石油管道防腐机理与技术探究

吴金萍

(国家管网集团西南管道有限责任公司兰成渝输油分公司，四川 成都610000)

在石油管道的生产制造、安装敷设和使用维护等阶段，防腐处理是共同关注的焦点。特别是对于一些使用年限较长的老旧石油管道，或者是在石油含水率较高的情况下，管道内壁腐蚀的情况尤为严重。我国每年因石油管道腐蚀引发的石油泄漏事故屡见不鲜，由此带来的环境污染和经济损失也特别严重。明确石油管道的腐蚀类型和腐蚀机理，进而采取针对性的防腐技术，能够更好地提升防腐效果。除此之外，新材料、新工艺的研发和应用，在降低防腐成本和增强防腐效果方面也有积极作用。研发和推广石油管道防腐新技术已成为当下石油行业工作人员的重要研究课题。

1 石油管道腐蚀常见类型与内在机理

1.1 硫化氢腐蚀

硫化氢(H2S)是一种溶解度极高的气体，干燥状态下不会对金属管道产生腐蚀，但是在溶于水之后，发生离解并使水体呈酸性，从而对金属产生腐蚀。H2S彻底离解后，得到H+和S2-两种离子，腐蚀机理为：

阳极：Fe→Fe2++2e；阴极：2H+2e→Had→H2。

研究发现，当石油中硫化氢浓度较低时，腐蚀产物以硫化铁(FeS)为主，它能够附着在金属管道内壁上，形成一层致密的膜，起到保护金属管道的作用，延缓腐蚀进程；当石油中硫化氢浓度较高时，腐蚀产物以二硫化铁(FeS2)、四硫化三铁(Fe3S4)为主，这两种化合物为疏松的层状结构，会进一步加快腐蚀速率。除了硫化氢浓度影响石油管道腐蚀速率外，如果石油管道内壁上出现裂纹，也会为溶液中H+的富集提供良好条件，因此裂缝处腐蚀情况会更加明显。

1.2 二氧化碳腐蚀

二氧化碳(CO2)溶于水后，得到呈弱酸性的碳酸，溶液中游离的H+具有极强的氧化性，会促使阳极铁溶解，从而对金属管道产生腐蚀。其腐蚀机理为：

阳极：Fe→Fe2++2e；阴极：H++2e-→H2。

在pH相同的情况下，二氧化碳溶于水后形成的碳酸，其腐蚀速率高于盐酸；在相同的溶液中，温度与腐蚀速率呈正相关关系，即温度越高，石油管道腐蚀速率越快。除此之外，二氧化碳还能与硫化氢产生协同腐蚀，当石油管道内同时存在两种气体时，腐蚀速率会进一步加快。

1.3 空泡腐蚀

在石油管道内，当石油以较快速度流动时，在管道表面会产生若干涡流，在发生涡流处有不同数量的气泡快速生成、破灭，瞬间破裂的气泡会产生冲击力，长此以往就会在管道表面出现磨蚀痕迹，这种现象称为空泡腐蚀。在腐蚀现象出现的早期，多以管道内壁出现蜂窝或裂纹为主，随着腐蚀的加重，零散分布的空洞、裂缝会不断扩大并连接成片，最终形成气蚀断裂。影响空泡腐蚀速率的有多种因素，其中又以流体含气量影响最大。含气量越高的情况下，石油撞击管道内壁产生的气泡数量也会越多，从而使得腐蚀范围更广、腐蚀速度更快。

1.4 湍流腐蚀

石油在管道内以较快速度流动时，流体与管壁之间存在一定的摩擦力，石油管道投入使用的年限越长，因为摩擦力而造成的磨损情况会变得越严重，从而形成磨蚀损坏。其中，因为湍流而引发的磨蚀，又称为湍流腐蚀。相比于普通的磨蚀，湍流腐蚀对石油管道造成的破坏更加明显，一方面是因为湍流的存在，使得腐蚀介质与金属管道的接触更加频繁，另一方面是因为湍流的存在，使金属表面产生了额外的切应力，由石油流体带来的切应力会加速管道内壁松腐蚀产物的剥离，从而加快了腐蚀速率，在相同时间内管道腐蚀情况也会变得更加严重。

