油氣管道的腐蝕監/檢測技術研究分析

李建波 胡正海 張莉梅 張 勇 陳龍利

(1.西南石油大學化學化工學院，成都 新都 610500；2.新疆獨山子天利實業總公司，新疆 獨山子 833600)

油氣管道的腐蝕監/檢測技術研究分析

李建波1 胡正海1 張莉梅1 張 勇2 陳龍利1

(1.西南石油大學化學化工學院，成都 新都 610500；2.新疆獨山子天利實業總公司，新疆 獨山子 833600)

針對目前油氣集輸管道出現日益嚴重的腐蝕，解決油氣集輸管道腐蝕問題已經成為現階段油氣開采的重點工作，本文對目前油氣集輸管道各種腐蝕監/檢測技術進行調研，并對各種技術的特點做了一定的分析介紹。

油氣管道 腐蝕 監測

0 引言

腐蝕監測/檢測是獲取設備腐蝕速度、環境對材料的腐蝕性隨時間變化信息以及某些與腐蝕有關的參數的活動[1]。腐蝕監測/檢測可以分為在線監測和離線監測，在線監測可以在設備正常運行的情況下，測量各種工藝氣液流狀態的腐蝕性，測出因與介質作用使設備發生的腐蝕速率是多少，并獲得設備腐蝕過程的相關信息，主要方法有：掛片法、電阻探針法等。離線檢測是在設備運行一定時期后檢測管道有無裂紋，是否存在局部腐蝕穿孔的危險以及通過分析方法探明腐蝕原因，最后解決腐蝕問題等[1]，主要方法有超聲波法、分析法等。

腐蝕監/檢測技術是全面認識油氣田生產系統腐蝕因素，制定油氣管道防腐蝕措施的基礎，是監測評價防腐蝕措施效果的有效手段，能起到掌握油氣田生產中油氣管道的腐蝕現狀、腐蝕動態的作用[2]。

1 在線監測技術

1.1 腐蝕掛片技術

掛片技術是油氣田腐蝕監測中使用最普通、最廣泛的腐蝕監測方法之一，而且是能最直接、有效測定腐蝕速度的方法。無論是實驗室腐蝕試驗還是現場檢測, 都得到了普遍使用, 它能最直觀的反應金屬設備的腐蝕狀況，在很多情況下首選腐蝕掛片法作為油氣集輸管道的腐蝕監測。掛片法的缺點是檢測周期長，不能及時反應腐蝕速率，所以在管道腐蝕監測中通常采用其他監測法和掛片法同時來監測。從通過失重可以計算出其放置期內的平均腐蝕速率。

掛片腐蝕速率計算公式如下：

式中：V—腐蝕速率(CR)，g/(m2.h)；—反應時間，h；—試片腐蝕失量，g；A—試片表面積，mm2； L—試片長，mm；a—試片寬，mm；b—試片厚，mm。

腐蝕掛片的類型有很多種，不同的管道環境應采用不同的掛片。掛片通常安裝在剛性支架上，是掛片與管線絕緣。掛片可以單獨安裝，也可以成對安裝或者多對安裝，所以要根據工藝介質的性質、預腐蝕機制和可用的插口形式來選擇支架構型。某油田管道腐蝕監測采用的腐蝕掛片現場圖如圖1所示。

圖1 為某油田管道腐蝕掛片圖

1.2 腐蝕探針技術

1.2.1 電阻探針法(ER)

腐蝕電阻探針法(ER)在油氣管道腐蝕監測上應用較多，其原理是根據歐姆定律原理，即金屬探針的橫截面積由于腐蝕而減小時，其電阻增加。通過測量敏感元件的電阻值變化，計算出金屬腐蝕速率。由此可見，ER法的優點是可以進行連續的腐蝕監控，探針比試片更方便，不需回收試片和進行失重測量便可以得到結果，具有很高的實際應用性能[3]。但其也有許多缺點，ER探針的靈敏度不能進行實時腐蝕測量，它不能提供實時數據， ER探針只適用于監控均勻腐蝕不能測出點蝕速率，并且當探針存在沉積物時，測量結果就會失效。

