探索澀寧蘭天然氣管道的腐蝕因素及其防護(hù)處理

O 孫皓伍雪寧（.中國(guó)石油西部管道蘭州輸氣分公司 甘肅 730070 .新疆烏魯木齊鐵路局鐵龍建設(shè)安裝有限公司 新疆 8300）

探索澀寧蘭天然氣管道的腐蝕因素及其防護(hù)處理

O 孫皓1伍雪寧2
（1.中國(guó)石油西部管道蘭州輸氣分公司 甘肅 730070 2.新疆烏魯木齊鐵路局鐵龍建設(shè)安裝有限公司 新疆 830011）

本文針對(duì)澀寧蘭管線輸送系統(tǒng)中壓縮機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕和管道的疲勞腐蝕以及天然氣組分中硫化氫、二氧化碳、耐環(huán)烷酸腐蝕或管線可能出現(xiàn)的其他腐蝕所造成的管線內(nèi)部腐蝕進(jìn)行分析。由工業(yè)設(shè)備諸如電氣化鐵路、電解設(shè)備、變壓器的接地體、高壓電線路金屬屏蔽層的破損和接地極、直流焊接設(shè)備等產(chǎn)生的雜散電流，在管道上感應(yīng)出一個(gè)交流電壓，威脅管線的安全。本文對(duì)以上危害提出預(yù)防性檢修措施，以增加長(zhǎng)輸管道的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

金屬腐蝕；應(yīng)力腐蝕；雜散電流；長(zhǎng)輸管道；腐蝕防護(hù)處理

1.管道中輸送的天然氣氣體對(duì)管道的腐蝕分析

(1)金屬腐蝕

①化學(xué)腐蝕原理

金屬表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用而引起的腐蝕。

特點(diǎn):在化學(xué)作用過(guò)程中沒(méi)有腐蝕電流產(chǎn)生。金屬在干燥的氣體介質(zhì)中和在不導(dǎo)電的液體介質(zhì)中發(fā)生的腐蝕，都屬于化學(xué)腐蝕。

②電化學(xué)腐蝕原理

在金屬腐蝕的過(guò)程中伴隨著電流的流動(dòng),是金屬表面與離子導(dǎo)電的介質(zhì)因發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的破壞。與化學(xué)腐蝕不同，電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)在于它的腐蝕歷程可分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立并且可同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程．

電化學(xué)腐蝕原理--絕大多數(shù)的電化學(xué)腐蝕屬于微電池作用，介質(zhì)中存在氧化性物質(zhì)，氧氣和氫離子構(gòu)成吸氧和析氫腐蝕產(chǎn)生微觀電化學(xué)不均勻性的主要因素是：

A．金屬的化學(xué)成份不純或合金的化學(xué)成份不均勻；B．合金組織不同或結(jié)構(gòu)上的不均勻；C．應(yīng)力狀態(tài)上的不均勻。應(yīng)力狀態(tài)不同，應(yīng)力高處為陽(yáng)極，加速腐蝕；D．金屬表面上氧化膜不完整，形成膜孔處和膜完整處的電化學(xué)差異。

天然氣管線最常用的材料有碳鋼、不銹鋼、雙相不銹鋼。管線材料的選擇應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、水文地質(zhì)、土壤成分、天然氣組分適用范圍、壽命周期、建設(shè)成本等因素。對(duì)于高腐蝕環(huán)境下的碳鋼管線受腐蝕破壞的幾率和風(fēng)險(xiǎn)高，并且以傳統(tǒng)的碳鋼為母材來(lái)抑制腐蝕的技術(shù)通常情況下，一是增加管道建設(shè)投資成本，二是風(fēng)險(xiǎn)大。所以耐腐蝕合金，特別是雙相不銹鋼則是最佳的選擇方案。由于地面和地下的自然環(huán)境的影響，雙相不銹鋼將抵御來(lái)自內(nèi)部和外部的共同威脅，所以腐蝕管理對(duì)于雙相不銹鋼管線和碳鋼管線是一樣的重要。

