天然气处理厂建设中管道防腐工艺设计与应用研究

＊宋 亮

（中国葛洲坝集团国际工程有限公司 北京 100025）

现阶段天然气的长距离运输越来越常见，在这一背景下所造成的管道腐蚀问题不容忽视。从技术发展现状来看，造成管道腐蚀的原因是多方面的，为了能够更好地解决管道腐蚀问题，则需要工作人员能够对管道防腐工艺进行改进，形成一套完整的防腐工艺之后，才能更好的顺应未来行业发展要求。而在实际上，天然气的管道防腐处理具有复杂性，因此需要工作人员能够进一步完善管道防腐工艺方案，这也是本文研究的重点内容。

1.天然气处理厂建设中管道腐蚀的类型

（1）内壁腐蚀问题。内部腐蚀是天然气处理厂建设中管道防腐中不容忽视的问题，这是因为天然气中的水分会引发一系列电化学反应，进而在管道内部覆盖一层电解质溶液薄膜，在该薄膜的作用下会造成原电池反应情况，并且在天然气运输过程中所残存的有害物质也会造成管道壁被直接破坏，导致管道的物理性能下降，因此随着时间的推移，在管道内部可以发现管道内壁疏松以及穿孔损害等问题，最终导致管道的物理性能无法达到预期要求，这已经成为不容忽视的问题[1]。

（2）外壁腐蚀问题。外部因素所造成的管道腐蚀同样不容忽视，造成腐蚀的原因主要分为以下几方面：①土壤腐蚀问题。这是因为天然气在长距离输送中，所选择的管道通常被敷设在地下，作为一种钢制材料，在地下会面临严重的管道腐蚀问题。同时土壤本身具有多相性与不均匀性的特征，部分地区的土壤具有疏松多孔的特性，在长期运行过程中会造成水分下渗，导致水分直接接触管道而造成腐蚀。同时部分项目的土壤本身的水分含量较高，会进一步加剧管道腐蚀现象。②氧气不均所造成的腐蚀现象。在管道埋设过程中，受到土壤环境、管道结构等因素的影响，会导致氧浓差电池腐蚀的现象，同时沙土中的含氧量偏多，但是黏土中管道的氧气不足，这一情况会增加氧浓度差电池而加剧管道腐蚀的发生率。不容忽视的是，运输管道的不同排放位置会引发氧浓度差电池，最终引发管浓度差异问题。③杂散电流所造成的管道腐蚀。造成此类电流的主要原因就是漏电，如火车、地铁等直流电设备所泄漏的电流所引发的腐蚀现象，一般认为，地下设备经常会受到杂散电流的侵蚀，且电流在进入管道之后再经过特定渠道回流，在这个过程中，电流散落的部位就可能造成腐蚀破坏现象。④微生物腐蚀。微生物腐蚀对天然气管道的影响不容忽视，虽然自然界中可以腐蚀钢铁的微生物较少，但是盐酸盐还原菌、流感菌等微生物依然会对管道的性能造成威胁。同时天然气运输管道周围具有环境阴暗潮湿的特征，在这种自然气候环境下会增加微生物繁殖的速度。而微生物的大量繁殖本身会生成大量的元素硫，该物质在氧化之后会形成硫酸而严重腐蚀金属，最终影响到天然气管道的性能。同时受到生物活动的影响，会刺激硫酸盐土壤培育的硫酸盐还原菌的生成，并且受到生物催化作用的影响，微生物对管道的腐蚀问题表现得更为严重[2]。⑤大气腐蚀问题。此类腐蚀问题主要表现为潮湿的大气腐蚀，这是因为大部分空气中含有一定的水分，水分对钢管的直接腐蚀作用会破坏管道的原有结构。同时受到酸性物质二氧化硫、氮氧化物气体等融入附着在金属表面的水中，这种现象长期存在会发生一系列化学反应，导致在管道表面上生成数量不一的硝酸溶液，此类溶液的腐蚀能力更强，对金属管道物理性能的影响不容忽视。

2.天然气处理厂建设中管道防腐工艺设计

（1）涂层防腐处理工艺。在管道建设中为了能够有效脱除酸性物质与水分，减少水分腐蚀问题，首先在气源处理中就应该有效清除建筑物中的杂质，在运输天然气之后，这种处理办法可以有效减少对管道的损失。同时在管道的内壁上涂抹一层具有良好抗腐蚀性能以及阻力较高的防护液体,也可以取得满意的效果，如目前较为流行的环氧树脂静电粉末喷涂工艺等，上述工艺的出现可以显著提升原材料的防腐效果同时需要注意的是，单一涂层工艺无法取得满意的防腐效果，因此为了能够解决上述问题，则需要同时使用多种涂层，在保证功能叠加之后使每个涂层都会产生相应的防腐效果。如对底漆、中部漆、面漆的使用上都需要涂一次或者数次，若涂料结构防固性更好，那么涂一层就能达到很好的效果，节约了资源和成本，属于一种科学可行的防腐工艺技术。