1.2.2 LPR線性極化電阻法

線性極化電阻(LPR)法的基本原理是通過測量腐蝕電流從而獲得腐蝕速度。即將一個小的電位擾動(20mV左右)施加到腐蝕電極上，測得相應的極化電流。因為極化電位與極化電流的比值為極化電阻，所以腐蝕速率可以根據其與極化電阻成反比的關系得出，可以直接解釋測量結果，該技術的優點是能夠快速得到瞬時腐蝕速率，在適當的環境中方便在線實時監控，缺點是為了能準確測量，需要環境具有相對較高的離子導電性，且腐蝕電位不穩定會造成錯誤的測量結果。

1.2.3 電感探針檢測法

電感探針檢測法是由ER腐蝕探針轉化而來的，該技術是在傳感器中埋設一個線圈，通過其感抗的變化來測定金屬探針厚度的減少。具有高磁導率強度的金屬探針強化了線圈周圍的磁場，因此金屬探針厚度的變化將影響線圈的感抗。該產品于1996年同時在美國和歐洲注冊專利，具有世界領先水平。該技術優點是測量原理相對簡單，敏感度比ER探針高幾個數量級，傳感器信號受溫度變化影響程度比電阻信號低，且可用于實驗室和現場。

1.3 場圖像技術

場圖像技術(FSM)又稱場指紋法，工作原理和電阻法(ER)類似，但使用結構本身作為傳感元件?；谶@個原因，本方法應該被稱為電阻矩陣法(ERM)。FSM監測大面積內腐蝕并能區別均勻腐蝕和點蝕，這歸功于矩陣的設計，均勻腐蝕引起所有傳感針對的反應而點蝕僅影響附近的傳感針對[4]。該方法是非置入式腐蝕監測技術，可以適時監測壁厚的變化情況，能夠及時發現溝槽腐蝕，均勻腐蝕等變化情況，是目前為數不多的可以安裝到海底的腐蝕監檢測技術。該技術主要是在管道外壁焊接大量的探針對，通過FSM發出激勵的穩定電流，監測壁厚的減薄情況。該技術配套一個軟件MultiTrend可以實現腐蝕速率評估，油氣管道不同部位壁厚減薄量等信息。

1.4 旁路式管道腐蝕監測技術

1.4.1 旁路式管道腐蝕監測技術簡介

旁路式管道內腐蝕監測系統結合了目視檢查法及在線腐蝕監測方法中的腐蝕掛片、腐蝕測試短節、電阻探針、電感探針等方法，通過分析多方位腐蝕監/檢測數據，結合腐蝕、結垢產物及微生物等分析手段，指導防腐措施的調整，使之達到理想的腐蝕防護效果，延長管道的使用壽命，保證生產正常[5]。

圖2 為旁路式管道內腐蝕監測系統實施例圖

旁路式內腐蝕監測裝置包括：監測管段、旁通、法蘭、閥門、監測探頭、腐蝕掛片、上下取樣口、電纜、電化學工作站。旁路式管道內腐蝕監測系統實施例圖如圖2所示，腐蝕測試短節管路示意圖如圖3所示，腐蝕測試短節管路圖如圖4所示。

圖3 為腐蝕測試短節管路示意圖

圖4 為腐蝕測試短節管路圖

旁路式腐蝕監測技術的主要優點有[5]：①可在線拆裝；②可根據需求選擇不同的監測部件；③能實時監測管道內腐蝕情況及環境突變；④能獲得直觀的內腐蝕信息；⑤能獲得腐蝕、結垢產物及沉積物；⑥能獲得微生物腐蝕信息；

