石油天然气管道腐蚀与防护

汪仙明　靳培培　王傲　曹瑞麒　舒琦琳

摘      要：石油与天然气管道受到自身管材质量、运输介质、铺设环境和管理设计的影响，管道的腐蚀在所难免，这将增加油气泄漏的风险，油气泄漏会对人体、环境和经济带来巨大的危害。本文对探讨了防腐蚀技术，包括阴极保护法、缓蚀剂技术、防腐涂层技术、补口技术和复合管技术；介绍了常用的腐蚀检测技术，包括磁力检测技术和超声导波技术；对腐蚀预测技术以及现今的一些研究成果进行了分类和总结。；指出我国中国的防腐、检测和预测技术仍有很大的提升空间，环保、高效和适应苛刻环境的腐蚀防护技术与智能化的腐蚀检测和检测技术是未来重要的研究方向。

关  键  词：石油； 天然气； 管道腐蚀； 防护； 检测； 预测

中图分类号：TE985.8     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（20202023）0×11-00001602-0×４

由于油气分布于与市场分布不一致，需要进行资源的调配。管道运输与其他运输方式相比，具有成本低、效率高、建设周期短、安全无污染、能输送液体、气体及浆体等多种介质、可穿过各种区域等优点，。我国石油与天然气运输多以管道运输为主。金属管道受到运输介质和环境因素的影响腐蚀在所难免，受到腐蚀的管道使用寿命、可靠性和安全性都会降低。管道腐蚀导致的油气泄漏不仅给企业带来经济上的损失，而且会给人体和环境造成巨大的破坏，且随着人们环保意识的提高，油气的泄露泄漏对环境造成的危害越来越被人们所重视，所以油气管道的腐蚀与防护研究具有十分重大的意义。

本文对探讨了常用的防腐蚀技术，包括阴极保护法、缓蚀剂技术、防腐涂层技术、补口技术和复合管技术；介绍了常用的腐蚀检测技术：，包括磁力检测技术和超声导波检测技术；对腐蚀预测技术以及现今的一些研究成果进行了分类和总结。；指出我国的防腐技术仍有很大的提升空间，环保、高效的腐蚀防护技术与智能化的腐蚀检测和检测技术是未来重要的研究方向。希望本文能对管道的腐蚀与防护提供参考依据，以达到减小油气泄漏风险、保护环境和减小经济损失的目的。

1  管道防腐机理

管道腐蚀主要有两种形式：内腐蚀和外腐蚀。管道材质、运输介质、环境、管理和设计都是造成管道腐蚀的关键因素[1]。管道质量因素：现今油气运输多以金属性很强的钢材作为管道材料，钢管受到其周围环境介质的电化学、化学和物理等作用会引起失效破坏即腐蚀[2]。运输介质因素：输送的油气介质中往往含有水蒸气、SO2、H2S和CO2等，反应生成的化合物造成管道堵塞，导致管道进一步腐蚀。环境因素：油气管道往往铺设于地下，管道外表面被土壤覆盖，土壤中含有水、杂散电流和各种盐，并且内部有微生物及细菌，这些导致油气管道发生化学腐蚀和电化学腐蚀。油气输送过程中往往伴随着应力，应力导致的波动造成管道腐蚀和轻微破裂，长时间的膨胀扩张会导致形成大型破口。管内油气和管外雨水的冲刷会导致管道金属表面不断裸露，导致腐蚀的出现。管理设计因素：管理人员专业程度不够和管道的裝卸、安放和施工不符合规范都会对导致管道的腐蚀。