2 石油管道内壁防腐技术

2.1 缓蚀剂技术

按照主要成分的不同，石油管道防腐中常用的缓蚀剂有链状有机胺缓蚀剂、季铵盐缓蚀剂、咪唑啉缓蚀剂等若干种类型；按照电化学作用机理的不同，又可以将其分为阳极型、阴极型和混合型缓蚀剂。虽然在具体分类上有所差异，但是其防腐机理和使用方法大体相同。在石油管道的起始位置，向石油中加入适量的缓蚀剂，之后在缓蚀剂的作用下，管道内壁上会形成钝化膜、沉淀膜等不同类型的保护膜。根据膜的具体类型，有的是起到降低摩擦阻力的效果来削弱腐蚀，有的是起到保护金属材料的效果来延缓腐蚀。相比于内涂镀层等常用防腐技术，加入缓蚀剂进行管道防腐，具有操作更加简单、综合成本更低的优势，另外其还具有很强的环境适应性，是油气工业中比较常见的一种防腐技术。

2.2 内涂镀层技术

在石油管道内壁均匀喷涂一层惰性防腐材料，一来可以使原本粗糙的管道表面变得光滑，减小石油流动使的摩擦系数，二来可以发挥对金属管壁的保护作用，防止酸性或盐类物质的腐蚀。根据使用材料的不同，目前常用的内涂镀层技术又可以分为环氧粉末涂敷和液体环氧涂料喷涂两种。

2.2.1 环氧粉末涂料

这类涂料具有诸多性能优势，例如附着力强，喷涂前只需要做好管道内壁表面的清理即可，不需要提前喷涂底漆，工序较为简单，作业相对方便；还有就是流平性较好，能够形成厚度均匀、密度一致的保护层，既保证了管道内壁光滑，又可以发挥很好的防腐效果。按照微观组分的不同，又细分为双氰胺固化环氧粉末涂料、酚醛固化环氧粉末涂料、环氧聚酯粉末涂料等若干种类。不同类型的涂料在实用功能和化学性质上存在差异，在喷涂作业时要根据所选材料的类型确定最佳的喷涂方式。

2.2.2 液体环氧涂料

这类涂料在使用时，需要配合使用固化剂，并根据产品说明书将液体环氧涂料和固化剂进行配比，充分拌匀后使用。喷涂时，做好石油管道内壁的清洁处理，除了清理表面的灰尘、松散的金属颗粒外，还要采取喷丸除锈的方式，将管道内壁局部生锈的地方打磨干净。之后从石油管道的一端，连接空气压缩机，使用干燥、无油的空气将管道内的铁锈、砂粒等清理干净，之后再喷涂液体环氧材料。目前的喷涂方式有多种，比较简单的有空气喷涂，以及近年来出现的旋杯静电喷涂等。喷涂前通过摇晃使材料混合均匀，装入专用的喷涂设备中，调节好参数后，在管道内壁上喷出涂料，硬结后得到一层密致且均匀的防腐层。为了提升防腐效果，通常需要在第一遍喷涂结束后，间隔2h左右再喷涂第二遍。之后静置约6h，使用内窥镜进行检查，以判断喷涂效果是否达标，以表面光滑、无气泡为宜。使用无损检测仪，以判断喷涂厚度是否一致。

2.3 阴极保护技术

电化学腐蚀也是石油管道内壁腐蚀的一种常见形式，阴极保护技术对防止此类腐蚀有显著作用。外加电流的阴极保护法需要从外部通入电流，抵消腐蚀电池产生的电流，进而达到延缓或阻止电化学腐蚀的效果。但是考虑到石油管道的跨度较大，每隔一段距离设置一处电源提供电流，一来施工比较繁琐，二来也无法保证电流供给的稳定性。因此，牺牲阳极的阴极保护法在经济性、实用性上有更为突出的优势。其原理就是把一块活泼性较强的金属块，放置于石油管道上，这样当发生电化学腐蚀时，首先消耗金属块，从而达到了保护金属管道的目的。

2.4 耐蚀性基材

上述几种防腐技术都是采用外部手段保护石油管道，而挑选耐蚀性基材则是从根本上增强石油管道的防腐能力，是一种性价比更高的防腐措施。根据基材种类的不同，大体可分为金属基材和非金属基材2种。前者又细分为合金、不锈钢等类型，例如13Cr马氏体不锈钢，无论是在酸性环境下，还是长期与盐类接触中，都能保证石油管道不受腐蚀；铁镍合金的耐蚀性优越，且不容易出现裂纹、蜂窝，对防止点状腐蚀、缝隙腐蚀有良好效果，此外还有极强的力学性能，有助于提高石油管道的承压能力。后者又细分为塑料、橡胶、陶瓷等类型，除了增强耐腐蚀能力外，还具有一定的环保效益，也是目前石油管道加工制作中较为常用的耐蚀性基材类型。