在选择防腐涂层中，应从以下几个方面来评估防腐涂层技术的可行性，包括防水涂层技术的隔水屏障效果、绝缘性能等，并且防腐工艺中要避免会影响正常的天然气管道运输，并实现环境友好的目标等。从技术现状来看，目前我国技术成熟的涂层技术有煤焦油磁漆涂层技术，该技术具有良好的绝缘性与吸水性，可以抵抗细菌对管道的侵蚀作用，同时与其他技术相比，该技术具有价格低廉的优势。但是也有报告指出，该工艺会影响天然气管道的机械强度与保温效果，若气温较低则会影响管道安全，所以在气候寒冷地区难以推广该工艺[3]。

相比之下，PE二层结构具有绝缘性能好、吸水率低以及高机械强度的优点，满足天然气处理厂管道处理的基本要求，但是该方法无法在气候下长时间暴露，若光照时间增加，会导致管道材料表面出现强度下降以及老化的问题，所以该工艺常被运用于地下管道施工中。

从涂层处理工艺来看，常见工艺技术包括以下几种类型：①油漆类：如油脂漆、醇酸树脂漆、过氯乙烯漆、硝基漆等。②有机化合物材料：如沥青、塑料、树脂等。③无机化合物材料：如玻璃、珐琅、水泥等。

在打造内壁防腐层中，可采用的工艺包括：①在内壁防腐处理中可选择具有良好抗腐蚀性能的材料，包括塑料衬里以及不锈钢结构等。②在涂层工艺上，常见的技术包括树脂涂层、塑料涂层等几种技术。③或者选择向输送的天然气中添加缓蚀剂等。

（2）阴极保护处理工艺。从技术原理来看，阴极保护技术的关键点就是向金属结构中添加阴极电流，在处理后实现金属表面阴极化，这种处理工艺的一个显著特征就是可以减少阳极区域金属电子的释放，进而从根本上减少金属腐蚀问题，是减少腐蚀的有效手段。目前该工艺主要分为以下几种类型：①强制电流阴极保护工艺。该工艺的特征，就是利用外部施加的直流电流来获得阴极极化电流，进而有效防止金属遭受到腐蚀，并在整个天然气管道结构中施加外电流阴极保护的功能。在该工艺结构中，通过保护金属与电源负极相对接，而正极则连接辅助阳极。所以在该工艺中通过强制性电流阴极保护的方法可以为整个管道施加阴极保护效果。所以目前在强制电流阴极保护工艺中，整个工艺的结构包括：辅助阳极（阳极地床），参比电极、电绝缘装置，检测系统等几个关键结构[4]。②牺牲阳极保护技术。牺牲阳极保护技术在实际上是利用不同金属间的电极差异实现阴极保护。该工艺中钢铁管道与电位的金属电气系统连接，并且两者因为处于相同的电解质溶液中，促使电位更负的金属可作为阳极并在腐蚀过程中不断向管道施加保护电流，最终完成阴极保护目标，现阶段较为常见的牺牲阳极保护技术主要分为锌与锌合金、镁与镁合金等几种类型。

作为一种科学合理的管道防腐工艺方案，采用阴极保护处理工艺能提升天然气处理厂建设中的管道抗腐蚀水平，但是为了能够取得满意的效果，技术人员还应该注意以下几方面因素对抗腐蚀效果的影响：①在管道阴极保护单位设置中，要求管道系统的管/地截面计划电位应控制在-850MV或者更负的参数即可。②在阴极保护状态下，系统的管道极限保护电位应≥-1200MV。③若在天然气管道中使用了耐腐蚀的合金钢或者高强度钢等材料（该材料的最小屈曲强度应≥550MPa），则需要根据氢电位参数来计算极限保护电位，其中的代表则是双相不锈钢或者马氏体不锈钢等，理想状态下上述材料的电位可控制在-650～-750MV之间。除此之外，若同时发现管道处于高pH值的敏感区，则更应该考虑到材料的合理性问题。④若金属管道处于厌氧菌等环境下，管道阴极保护电位的要求更高，理想状态下的阴极保护电位应≤-950MV。⑤土壤环境对管道防腐蚀性能的影响不容忽视，一般在土壤电阻率为100～1000Ω·m的环境中，阴极保护电位应≤-750MV；若土壤的电阻率＞1000Ω·m，则在环境下的阴极保护电位应控制在-650MV以上。

在天然气管道防腐施工中，若上述施工工艺标准无法实现，技术人员可以通过阴极极化或去极化电位差大于100MV的判据。同时不容忽视的是，管道所处环境的温度变化会进一步影响管道抗腐蚀性能水平，例如在SBR的土壤中存在杂散电流干扰及异种金属材料耦合的管道中不能采用100MV极化准则，需要根据具体环境作出判断。