1.4.2 旁路式腐蝕監測技術在油田的應用情況

目前旁路式腐蝕監測技術已被中海油各油田廣泛應用，并且取得了較好的腐蝕監測效果。2006年，中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司在BZ26-2平臺成功啟動了旁路式內腐蝕監測系統，該系統的成功運行為研究海底管道內腐蝕的機理、腐蝕產物的構成、微生物繁殖情況提供了更加直觀的依據。通過該系統，第一次實現了在線緩蝕劑效果評價、優化和效果跟蹤，有效地緩解了海底管道的內腐蝕速度。繼BZ26-2油氣田建立旁路式內腐蝕監測系統以后，已經在新文昌油田、樂東氣田、番禺油田、西江油田等油氣田建立了該系統[5]。

2 離線檢測技術

2.1 電化學噪聲技術

電化學噪聲技術(EN)的原理非常簡單，它是通過測量自腐蝕電極的電位和電流的波動來獲取腐蝕數據，電化學噪聲技術是一種原位無損的監測技術，在測量過程中無須對被測電極施加可能改變腐蝕電極腐蝕過程的外界擾動。電化學噪聲技術可以監測諸如均勻腐蝕、孔蝕、裂蝕、應力腐蝕開裂多種類型的腐蝕，并且能夠判斷油氣管道腐蝕的類型。該技術的靈敏度很高而且運行良好。它是具有檢測局部腐蝕破壞能力的非常少有的技術之一。

2.2 射線檢測技術

射線檢測技術又稱射線照相術，射線的種類很多，其中易于穿透物質的有X射線、γ射線、中子射線三種。它可以用來檢測油氣管道局部腐蝕, 借助于標準的圖像特性顯示儀可以測量壁厚。射線照相法是用X射線、γ射線穿透試件，以膠片作為記錄信息器材的無損檢測方法。射線檢測膠片對材質內部結構可生成缺陷的直觀圖象，定性定量準確，檢測結果直接記錄，并可長期保存，結果比較直觀，檢測技術簡單，輻照范圍廣，檢測時不需去掉管道上的保溫層，通常需要把射線源放在受檢管道的一側，照相底片或熒光屏放置在另一側，故難以用于在線檢測。對體積型缺陷，如氣孔、夾渣等檢出率很高，對面積型缺陷，如裂紋、末熔合類，如果照相角度不適當，則比較容易漏檢。射線檢測的局限性還在于成本很高，且射線對人體有害，射線檢測時檢測人員必須采取嚴格的防護措施

2.3 超聲波技術

超聲波技術(UT)是一種離線檢測技術，由于管道和容器內部的腐蝕將導致器壁有效厚度的減少，所以通過測量器壁的剩余厚度，可以定量地計算管道或容器的腐蝕程度。在實際應用中，通常對于易于發生腐蝕的部位(如流速高的彎頭部位等)使用該技術，通過測厚所得數據與其他檢測數據相結合，綜合判斷腐蝕的情況。

超聲波探傷和測厚方法的優點是特別適用于對油氣管道內部的缺陷進行檢測，對分層裂紋很敏感，容易判定厚度方向上的缺陷部位，可從一面進行探傷，被檢物厚度的上限值很大，裝置小型、輕便，容易在現場使用，響應速度較快，試驗費用低，易于安全管理和實現探傷自動化[6]。超聲波裝置也有自己的缺點或局限性，如對于鑄件和焊縫等被檢對象以及對于密集氣孔、縮孔、氣孔、焊縫縮孔、夾渣等缺陷，超聲波法不如射線照相法。

2.4 RPCM(對環腐蝕監測技術)

RPCM腐蝕測量儀是基于金屬件截面積與它的電阻值的經典關系式，該技術利用了激勵、檢波和優化設計技術極大地提高了電阻腐蝕測量技術的測量靈敏度。

RPCM技術在保證高靈敏度的條件下，可以采用與管道相同厚度的敏感元件，使測量壽命與管道設計壽命相同。如果設管壁厚度為19mm，可以采用6mm測量環，當腐蝕速度＜0.1mm/year時可在7h內有響應，當緩蝕劑添加失控 (腐蝕速度10mm/year) 15min有響應。RPCM是360度管道覆蓋和8～16通道腐蝕數據輸出。最有效地描繪出不均勻腐蝕的狀況。該技術可用測量環的壽命可超過20年。