2  管道防腐技术

2.1  阴极保护技术

阴极保护法是是一门被广泛运用且相对成熟的油气管道保护技术。阴极保护法根据供电电流方式不同可以分为：外加电流阴极保护法和牺牲阳极阴极保护法。保护方法的选择应根据实际的环境和管道参数，一般情况下采用外加电流阴极保护法，选取石墨等优质材料充分发挥阴极保护法的作用。在穿跨越铁路、公路、河流或江河带等情况下，由于管道带的套管具有屏蔽作用，宜采用锌、镁、铝及其合金阳作等为阳极的牺牲阳极保护法。陈波[3]等[3]运用阴极保护数学模型准确的地对某在役海管及其牺牲阳极保护系统进行了评估，为其确定了最优的牺牲阳极保护方案，为阴极保护法的选取提供了参考。油气管道存在防腐涂层、土壤环境、杂散电流和管道并行等复杂情况，同时磁暴现象会使油气管道内产生地磁感应电流，对阴极保护设备产生干扰[4]，阴极保护在油气管道保护中的运用还有许多问题有待研究。

2.2  缓蚀剂技术

缓蚀剂防腐机理：缓蚀剂通过分子上极性基团的物理吸附和化学吸附或者两者结合在管道表面形成保护层减缓腐蚀。物理吸附特点：吸附速度比较快且具有一定可逆性，。化学吸附特点：吸附能力较强、不可逆、速度较慢。油气管道防腐缓蚀剂主要为咪唑啉类、胺类、有机磷酸盐类、吗琳类、炔醇类，包括 N、P、S 和 O的杂环化合物等等。国内外学者对缓蚀剂做了许多研究，崔铭伟[5]等[5]选择四4口井进行一种新型缓蚀剂的验证，结果表明此种缓蚀剂对不同材质的实验井的缓蚀效果都在80%以上，对20#钢和N80的缓蚀效果相近且优于16 Mn。封子艳[6]等[6]研发了一种新型的的咪唑啉衍生物缓蚀剂，此缓蚀剂组分为20%缓蚀剂主剂+ 10%阻垢剂+ 4%分散剂+ 3%协同增效剂+ 63%水时缓蚀效果最佳，优于其他四4种做对比的缓蚀剂。研究结果还表明缓蚀剂助剂影响效果由大到小顺序为：协同增效剂>、阻垢剂>、分散剂。JEVREMOVIC[7]等[7]研究了将缓蚀剂注入到泡沫基中对低碳钢缓蚀的新方法，研究表明使用含有TOFA/DETA咪唑啉缓蚀剂的泡沫进行周期性处理，可以有效地降低低碳钢的顶部腐蚀。缓蚀剂防腐技术因其具有操作简单、成本较低、见效快等优点而具有广阔的应用前景，。同时，适用于复杂多样环境（，如高温高压、介质高速流动、存在剪切应力）的缓蚀剂依旧需要进一步的研究[8]。

2.3  防腐涂层技术

防腐涂层是一门简单、快捷、有效的防腐技术，拥有制备工艺简单、成本低、并且不受地域限制的特点。在油气管道的表面增加一层防腐涂层不仅可以隔绝外界电流，而且可以防止一些植物根茎的穿过，对油气管道起到了有效的防腐作用。防腐涂层的种类有很多，如常温固化陶瓷防腐反腐涂层、液体聚氯脂涂层、三层复合涂层、聚乙烯胶黏带、熔结环氧粉末、石油沥青、挤出聚乙烯、煤焦油瓷漆以及环氧煤沥青等[9-12]。对新型防腐涂层、防腐材料的研究是金属防腐的热点趋势之一，新型防腐涂层不仅着重于防腐而且还着眼于超疏水、防污、自愈、耐热和抗菌等附加功能的研究。孙垚垚[13]等[13]对石墨烯防腐涂层进行了研究，研究指出石墨烯的防腐机理在于屏蔽、缓蚀、加固和阴极保护作用，并对其存在的易团聚、难定向排列、自身结构有缺陷等问题提出来改进措施。目前对石墨烯防腐的研究还是比较匮乏少，使用不当不仅起不到防腐的作用还会促进腐蚀，阻碍了这一防腐涂料的运用和发展。氧化石墨烯结构强度与石墨烯相似，具有优越的机械其强度、化学和热稳定性，被认为是一种优秀的石墨烯替代品。氧化石墨烯不仅具有疏水性，而且能减少腐蚀物质的吸附和迁移，有效提高复合涂层的耐腐蚀性[14]。DAN[15]等[15]利用原子聚合法将聚氨酯（ （PU） ） /聚环氧丙烷与氧化石墨烯（ （GO-g- PPO ））接枝。研究显示，GO-g- PPO-16复合材料在PU涂层中均匀分散，大幅度提升了PU / GO-g- PPO-16复合涂层的防腐性能。同时实验结果显示：，当GO-g-PPO-16复合材料在PU涂层中的固含量为0.08 wt.%（质量分数）时，在质量分数3.5 wt % NaCl（ aq.）溶液中浸泡168 h后，涂层的电阻是PU涂层的50倍。