2.5 衬里技术

该技术的原理是在石油管道内增加内衬，并且保证与管道内壁紧密贴合，除了提高管道耐腐蚀、耐磨蚀性能外，还具有承压、阻垢的效果，对延长石油管道整体寿命也有积极效果。翻转内衬是一种比较成熟的衬里工艺，防腐机理选用的是具有防渗效果好、耐腐蚀能力强的复合纤维软管，将其放入环氧树脂中浸泡，以空气作为动力，将软管置于石油管道内。待树脂材料干燥后，将软管与金属管道紧密连接成一体，以软管作为内衬，起到保护金属管道的作用。这种技术适用于那些地下管线较为复杂、作业难度较大的情况，使用该技术能够简化操作、节约成本。有研究表明，相比于未采取任何防腐措施的石油管道，采用翻转内衬法处理的石油管道，其寿命可延长20-30年。

3 玻璃钢内衬管防腐技术的应用

3.1 技术优势

玻璃钢(FRP)是一种由玻璃纤维和合成树脂组合而成的复合材料，将其作为石油管道的内衬，一方面是利用其耐腐蚀、不结垢的特点，发挥理想的防腐效果；另一方面，利用其质轻而硬、机械强度高的特点，从内部发挥对管道的支撑、加强作用。在选用玻璃钢时，不同类型的合成树脂会对玻璃钢的性能产生直接影响，例如双酚A型聚酯对碱性腐蚀的抗性较好，而氯氤酸型聚酯对酸性腐蚀的抗性更强，呋喃树脂在高温环境下不容易发生变形，乙烯基酯树脂在强氧化环境下也能保持物理与化学性质的稳定。因此，在技术应用时，根据石油管道的运行环境和防腐要求，科学选择恰当类型的合成树脂，与玻璃纤维混合制成玻璃钢材料，对提高石油管道的防腐效果有积极作用。

3.2 施工要求

在安装玻璃钢之前，要做好石油管道内部处理。要求石油管道没有明显变形，并且提供足够的刚度。在金属管道的焊接处，不允许有毛刺、焊渣，如果有异常凸起要使用砂轮进行磨平。检查管道内壁有无锈蚀情况，如果有也要除锈，保证内壁光滑，呈银灰色。使用清洁、干燥的空气吹净，然后均匀涂刷一层底漆。尽量选择收缩率小、粘结性强的树脂材料作为底漆，优先考虑环氧树脂、酚醛树脂。喷涂底漆应保证均匀，为下一步安装内衬玻璃钢管创造良好的环境。将准备好的玻璃钢管放置于内衬机的管坯架上，使用两侧的夹具进行固定，然后由内衬机提供进给动力，推动玻璃钢管进入到涂有底漆的石油管道内，将端口封闭后完成内衬施工。

3.3 质量检查

完成内衬施工后，还要对石油管道的玻璃钢内衬层进行质量检查，确保达到理想的防腐效果。根据检查项目的不同，选择相应的检查方法，例如裂纹、气泡检查，可以使用目视法，或者是内窥镜法；内衬层厚度检查，则需要借助于单面测厚仪等专用设备。按照相关标准，使用双层布的玻璃钢，厚度不得低于0.5mm；使用四层布的玻璃钢，厚度不得低于1.0mm。使用工具将玻璃钢内衬管切开，得到20mm×40mm的长方形切口，观察玻璃钢与金属管之间的粘结效果，如无明显分层或夹杂气泡即为合格。

4 结束语

做好石油管道防腐工作，对维护石油公司自身利益，以及保障不同地区用油需求，促进社会经济稳定的发展有积极影响。现有的防腐技术体系中，既有“治本”的技术措施，如在石油管道生产、制造阶段，选用橡胶、不锈钢等耐蚀性基材，或者是加入玻璃钢作为衬里等，从源头上增强石油管道的耐腐蚀能力；也有“治标”的技术措施，如安装活泼金属作为阳极，保护阴极管道免遭腐蚀。无论选择何种防腐技术，都必须熟悉防腐机理和掌握操作技术，并定期做好防腐效果观测，才能切实保护石油管道的使用安全。除此之外，石油公司应密切关注行业新技术、新材料和新工艺的发展动态，不断创新防腐技术，使得石油管道防腐性能得到持续性提升。