2.5 分析檢測技術

分析檢測技術是腐蝕檢測技術中不可或缺的方法，主要有以下內容：

(1)總鐵與亞鐵含量

水樣中亞鐵或總鐵離子的數量是間接表征系統是否發生腐蝕的重要指標，當腐蝕性介質與系統中的鐵(Fe)發生反應時，鐵會被氧化成鐵離子(Fe2+)，而二價鐵離子(Fe2+)在水中溶解氧的作用下會轉變成三價鐵離子(Fe3+)。通過測定水中溶解的總鐵量，可以判斷出生產流程、設備有無腐蝕傾向。

目前總鐵含量的測定有兩種方法：室內推薦采用磺基水楊酸法，野外快速測定推薦采用硫氰酸鹽法和測鐵管法[7]。

磺基水楊酸法的原理為：在酸性介質中，水樣中的二價鐵離子用高錳酸鉀或雙氧水氧化，控制溶液的pH值，三價鐵離子與磺基水楊酸反應生成紫色絡合物，其顏色強度與三價鐵離子的含量成正比，借此用分光光度計進行比色測定水中總鐵含量。

硫氰酸鹽法的原理為：在酸性條件下，高錳酸鉀可將二價鐵離子氧化成三價鐵離子，而三價鐵離子與硫氰根離子作用，生成紅色絡合物，其顏色深度與高鐵離子濃度成正比，此法可測水中總鐵，反應式如下：

測鐵管法按照測鐵管生產廠家的使用說明進行操作，通常采用測鐵管法，在現場測試。

(2)腐蝕結垢的宏觀檢測

利用設備、管路更換及停產大修的機會，對有代表性的容器、管路內部進行宏觀檢測，必要時拍攝照片，這有利于直觀的觀察腐蝕結垢的嚴重程度，檢測內容包括：①對易形成湍流腐蝕和磨損腐蝕的部位，如：焊縫、應力集中點、彎頭、變徑、三通、積水管段等重點觀測；②對容器、設備的外表面和內表面的點蝕、裂紋、銹斑、鼓泡等現象進行詳細描述；③如發生結垢，對垢的類型、顏色、狀態等詳細描述；④如發生垢下腐蝕，觀察腐蝕的程度與形式；⑤及時提取腐蝕產物和結垢產物，并進行進一步的成分分析。

(3) 腐蝕產物分析

一般來說，對易腐蝕管材的選取主要在兩個階段進行：①在進行設備或管道的制備安裝時，為了保證提供合格的材質而對重要部位或者是易發生腐蝕部位的材質進行取樣；②在進行停產檢修或大修時，對更換的腐蝕管道或設備的典型腐蝕部位進行取樣，同時可在大修時安排取腐蝕產物。通過透視電子顯微鏡和X射線衍射儀聯合對腐蝕產物和腐蝕形態進行分析，最終確定腐蝕原因并采取相應的防腐措施。該方法針對腐蝕情況而言具有滯后性，但是它可以提供有效可靠的分析結果。

(4) 細菌分析

在油田腐蝕過程中，起作用的細菌主要有三種，分別是：TGB、FB和SRB。TGB為腐生菌，它是異樣型細菌，在一定條件下，它們從有機物中得到能量，產生粘性物質，通過粘附作用使細菌繁殖，造成系統腐蝕；FB為鐵細菌，它的作用是使二價鐵離子轉變為三價鐵離子并從中獲取能量，形成的氫氧化鐵可在細菌膜翹內部或外部儲存；SRB為硫酸鹽還原菌，它為厭氧菌，在缺氧的狀態下，它以生產水中的高價態硫為食物，將其還原為硫化氫，對系統產生腐蝕，它在腐蝕電化學上的解釋為：硫酸根SO42-中的硫是＋6價，在一般情況下硫酸根是很穩定的。

