油气管线腐蚀监测与防护研究

陈亚颐 赵黎 李兵元 木塔里甫·木拉提 罗李黎

[摘 要]近些年，管道泄漏事故频繁发生，不仅损失油气和污染环境，还有可能导致重大的人员伤亡。为确保管道安全运行及尽可能减少泄漏事故引发的不良影响，就需要加大对泄漏检测技术的研究力度，以便研究出准确性与灵敏性更高的泄漏检测技术。本文对腐蚀监测技术方法进行了介绍与分析，并结合油气管道的特点，提出了不同油气管道腐蚀监测系统监测的思路，并总结了通用的油气管线腐蚀防护方法，希望能为油气管道腐蚀防护控制提供参考。

[关键词]油气管线；腐蚀监测；腐蚀防护

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.04.027

[中图分类号]F273；TE988.2 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）04-00-02

0 引 言

油气管道指的是石油及天然气的输送管道，是国家公共安全管理的重要内容，属于八大类特种设备之一，普遍存在于国民经济和生产生活的各个领域，在国民经济中占有极其重要的战略地位。截至2016年12月，我国油气管线总里程累计约为12.6万千米，其中天然气管道约7.43万千米，原油管道约2.62万千米，成品油管道约2.55万千米。其中大部分管线已使用20多年，正逐步进入后期事故多发阶段。由于管线的老化及管线外部环境的影响，管线腐蚀情况严重，管道因腐蚀破坏而造成的穿孔泄漏事故时有发生。如果油气管线被损坏的话，就会引发严重的泄漏事故，这就会浪费大量的石油和天然气，不仅会造成严重的经济损失，还会出现环境污染、生态破坏等问题，进而会造成材料和人力浪费，甚至还可能因腐蚀引起火灾和爆炸，造成严重的安全生产事故。因此，研究油气管线的腐蚀监测与防护技术，具有重要的现实意义。

1 油气管线的腐蚀机理

油气管道，尤其是长距离运输管道在制造中所选用的材质通常是合金钢或碳钢。一般情况下，管道腐蚀属于电化学腐蚀中的一种，在电解质中，阳极金属发生溶解，并且放出电子，这些电子会被阴极发生反应时吸收，从而造成金属的持续溶解。电化学腐蚀过程如下所示。

阳极反应：→（氧化反应）

阴极反应：→H或→（还原反应）

电子的定向转移会产生腐蚀电流，加速了金属溶解，因此腐蚀监测主要是根据金属腐蚀情况、电位、电流及电阻的变化等因素，推导计算出金属腐蚀的速率等参数，从而直观地显示出金属的保护状态。

2 油气管线腐蚀的监测方法

油气管线的腐蚀监测通常分为内腐蚀监测、外腐蚀监测与腐蚀环境监测。这三类监测方法有其各自关注的侧重点，单独使用其中一种监测方法很难全面、客观地反映出管道整体的腐蚀情况。只有将这三类监测方法有机地、系统地结合在一起，才能准确、高效地完成油气管线腐蚀的监测任务。

2.1 内腐蚀监测

引起油气管道的内腐蚀的因素包括：输送介质的水、硫化氢、二氧化碳、无机盐的含量、输送介质的流动、输送的压力、介质温度，土壤的含盐量、含水量和温度等。这些因素会造成油气管道出现多种腐蚀现象，如均匀腐蚀、点蚀、应力作用下的部分腐蚀（磨损腐蚀、氢损伤、应力腐蚀开裂）等。管道出现腐蚀之后，典型表現是管壁变薄、出现应力腐蚀裂纹、蚀损斑及腐蚀点坑等。管道中的腐蚀检测技术主要是分析管壁的实际变化情况，获得管道被腐蚀的相关数据。当前，国内外都十分重视油气管线内腐蚀问题，均做了大量的研究工作，并研发出了多元化的检测技术，其中一些先进技术已被广泛应用并取得了显著的效果，比如超声波检测及漏磁检测等技术。