雙相不銹鋼未經(jīng)適當(dāng)正確的熱處理，他將出現(xiàn)金屬間相偏析，因?yàn)殡p相不銹鋼的金屬相組織中有約50%的奧氏體和約50%的鐵素體，不當(dāng)?shù)臒崽幚硎共牧系臋C(jī)械性能和抗腐蝕性能退化或者惡化。

氣體沖刷的靜電與腐蝕防護(hù)的外加電流綜合作用分析。陰極保護(hù)系統(tǒng)的作用：管道防腐層在金屬腐蝕控制方面主要起隔離的作用，阻止腐蝕電池中陰極與陽(yáng)極間的腐蝕電流。但防腐層因施工、老化等原因，難免會(huì)存在缺陷與針孔，從而影響防腐層的保護(hù)效果。而且缺陷等處暴露的金屬與防腐層覆蓋的部分形成了小陽(yáng)極和大陰極的局部腐蝕電池，將加速暴露金屬的腐蝕速度。因此單獨(dú)使用防腐層保護(hù)，效果是不理想的。另一方面單獨(dú)使用陰極保護(hù)，由于耗電太大也不經(jīng)濟(jì)。因此采用防腐層與陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)，將在防腐層缺陷等處的基因金屬表面上進(jìn)行集中的陰極保護(hù)，是最佳的、經(jīng)濟(jì)的保護(hù)形式。埋地管道通常采用涂層與電法保護(hù)(CP)共同組成的防護(hù)系統(tǒng)聯(lián)合作用進(jìn)行外腐蝕控制，這兩種保護(hù)方法起著一種互補(bǔ)作用，涂層使陰極保護(hù)既經(jīng)濟(jì)又有效，而陰極保護(hù)又使涂層出現(xiàn)針孔或損傷的地方受到控制，該方法是已公認(rèn)的最佳保護(hù)方法并廣泛用于埋地管道的腐蝕控制，在我國(guó)的運(yùn)用已有40余年的歷史。但是在防腐層與陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)中，應(yīng)注意防腐層與陰極保護(hù)的匹配。一味追求高性能的材料、或過(guò)于相信陽(yáng)極保護(hù)、不合理降低對(duì)防腐層的基本要求，都是不適宜的。嚴(yán)重的可造成保護(hù)的失敗。陽(yáng)極的驅(qū)動(dòng)電壓是陽(yáng)極的開(kāi)路電位（陽(yáng)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)斷開(kāi)時(shí)測(cè)量的陽(yáng)極電位）減去被保護(hù)結(jié)構(gòu)的極化電位。

外加電流陰極保護(hù)：強(qiáng)制電流流向被保護(hù)結(jié)構(gòu)，又稱為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。利用外部電源提供陰極保護(hù)電流的陰極保護(hù)技術(shù)。

應(yīng)用各種埋地金屬構(gòu)筑物的陰極保護(hù)，如長(zhǎng)輸管道、站內(nèi)埋地管道。它具有輸出功率大，保護(hù)范圍廣，保護(hù)電位可調(diào)、可控，受地質(zhì)環(huán)境條件影響小等優(yōu)點(diǎn)，可以用于高土壤電阻率環(huán)境。但是需要可靠的外部電力供應(yīng)，需要定期管理和維護(hù)；輔助陽(yáng)極地床形式和位置選擇不當(dāng)時(shí)，可能對(duì)鄰近金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生干擾腐蝕。

(2)應(yīng)力腐蝕

金屬材料在持續(xù)應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的協(xié)同作用下發(fā)生的腐蝕，其主要腐蝕特征是形成機(jī)械裂紋，由于此種腐蝕是裂紋向金屬內(nèi)部發(fā)展，則使得金屬的強(qiáng)度大大降低，且裂紋一旦形成其擴(kuò)展速度很快，并在破壞前沒(méi)有明顯的征兆。應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件為特定介質(zhì)、特定材料、特定應(yīng)力、恒定的載荷、恒定的應(yīng)變以及臨界壓力強(qiáng)度因子，在以上條件作用下，應(yīng)力腐蝕將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速破壞管道。