細菌含量監測的原理為絕跡稀釋法，即將欲測定的水樣用無菌注射器逐級注入到測試瓶中進行接種稀釋，然后將其放入恒溫培養箱中進行培養。根據細菌陽極反應和稀釋的倍數，計算水樣中細菌的數目。

細菌生長的鑒別方法如下：SRB瓶中變黑或有黑色沉淀，即表示有硫酸鹽還原菌；TGB瓶中液體由紅色變黃或混濁即表示有腐生菌；鐵細菌測試瓶中出現紅色沉淀即表示有鐵細菌。

(5) pH值

pH值是表示預測系統是否發生腐蝕的重要的監測指標，因此應該對水樣進行定期的pH值測試，對水質的變化進行及時有效的掌握。目前pH值的監測方法主要為pH計法。

(6)腐蝕環境

油氣田常見的內腐蝕環境包括：溫度、壓力、CO2/H2S含量、地層水成份、油氣水的流量、管道直徑和走向、含砂情況等。

3 總結

油氣管道的腐蝕已經成為油氣集輸中不可避免的最大問題，當然給石油經濟帶來的損失也是相當嚴峻。隨著科學技術的不斷發展，聯合計算機與電子技術，腐蝕監/檢測技術已經實現了自動化，在腐蝕監/檢測過程中可以更加快速便捷了解油氣管道的腐蝕信息，以便采取有效的防腐措施來防止腐蝕的進一步發生，從而避免了不必要的事故災難發生。所以更加全面了解目前腐蝕監/檢測技術，對腐蝕問題的解決帶來更好的幫助。

總之，各種監/檢測技術具有不同的特點，適應于不同的工況，但是沒有一項技術能夠滿足直接觀察管道內壁腐蝕形貌，同時提取腐蝕產物和微生物粘泥的功能。該問題正是旁路式內腐蝕監測系統可以完成的，旁路式內腐蝕監測系統的應用正好彌補了其他腐蝕監測技術存在的缺陷。所以，旁路式管道腐蝕監測技術應該是今后油氣管道作為腐蝕監測的先進、高效、重要的一種技術手段。

[1] 張煒強, 秦立高, 李飛. 腐蝕監測/檢測技術[J]. 腐蝕科學與防護技術, 2009, 21(5):476-479.

[2] 于志華, 孟祥剛. 腐蝕監測技術及其在油氣田的應用[J]. 管道技術與設備, 2012(2): 48-49.

[3] 鄭云萍, 劉奇, 張峰等. 氣井井下的腐蝕監測技術[J]. 腐蝕與防護, 2013,34(4):355-357.

[4] 許華文, 廖俊必, 殷國富. 場指紋法管道腐蝕監測系統小腐蝕坑的高精度識別方法[J]. 腐蝕與防護, 2013, 34(34)：330-334．

[5] 廖伍彬, 鄧曉輝, 鄧衛東. 旁路式管道內腐蝕監測技術應用[J].科技創新導報, 2010(30):93.

[6] 劉慧芳, 張鵬, 周俊杰等. 油氣管道內腐蝕檢測技術的現狀與發展趨勢[J]. 管道技術與設備, 2008(5): 46-48．

[7] NACE RP0192—98 Monitoring corrosion in oil and gas production with iron counts[S].

Oil and Gas Pipeline Corrosion Monitoring / Detection Technology

LI Jian-bo1, HU Zheng-hai1, ZHANGLi-mei1, ZHANG Yong2, CHEN Long-li1
(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2.Xinjiang Dushanzi Tianli Industrial Corporation,Karamay, 833600, china)

In view of the current oil and gas pipeline corrosion seriously, Solving the corrosion problems of oil and gas gathering pipelines has become the focus of the work at this stage of oil and gas exploration.This paper present a variety of oil and gas gathering pipeline corrosion monitoring technology research.and various and introduced the characteristics of oil and gas gathering pipeline corrosion monitoring technology

oil and gas pipeline; corrosion; monitoring

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.048.05

李建波 (1963－) ，男，副教授，現主要從事油田防腐及除垢的研究工作。