漏磁检测技术，指的是基于钢棒、钢管等材料高磁导率特性上的一种检测技术。如果钢管中不存在缺陷的话，绝大部分磁力线就会通过钢管，而磁力线就会呈现均匀分布状态；如果钢管内部存在缺陷的话，磁力线在传播过程中就会发生弯曲，同时有些磁力线还会从钢管表面泄漏出来。通过对磁敏传感器获得的测量结果进行分析，就可精准了解管线中的缺陷信息。通常情况下，漏磁检测方法适用于检测中小型管道中的细小缺陷。该检测方法具有操作简单、检测成本低、检测速度快等优点。

超声波检测是借助灵敏性很高的仪器对采集到的各种声发射信号进行接受及分析，通过分析及研究声发射源具体的特征参数，对油气管线的结构内部或材料缺陷的发展趋势、状态变化位置及程度进行科学判断。该方法是借助超声波的脉冲反射原理对管壁被腐蚀后的具体厚度进行测量，检测过程中应将探头垂直向管道内壁发射超声脉冲，首先探头应接受到从管壁内表面反射过来的脉冲，接着超声探头接收到从管壁外表面反射回来的反射脉冲，而这两个反射脉冲的间距就是对管壁厚度的具体反映。超声检测是直接检测管道腐蚀缺陷位置与深度的方法，具有很高的测量精度，适用范围较大、检测操作简单，定位准确，为检测后确定管道的使用期限和维修方案提供了极大的方便。同时，超声检测还适用于大直径、厚管壁管道的检测，能够准确检测出管道的应力腐蚀破裂和管壁内的缺陷，如夹杂等。因此，超声检测技术是国内外应用最广泛、使用频度最高、发展最快的一种无损检测技术。

2.2 外腐蚀监测

外防腐层的破坏主要有两种形式：一是破损，二是剥离。针对外防腐层破损检测的技术已相对成熟，非开挖检测的常用技术包括交流电流衰减技术、密间隔电位测试（CIPS）、人体电容法（Pearson）、直流电流电压法、直流电位梯度法（DCVG）等。目前，研究的重点在于防腐层剥离的检测评价。另外，电阻法也是一种成熟且常用的检测方法，该方法也被称为可自动测量的挂片法，其测定金属腐蚀速度是根据金属试样由于腐蚀作用使横截面积减小，从而导致电阻增大的原理。金属横截面积与电阻的关系如下。

R=e·L/A（1）

式（1）中R表示电阻，L表示金属管线的长度，e表示金属的电阻系数，A表示金属横截面积。

国内外利用该原理已经研制出较多的电阻探针用于监测设备的腐蚀情况，是一种研究设备腐蚀的有效工具。其不仅能在液相（电解质或非电解质）中测定，也能在气相中测定，能准确地反映出设备运行各阶段的腐蚀率及其变化。

2.3 腐蚀环境监测

监测管道所处环境，包括对土壤或空气中的湿度、盐分含量、酸碱度等环境参数进行监测和度量，并用来辅助分析管道发生腐蚀泄漏的风险。另外，也可以在管线所处环境中放入与管道相同材质的材料，通过对材料腐蚀的情况分析，判断管道腐蚀的情况，该方法被称为现场挂片法。具体来说，是将一定材质和规格的试片暴露在腐蚀环境中，经过某个特定的时间后对试片的质量变化进行测量和计算，并对试片表面进行检查的一种方法。腐蚀试片法是腐蚀监测中最基本的方法之一，虽然是较为传统的方法，但被认为是腐蚀的最可信证据。腐蚀试片法采取重量法——增重法和失重法，根据试片腐蚀的前后重量变化计算腐蚀速率。腐蚀试片法测试的腐蚀速率是监测周期内的平均腐蚀速率，通过测量已知时期内金属试样的失重或增重得到腐蚀信息，并根据试样的质量变化测出平均腐蚀速率。其计算方法如下。