(3)疲勞腐蝕

金屬材料在遠(yuǎn)低于他們的極限抗拉強(qiáng)度的條件下會(huì)形成裂紋，它同樣是交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下的一種腐蝕，其主要影響因素為應(yīng)力的變化頻率以及選材。疲勞腐蝕相比于應(yīng)力腐蝕，其發(fā)生的范圍更廣、更大，同樣也更加難以預(yù)測(cè)更加容易大范圍的爆發(fā)。

2.雜散電流的影響與分析

高壓線并行或穿行段、鐵路穿越段等必須測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，給出干擾源情況、干擾特性和干擾結(jié)論，并提出防護(hù)建議。

雜散電流腐蝕特點(diǎn)：(1)腐蝕激烈；腐蝕集中于局部位置；有防腐層時(shí)，往往集中于防腐層缺陷部位；(2)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生點(diǎn)狀腐蝕，造成泄露事故。外觀判別法：雜散電流腐蝕時(shí)空蝕傾向性大，創(chuàng)面光滑，有時(shí)是金屬光澤，邊緣整齊，腐蝕產(chǎn)物似炭黑色細(xì)粉狀，有水分存在時(shí)，可明顯看到電解過(guò)程的痕跡。自然腐蝕時(shí)空蝕傾向較小，有黃色或黑色的質(zhì)地較為疏松的銹層，創(chuàng)面邊緣不整齊，清除腐蝕產(chǎn)物后創(chuàng)面較粗糙。

調(diào)查測(cè)定內(nèi)容：管道和干擾源的相關(guān)位置；管地電位及其距離和時(shí)間分布；管壁中流動(dòng)電流的大小和方向；泄露電流流出、流入的部位和大小；管道泄露電阻、管道沿線的土壤電阻率；管道已有陰極保護(hù)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)；管道沿線大地中的雜散電流方向和地電位梯度。

管道干擾檢測(cè)按照SY/T0017和GB/T50698-2011兩項(xiàng)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。干擾檢測(cè)的主要手段是采用存儲(chǔ)式雜散電流測(cè)試儀，連續(xù)測(cè)試并記錄管道的交、直流電位。通過(guò)電位數(shù)值的大小、電位隨時(shí)間變化的規(guī)律及電位隨距離的分布狀況，判斷干擾類(lèi)型，確認(rèn)干擾范圍，評(píng)價(jià)干擾影響程度，并調(diào)查干擾來(lái)源。

干擾測(cè)試段的確定可以遵循以下原則：交流干擾測(cè)試管段包括前期管理方提供的已知干擾位置，以及地面檢測(cè)階段測(cè)試樁交流電位測(cè)試結(jié)果確定的存在交流干擾管段。而直流干擾測(cè)試管段包括管理方提供的已知干擾位置和自然電位測(cè)試結(jié)果中電位異常管段，以及CIPS的測(cè)試結(jié)果確定的直流電位波動(dòng)明顯的管段。其次對(duì)上述干擾管段進(jìn)行普測(cè)時(shí)，測(cè)試的間距可以根據(jù)交直流干擾強(qiáng)度和影響范圍確定。

(1)雜散直流影響

處于直流電氣化鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)及其它直流干擾源附近的管道，應(yīng)進(jìn)行干擾源側(cè)和管道側(cè)兩方面的調(diào)查測(cè)試。當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位偏移20mV或管道附近土壤電位梯度大于0．5mV／m時(shí)，確認(rèn)為直流干擾。管道直流干擾程度一般按管地電位較自然電位正向偏移值指標(biāo)判定，當(dāng)管地電位較自然電位正向偏移值難以測(cè)取時(shí)，采用土壤電位梯度指標(biāo)判定雜散電流強(qiáng)弱程度。