（3）一种新的非金属管道技术。现阶段天然气管道的主要构成材料为金属，金属因为自身特殊的性质本身有较高的风险发生腐蚀，最终对整个天然气系统的性能受到影响。所以随着相关技术的发展，相关学者开始开发非金属材料在天然气管道工程中的应用，这种材料的特征，就是具有更强的结实耐用性能，并兼具管道的性能要求，改变了传统工艺中需要对管道做阴极保护防腐的要求，对于降低总成本具有重要意义，能够显著降低工程项目的总成本[5]。

从技术应用来看，与常规金属管道相比，新型非金属管道的优势主要表现为以下几方面：①有更长的使用年限，普遍管道的使用周期超过40年，与传统的金属管道相比有更长的使用年限；②新型管道具有维护工艺简单的优势，并且在后期运维中不需要花费更多的资金；③新型管道兼顾天然气管道隔热、保温的要求，为保证天然气安全输送提供了必要的支持；④新型管道材料对输送的天然气所产生的阻力小，并且施工工艺简单，有助于控制造价。

因此在本次管道防腐设计中，本文将介绍一种新的新型管道工艺，该工艺的基本结构，如图1所示。

图1 一种新型的天然气管道结构图

图1中各个部件的描述为：1-第一管道；2-第二管道；3-加强杆；4-输送管道；5-定位环；6-定位槽；7-弹性卡环；8-卡接槽；9-传动连接装置；10-第一电机；11-气囊体；12-定位滑块；13-定位滑槽；14-支撑系统；15-动力扇。

在图1所介绍的新型天然气管道结构中，第一管道螺接在第二管道的表面，第一管道与第二管道的内壁均焊接有加强杆，并且该结构在定位系统的支持下，定位滑动装置能够连接在定位滑槽内部，同时结构中的第一电机螺栓可以被固定在支撑架的架构上，在电机作用系统下可以操控动力扇，该装置所产生的增益效果为：天然气输送管道系统可以在输送一定量的天然气后，天然气管道系统的球囊装置可以将定位滑槽与定位滑块等构件直接输送至管道内部，同时系统自行启动电机，通过电机的控制作用，能够操控清洁刷盘的作用下启动并清洁管道，同时启动第二电机。在第二电机的支持下可以保证动力扇正常运行，引导气囊体向管道内滑动，最后系统持续运行直至气囊体滑出输送管后，完成对输送管内壁的清洁，结构简单，便于对输送管进行自动化清洁，适合推广。从该技术的应用现状来看，该系统可以减少管道的水分积累，降低侵蚀性微生物对管道性能的影响，在技术上具有可行性。

3.天然气处理厂建设中管道防腐工艺中的注意事项

(1)表面处理工艺

做好管道表面防腐处理对于提升防腐效果有重要意义，因此技术人员可严格按照GB8923《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》的相关要求对材料表面进行处置，其中的重点内容包括：①对管道表面做喷射或者抛射除锈等，在管道表面处理中应使管道表面无明显的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物，任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑等。②在钢材标本处理中，应使原材料表面除锈达到设计等级。③在表面处理结束后尽快涂抹底漆，针对钢材表面出现新的锈迹后即可对表面做二次处理等。

(2)掌握管道防腐蚀处理的相关细节

在设置防腐层中，技术人员应关注以下几方面问题：①在管道涂装中，涂装表面的温度应控制在20～30℃之间，并且涂装作业的环境湿度应≤70%。②在施工前应对管道与设备的防腐蚀涂装质量进行检验，在确定检验合格后才能施工，并且在涂装前应留出焊缝的连接部位。③若想要调整防腐材料的型号，先向设计单位反馈并得到批准后才能实施。④所有选择的防腐材料均应该提供相应的质量说明书，若发现存在涂料过期等问题应及时更换。⑤项目中所选择的底漆、中间漆等应严格落实相关工艺说明，在满足说明书标准后才能使用。并且需要注意的是，不同厂家、不同品种的防腐蚀涂料不宜配套使用。如需配套使用，必须经试验确定。⑥使用稀释剂时，其种类和用量应符合生产厂家标准或产品说明书的规定。⑦在管道施工中，应先对涂料做试验，在实验结果显示合格后才能用于工程施工。⑧项目施工阶段应确保涂装表面干燥，所以在施工前可根据工况选择不同的施工方案，例如在采用快干漆时不宜使用刷涂工具等。在刷涂期间，应保证层间交错纵横，采用每层交替反复施工的方法完成施工。

4.结束语

在天然气处理厂建设中，管道的防腐工艺施工质量已经成为未来工程项目中的重点内容，为了能够满足施工要求，则需要工作人员认真落实防腐工艺流程，确定施工要点后对整个管道的维护管理流程进行改进，在确定管道防腐蚀处理的技术流程后，用于指导未来工程项目施工实践，最终有效提升防腐蚀施工效果，将其作为有效预防管道腐蚀的关键点，这样才能顺应未来行业发展要求。