管道腐蝕原理及防腐保護

王 博

摘要:輸送油、氣的管道大多處于復雜的土壤環境中,所輸送的介質也多有腐蝕性,因而管道內壁和外壁都可能遭到腐蝕。一旦管道被腐蝕穿孔即造成油、氣漏失不僅使運輸中斷,而且會污染環境甚至可能引起火災造成危害。文中分析避免管道遭受土壤、空氣和輸送介質(石油、天然氣等)腐蝕的防護技術。

關鍵詞:輸送油;管道腐蝕

據美國管道工業的統計資料,1975年由于腐蝕造成的直接損失達6億美元。因此防止管道腐蝕是管道工程的重要內容。

1 腐蝕金屬在四周介質的化學、電化學作用下所引起的一種破壞現象。按管道被腐蝕部位,可分為內壁腐蝕和外壁腐蝕;按管道腐蝕形態,可分為全面腐蝕和局部腐蝕;按管道腐蝕機理,可分為化學腐蝕和電化學腐蝕等。

1.1 管道內壁腐蝕。金屬管道內壁因輸送介質的作用而產生的腐蝕。主要有水腐蝕和介質腐蝕。水腐蝕指輸送介質中的游離水,在管壁上生成親水膜,由此形成原電池條件而產生的電化學腐蝕。介質腐蝕指游離水以外的其他有害雜質(如二氧化碳、硫化氫等)直接與管道金屬作用產生的化學腐蝕。

長輸管道內壁一般同時存在著上述兩種腐蝕過程。特殊是在管道彎頭、低洼積水處和氣液交界面,由于電化學腐蝕異常強烈,管壁大面積減薄或形成一系列腐蝕深坑。這些深坑是管道易于內腐蝕穿孔的地方。

1.2 管道外壁腐蝕視管道所處環境而異。架空管道易受大氣腐蝕;土壤或水環境中的管道,則易受土壤腐蝕、細菌腐蝕和雜散電流腐蝕。

①大氣腐蝕。大氣中含有水蒸氣會在金屬表面冷凝形成水膜,這種水膜由于溶解了空氣中的氣體及其他雜質,可起到電解液的作用,使金屬表面發生電化學腐蝕。影響大氣腐蝕的自然因素除污染物外,還有氣候條件。在非潮濕環境中,很多污染物幾乎沒有腐蝕效應。假如相對濕度超過80%,腐蝕速度會迅速上升。因此,敷設在地溝中的管道或潮濕環境的架空管道表面極易銹蝕。

②土壤腐蝕。土壤顆粒間布滿空氣、水和各種鹽類,使它具有電解質的特征。管道金屬在土壤電解質溶液中構成多種腐蝕電池。一類是由于鋼管表面狀態的差異形成的微腐蝕電池鋼管表面條件效應產生的腐蝕。另一類是由于土壤腐蝕介質的差異形成的宏腐蝕電池,不同土壤條件引起的腐蝕。假如管道各段落所處土壤透氣性不同,土壤中氧的濃度也就不同,從而使腐蝕電池發育,腐蝕電池兩極間的距離可達數公里。土壤腐蝕性常用土壤電阻率來表示,電阻率越小的土壤腐蝕性越強。

③細菌腐蝕。也稱微生物腐蝕。參與管道土壤腐蝕過程的細菌通常有硫酸鹽還原菌、氧化菌、鐵細菌、硝酸鹽還原菌等。其中厭氧性硫酸鹽還原菌最具代表性。它在pH6～8、堿性和透氣性差的土壤中繁殖,廣泛地分布在海、河、湖泊、水田、沼澤的淤泥中。它利用自身的生息,將硫酸鹽離子還原,同時促進陰極反應,生成硫化鐵等腐蝕產物,覆于管道表面,形成二次的局部腐蝕(孔蝕)。在硫酸鹽還原菌腐蝕的現場,土壤顏色發黑,有硫化氫臭味。

④雜散電流腐蝕。流散于大地中的電流對管道產生的腐蝕,又名干擾腐蝕,是一種外界因素引起的電化學腐蝕。管道腐蝕部位由外部電流的極性和大小決定,其作用類似電解。雜散電流從原油管道受電氣化鐵路的雜散電流腐蝕在建成后約4個月即遭電流腐蝕穿孔。交流電引起的腐蝕是在管道沿高壓輸電線敷設時,因電磁耦合在管道上感應的交流電所造成的,對人體和設備均有危害。

2 防腐為了保證管道長期安全輸送和防止管道泄漏油、氣,各國政府和管道企業都制定有管道防腐規程作為管道防腐必須遵循的準則。通用的管道防腐方法是內壁涂層加外壁涂層(或包扎層)加陰極保護。若嚴格施行這些措施,實踐證實管道可安全運行50年。

①涂層防腐。用涂料均勻致密地涂敷在經除銹的金屬管道表面上,使其與各種腐蝕性介質隔絕,是管道防腐最基本的方法之一。70年代以來,在極地、海洋等嚴酷環境中敷設管道,以及油品加熱輸送而使管道溫度升高等,對涂層性能提出了更多的要求。因此,管道防腐涂層越來越多地采用復合材料或復合結構。這些材料和結構要具有良好的介電性能、物理性能、穩定的化學性能和較寬的溫度適應范圍等。