2.4  补口技术

补口技术使用打底漆料涂抹于腐蚀缺口，外部往往利用聚乙烯胶带缠绕，从而提高管道外部性能对油气管道进行有效保护。石油管道出现缺口时用补口技术进行修补可以保证管道的完整性，常用的补口技术有：热沥青浇注补口技术、聚乙烯材料补口技术。补口技术在保证管道完整性上起着重要的作用，补口的失效会导致管道出现腐蚀缺陷。国内石油与天然气管道多使用3LPE防腐蚀涂层，与之对应的补口材料一般是热收缩带，而热收缩带的失效将导致油气泄漏的风险。李海坤[16]等[16]研究了热收缩带老化后热熔胶的降解情况、老化不同温度和时间老化后的吸水率、剥离强度与破坏性质、吸水率、热熔胶降解之间的关系。研究显示：，热收缩带的失效和剥离试验中破坏性质、热熔胶高温吸水率相关性较高，而与热熔胶降解相关性较低，稳定性较高的是发生内聚破坏和热熔胶高温长期吸水率低的热收缩带。杨辉[17]等[17]研究了一种利用漏磁内检测技术对管道补口进行失效分级评价的方法，并建立了响应准则，从现场应用结果来看此方法识别、符合率较高，满足现场需求。

2.5  复合管技术

复合管技术具有力学性能好、耐腐蚀和经济性好等特点，以双金属衬里复合管最为常见，由内层衬管和外层基管组成。陈俊文[18]等[18]建立了双金属衬里复合管制管过程力学分析有限元模型，对制管过程进行了仿真模拟；。研究表明：，双金属衬里复合管两管的紧密度随着内压的增大而增大，随着两种材料膨胀系数的差增大而减小，为提高紧密度可以适当的增加内压、减小两材料的体膨胀系数差。双金属复合管材料因其材料特殊导致焊接困难，容易出现焊接缺陷[19]。曾德智[20]等[20]通过建立整管段试件试样有限元力学模型对X52/825冶金复合管焊接接头的腐蚀性能进行评价，。研究显示：，经 720 h腐蚀实验后X52/825冶金复合管焊接接头未出现破裂、刺漏和开裂性裂纹，表明此焊接接头耐腐蚀性较好。现今的双金属复合管塌陷试验、紧密度试验和弯曲试验指标规定不明确，复合管的制造、检验和应用需要进一步研究与完善[21]。

3  管道腐蚀检测与预测方法

由于石油天然气管道铺设环境复杂多样，当管道发生腐蚀时往往不能及时发现，因此，需要采取合适的管道腐蚀检测与预测方法，及时对腐蚀管道进行应急处理，防止油气的泄漏，提高管道的使用寿命。其中使用得比较多的是磁力检测技术、超声导波检漏技术。

3.1  磁力检测技术

磁力检漏是利用金属磁记忆的一种检测方式，通过铁磁性的感应分析对管道缺陷进行准确定   位[22]。磁檢漏技术是一门十分有效、实用的内检测技术，因具有环境限制小、适用范围广、经济性好等优点，而被广泛运用[23]。尹志勇[24]等[24]利用磁检漏法对山东东营地区一管线进行检漏，结果显示：，由于长输管道施工工期较长，管道内已经发生了不同程度腐蚀，在此情况下及时采取防护措施，减小了事故发生的几率概率。廖柯熹[25]等[25]研究了一种基于磁力定位、超声导波测定量的埋地管道腐蚀检测方法，实际应用显示：，此方法能在非开挖状态下对缺陷管道进行精准定位和腐蚀等级评价。

