的实验周期，而且获得的是材料总体的损失速率；电化学方法虽然既可以定量地给出冲刷腐蚀速率，也能定性地记录试样表面的腐蚀状态[24]，但测试过程中受外界的干扰较大，因此必须对电化学设备做好屏蔽措施。

2. 2 数值模拟

数值模拟计算方法已经广泛应用于油气管道内的流体问题分析及动态模拟。通过建立各参数条件下的基本守恒方程，结合边界条件、数值计算理论及方法，预估实际过程的流场(如速度场、温度场、浓度场等)分布，最终获得管道内的冲刷腐蚀速率。此法不受实验条件限制，能够很好地指导实验，并节省费用和时间，特别适用于难以用试验完成的测量。很多研究人员采用CFD(计算流体动力学)软件对管道内的冲蚀进行模拟计算[25-30]，其中FLUENT软件应用最为广泛，功能也很强大。

2. 3 现场试验

除了在实验室进行试验和利用软件进行数值模拟计算以外，还可以采用现场试验法，即利用现有的油气输送管道环境，将样品放入管道内，试验结束后取出以获得相应的试验数据。现场试验所得数据更符合实际工况。但是由于油气管道运行环境特殊(如高温高压等)，在现场工况下进行试验有一定的难度，实施起来比较困难。

3 冲刷腐蚀的控制措施

3. 1 合理选材

在确定材料前，对材料分别进行室内和现场试验评价，结合相关标准进行合理地选材，还需考虑材料的可行性和经济因素。

3. 2 涂覆防腐涂层

在管道表面覆盖防腐涂层可以很好地阻隔材料与流体介质的接触，防止化学和电化学腐蚀，且防腐涂层自身的机械性能及其光滑的表面有一定的抗冲刷性能[31]。因此在管道内涂覆防腐涂层不仅可以减少输送阻力，提高输气效率，而且能较好地保护管道内壁。

3. 3 改善流体介质的成分

净化输送的流体介质，特别是 CO2、H2S等腐蚀性介质；同时要尽可能地过滤掉管道内的固体颗粒和悬浮物，清除水分。

3. 4 改善管线设计

通过改善管线设计可以更好地降低冲刷腐蚀对油气输送管道带来的损失。冲刷腐蚀主要发生在三通、变径、弯头等改变流体方向、流体速度过大和紊流严重的部位，因此首先可以通过改变管件尺寸(如半径、外形等)来降低冲蚀对管道的影响。其次，改进管件的壁面结构也能降低管件的局部磨损，比如适当增加材料的厚度或者在磨损处设置挡板等，都可以延长管道的使用寿命[32-35]。

3. 5 阴极保护

阴极保护是一种电化学保护方法。对油气输送管道内壁采用一定的阴极保护技术可以在一定程度上抑制冲刷与腐蚀的协同效应，从而减轻冲刷腐蚀对管线的影响。不过该法还存在一些问题，如保护距离短，样机与管道内壁绝缘难，安装复杂[36]。

3. 6 使用缓蚀剂

向管道内加注缓蚀剂，可以减缓或抑制管道内的腐蚀。缓蚀剂可以在管道金属表面形成一层保护膜，隔离管道内壁与腐蚀介质，进而降低管道内的冲刷腐蚀。但是加注缓蚀剂的运行成本较高，且加注设备的管理和维护也比较困难，须完善缓蚀剂的加注工艺及管理。

3. 7 其他

除了以上的防腐控制措施外，控制流速和流态也可以很好地控制冲刷腐蚀对管道的影响。还可以利用表面改性手段，如通过表面热处理增加材料的硬度以及表面涂/镀耐磨耐蚀涂层等，以减轻介质流体对金属表面的冲击，进而减少冲蚀发生[21]。对于已建成的管道，加强腐蚀检测也是有效预防冲刷腐蚀的方法之一。在管线的常规运行过程中，要进行定期监测和预防工作，监测管道、设备以及管道内腐蚀介质和环境参数的变化情况，并进行汇总分析，以便及时发现问题，减少冲刷腐蚀对管线及生产运行带来的损失。

4 结语

冲刷腐蚀对油气管道的安全运行有重大的影响，它是由冲刷和腐蚀共同作用的结果。管道内的环境比较恶劣，因此影响因素较多且相互影响，这给研究油气管道内的冲刷腐蚀带来了一定的困难。总体来讲，冲刷腐蚀主要受材料、环境、流体力学等因素的影响。目前国内外主要采用实验研究和数值模拟计算来研究其相关规律和机理。为了保证油气输送管道的安全运行，可以通过合理选材、涂覆防腐涂层、改善流体介质和管线设计、采用电化学阴极保护措施和缓蚀剂、监测腐蚀等来控制冲刷腐蚀，以最大限度地延长管道的使用寿命。为了更有效地控制冲刷腐蚀，须在现有测试方法的基础上不断开创新的测试方法，并开发新的、有效的防腐手段。

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[ 编辑：杜娟娟 ]

Research progress of erosion corrosion of oil and gas pipeline

YUAN Xu-jie

The influential factors of erosion corrosion happened in pipeline were described from aspects of materials, environment and hydrodynamics based on the operation conditions of oil and gas pipeline. The research methods of erosion corrosion were introduced, mainly including experimental research, numerical simulation and field test. Some preventive measurements were given.

pipeline; erosion corrosion; influence factor; prevention measurement

TG178; TG172.2

B

1004 - 227X (2016) 20 - 1091 - 04

2016- 06-01

2016-09-29

原徐杰（1986-），女，山西长治人，硕士，工程师，从事金属材料的腐蚀与防护。

作者联系方式：(E-mail) silence1846@163.com。