②內壁防腐涂層:為了防止管內腐蝕、降低摩擦阻力、提高輸量而涂于管子內壁的薄膜。常用的涂料有胺固化環氧樹脂和聚酰胺環氧樹脂,涂層厚度為0.038～0.2毫米。為保證涂層與管壁粘結牢固必須對管內壁進行表面處理。70年代以來趨向于管內、外壁涂層選用相同的材料,以便管內、外壁的涂敷同時進行。

③防腐保溫涂層:在中、小口徑的熱輸原油或燃料油的管道上,為了減少管道向土壤散熱,在管道外部加上保暖和防腐的復合層。常用的保溫材料是硬質聚氨脂泡沫塑料適用溫度為-185～95℃。這種材料質地松軟,為提高其強度,在隔熱層外面加敷一層高密度聚乙烯層,形成復合材料結構,以防止地下水滲入保溫層內。

電法保護。改變金屬相對于四周介質的電極電位使金屬免受腐蝕的方法。長輸管道電法保護僅指陰極保護和電蝕防止法。

①陰極保護:將被保護金屬極化成陰極來防止金屬腐蝕的方法。這種方法用于船舶防腐已有 150多年的歷史;1928年第一次用于管道是將金屬腐蝕電池中陰極不受腐蝕而陽極受腐蝕的原理應用于金屬防腐技術上。利用外施電流迫使電解液中被保護金屬表面全部陰極極化,則腐蝕就不會發生。判定管道是否達到陰極保護的指標有兩項。一是最小保護電位,它是金屬在電解液中陰極極化到腐蝕過程停止時的電位;其值與環境等因素有關,常用的數值為-850毫伏(相對于銅-硫酸銅參比電極測定,下同)。二是最大保護電位,即被保護金屬表面容許達到的最高電位值。當陰極極化過強,管道表面與涂層間會析出氫氣,而使涂層產生陰極剝離,所以必須控制匯流點電位在容許范圍內,以使涂層免遭破壞。此值與涂層性質有關一般取-1.20至-2.0伏間。實現地下管道陰極保護有外加電流法和犧牲陽極法兩種。

外加電流法是利用直流電源,負極接于被保護管道上,正極接于陽極地床。電路連通后,管道被陰極極化。當管道對地電位達到最小保護電位時,即獲得完全的陰極保護。常用的直流電源均可使用,其中尤以整流器居多。直流輸出一般在60伏、30安以下。新型的直流電源有溫差發電器、太陽能電池等,多用于缺電地區。陽極地床是與直流電源正極相連的,與大地構成良好電氣接觸的導電體或稱為陽極接地裝置;常用材料有碳鋼、高硅鐵、石墨、磁性氧化鐵等。陽極地床設置在土壤電阻率低、保護電流易于分布、又不干擾鄰近地下構筑物的地方。陽極與管道埋設位置相對應,有淺埋遠距離陽極和深陽極兩種。為測定陰極保護參數鑒定管道陰極保護效果沿管道需設置檢測點和檢查片。配套使用的檢測儀表有高阻伏特計、安培計、硫酸銅電極等。70年代以來,開始采用與管道航空巡線相結合的陰極保護參數遙測系統,配以電子計算機,對所測數據進行處理。外加電流陰極保護單站保護距離一般可達幾十公里,長輸管道陰極保護多用此法。

犧牲陽極法是采用比被保護金屬電極電位更負的金屬與被保護金屬連接,兩者在電解液中形成原電池。電位較負的金屬(如鎂、鋅、鋁及其合金)成為陽極,在輸出電流的過程中逐漸損耗掉,被保護的管道金屬成為陰極而免遭腐蝕,所以稱電位較負的金屬為犧牲陽極。地下管道采用犧牲陽極保護,其決定要素是陽極發生電流、陽極數量和保護長度等。當陽極種類確定后,影響上述參數的是陽極接地電阻和與該陽極保護管段區間的漏泄電阻。前者取決于土壤電阻率,后者取決于管道涂層電阻和涂層的施工質量。犧牲陽極使用壽命與重量有關,視需要可用幾年至幾十年。犧牲陽極具有投資省、治理簡便、不需要外電源、防止干擾腐蝕效果好等長處,所以在地下金屬管道防腐中得到普遍應用。

②電蝕防止法:一是在雜散電流源有關設施上采取措施,使漏泄電流減小到最低限度;二是在敷設管道時盡量避開雜散電流地區,或提高被干擾管段絕緣防腐層質量,采用屏蔽、加裝絕緣法蘭等措施;三是對干擾管道作排流保護,即將雜散電流從被干擾管道排回產生漏泄電流的電網中,以消除雜散電流對管道的腐蝕。根據應用范圍和排流設備的不同性能,分直接排流、極性排流、強制排流三種。對交流干擾電壓的防護,不少國家都制定有技術規定,主要是采用安全距離和管道泄流兩類方法使管道免遭損害。