3.2  超声导波检漏技术

超声导波检漏也是一种非开挖无损检测技术，原理是：超声导波在管道中沿轴向传播，当管道很横截面积改变时灵敏接收器将收到其反射的一个回波信号，通过对回波信号的分析判断管道内部的变化情况。压电超声检测技术因其检测距离较长、能定量测量、不受电磁干扰等优点，广泛运用于运输液态介质的长距离输送管道的检测[26]。压电超声检测技术其缺点是需要耦合剂，埋地管道内检测受限。叶至灵[27]等[27]研究了电磁超声波检测方法，此方法不仅无需耦合剂就能够产生多种声波，可对管道的内腐蚀进行检测，而且通过横波在斜面试件试样中传播和反射进行COMSOL 的有限元模型仿真，发现斜面腐蚀测厚偏大，且误差随着斜角的增大而增大。

3.3  管道腐蚀预测方法

管道腐蚀的预测与检测同样重要，有效的腐蚀预测对管道的完整性管理有很大的帮助，对防止油气泄漏和环境保护有很大的作用。王方成[28]等[28]采用模糊层次分析法对各影响因素进行权重计算，为长输天然气管道腐蚀的预防和治理提供相关的理论依据。BALEKELAYI[29]等[29]研究了一种基于贝叶斯谱分析回归的腐蚀预测方法，此方法将腐蚀因素和腐蚀深度作为半参数，并用数学的方式描述了电化学腐蚀过程。程凯凯[30]等研究了基于相关性和贝叶斯推断的腐蚀深度预测方法，结果表明此方法能够更好地反映样本容量对推断结果的影响，预测结果更为保守且与工程经验判断结果一致，对工程应用更加安全有利。研究成果可为管道腐蚀深度的预测提供更准确的信息，同时为考虑随机变量相关性的其他腐蚀管道特征值的预测提供理论参考。

智能化腐蚀检测与检测技术是未来研究的重要趋势，SHAFEEK[31]等[31]使用Microsoft Access和Visual c#进行编码将一种无损检测技术与管道腐蚀缺陷软件相结合，此软件使用简单、无需复杂的分析，能测量一般腐蚀情况并对腐蚀进行预测，有效降低了油气泄漏的风险。

4  总结结束语

油气管道受到介质和环境因素的影响易发生失效破坏。我国的石油与天然气管道防护技术还有很大的提升空间，环保、高效的腐蚀防护技术与智能化的腐蚀检测和检测技术是未来重要的研究方向。同时为了进一步减少腐蚀带来的油气泄漏风险，需要对管道质量和焊接严格要求，做好巡检和管线周边地区安全的宣传。

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Research on Corrosion and Protection of Petroleum and Natural Gas Pipelines

WANG Xian-ming， JIN Pei-pei， WANG Ao， CAO Rui-qi

（CNOOC Jiangsu Natural Gas Co.， Ltd， Jiangsu Jiangsu 224000，China）

Abstract： Oil and gas pipelines are affected by factors such as their own pipeline quality， transport media， laying environment and management design. Pipeline corrosion is inevitable. It will increase the risk of oil and gas leakage and bring great harm to the human body， the environment and the economy. The pipeline anti-corrosion technology is discussed， including cathodic protection technology， corrosion inhibitor technology， anti-corrosion coating technology， repair technology and composite pipeline technology. Common corrosion detection technology， magnetic detection technology and ultrasonic guided wave technology; classification and summary of corrosion prediction technology and some research results in recent years. It is pointed out that there is still a lot of room for improvement in anti-corrosion， detection and prediction technology in my country. Environmental protection， high efficiency， anti-corrosion technology and intelligent corrosion detection technology suitable for harsh environments are important research directions in the future.

Key words：  Oil;  natural gas;  pipeline corrosion;  protection;  detection;  prediction