CR=W×1000×365/A×T×D（2）

其中，CR表示平均腐蚀速率（mm/a）；W表示腐蚀失重（g）；A表示试样暴露面积（m2）；T表示暴露天数（d）；D表示金属试样的密度（g/m2）。

现场挂片法可用于任何环境，当腐蚀速度稳定时最适用。它可以测出腐蚀的具体类型，对相关技术要求不高，且费用不高等。然而其处理、安装和取卸较为繁琐，测试周期长，对腐蚀状态变化的反应速度慢，并且挂片也不能完全等同于油气管道及设备本身。

综上可见，对于管线不同部位腐蚀的检测方法，其侧重点以及技术手段具有较大的区别。为了增强不同方法之间的互补性能，提升管道腐蚀监测的准确性与可靠性，检测人员需要根据腐蚀情况选择合适的检测方法，只有将这三类监测方法有机地、系统地结合在一起，才能准确、高效地完成油气管线腐蚀的监测任务。

3 油气管线防腐蚀措施

3.1 预防管道外部防腐的措施

在预防油气管道外壁出现腐蚀现象的过程中，工作人员需要采取两次防腐措施：先采用的是防腐绝缘层，后采用的是阴极保护。①防腐绝缘层。对埋藏于地下的所有油气管道采取防腐绝缘措施，这也是当前预防油气管道出现腐蚀问题的重要环节。该防腐方式能够有效将油气管道和周围土壤较好分离，以降低管道外壁与土壤接触的机会，从而对油气管道进行有效防护。②阴极保护。保护油气管道中阴极的主要措施，是借助外加电流或外加犧牲阳极的形式，消除土壤中管道的原电池阳极区，把管道变成阴极区，以实现有效保护的目的。

3.2 保护油气管道内壁的措施

与油气管道外壁经常接触土壤不同，油气管道内壁接触的物质主要是天然气等，这些物质包含有大量的腐蚀杂质，如二氧化碳等，再加上物质的压力、温度等因素的综合影响，都会导致油气管道的内壁出现严重腐蚀。①保护管道内壁界面的方法。在防护油气管道内壁出现腐蚀问题的过程中，首先需要采取措施保护好油气管道内壁界面。该保护措施包括电化学保护或涂抹防腐层。②降解运输物质的方法。在对油气管道采取有效的保护措施后，还需要对运输物质进行必要的降解处理，以便降低天然气、石油等物质的杂质，也可降低这些物质的浓度，在确保经济性的前提下，还可以合理提高其流速，尽可能减少其与内壁层的接触机率。③选用耐腐性能强的材料。无论是保护内壁界面还是降低天然气、石油浓度，都可以应用到普通的油气管道保护上，特别是油气的短途运输中。然而，对于长途油气管道来讲，由于这些管道分量比较轻，不便于在内壁面做防腐处理，这就需要把防腐处理放置在材质上，从而选用耐腐蚀能力强的材料生产油气管道。

4 结 语

随着油气管线向着长距离、大口径、高压力、厚壁化发展，管道腐蚀监测和防护均是管道腐蚀控制过程中的重要环节。单一腐蚀参数监测已难以满足腐蚀控制的更高要求，而各种在线腐蚀监测技术与计算机技术相结合建立腐蚀在线实时监测网，就能将数据的采集、处理、分析、预测及反馈命令一体化，从而实现油气管道腐蚀状态的全面、实时监测，有利于对城市输油气管网及偏远复杂环境下的长输管道腐蚀状态相关情况进行安全监控。

主要参考文献

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[2]寇杰，梁法春，陈婧.油气管道腐蚀与防护[M].北京：中国石化出版社，2008.

[3]刘慧芳，张鹏，周俊杰，等.油气管道内腐蚀检测技术的现状与发展趋势[J].管道技术与设备，2008（5）.