對(duì)于鋼質(zhì)管道，直流雜散電流對(duì)管道腐蝕影響較大，約為9Kg/A-Year。

表1 直流干擾程度的判斷指標(biāo)

表2 雜散電流強(qiáng)弱程度的判斷指標(biāo)

直流地電位梯度的測(cè)試，測(cè)定垂直的兩個(gè)方向的地電位梯度，通過(guò)幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電位梯度的大小和方向，判斷雜散電流源的方位。

(2)雜散交流影響

雜散電流主要是由工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的，如：電氣化鐵路、電解設(shè)備、變壓器的接地體、高壓電線路金屬屏蔽層的破損處和接地極、直流焊接設(shè)備等。但輸電線路超過(guò)110KV，管線與其平行或交叉，都會(huì)在管道上感應(yīng)出一個(gè)交流電壓，若輸電系統(tǒng)發(fā)生故障，其故障電流將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幾千伏甚至上萬(wàn)伏的瞬間電壓，威脅管線的安全。應(yīng)滿足GB/T50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中3．0．5、3．0．6、3．0．7條規(guī)定中的排流效果評(píng)定指標(biāo)。

當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估，交流電流密度可按下式計(jì)算：

式中：JAC——評(píng)估的交流電流密度（A/m2）；V——交流干擾電壓有效值的平均值（V）；ρ——土壤電阻率（Ω·m）；d——破損點(diǎn)直徑（m）。

注：(1)ρ值應(yīng)取交流干擾電壓測(cè)試時(shí)，測(cè)試點(diǎn)處與管道埋深相同的土壤電阻率實(shí)測(cè)值；(2)d值按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重考慮，取0．0113。

管道受交流干擾的程度可按下表交流干擾程度的判斷指標(biāo)的規(guī)定判定。

表13交流干擾程度的判斷指標(biāo)

當(dāng)交流干擾程度判定為“強(qiáng)”時(shí)，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“中”時(shí)，宜采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“弱”時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施。

測(cè)試步驟：①采用萬(wàn)用表在陰極保護(hù)測(cè)試樁處測(cè)試管道保護(hù)電位和交流干擾電位；②根據(jù)測(cè)試樁處電位測(cè)試數(shù)據(jù)，初步判斷管道是否存在交、直流干擾，如果存在干擾，判定干擾區(qū)域；③采用四組測(cè)試儀，同步測(cè)試干擾區(qū)域管地交/直流電位，并繪制時(shí)間曲線，對(duì)比分析找出干擾最大的測(cè)試樁；④在干擾最大測(cè)試樁處采用十字交叉法，測(cè)試土壤電位梯度，采用電位向量圖分析并查找并確定干擾源方向，確定干擾源位置；⑤采用雜散電流測(cè)試儀，進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，測(cè)定雜散電流干擾強(qiáng)度及其隨時(shí)間變化曲線；⑥根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，編制雜散電流干擾檢測(cè)報(bào)告。

圖11 干擾源方向判定

3.機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行或間歇脈沖運(yùn)行可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析

由于澀寧蘭管線處于高原地帶，給沿線用戶供氣的過(guò)程中由于海拔引起的高差變化較為明顯，在較為明顯的節(jié)點(diǎn)處可能導(dǎo)致氣體的流態(tài)發(fā)生一定的變化，如對(duì)天然氣增壓后，在天然氣出站后的一段時(shí)間內(nèi)，氣體都無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)的高壓氣體對(duì)管道產(chǎn)生的沖擊；氣體在管道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)后所引起的氣體狀態(tài)變化，主要是物理變化，其釋放出的能量對(duì)管道產(chǎn)生的沖擊；氣體在管道輸送中，處于爬坡時(shí)的引起氣體狀態(tài)變化，從而對(duì)管道產(chǎn)生的沖擊。

氣體在管道中的運(yùn)行狀況，通過(guò)對(duì)沿線各壓氣站之間的距離對(duì)比之后，可逐漸推測(cè)出由于燃?jí)簷C(jī)組運(yùn)行可能導(dǎo)致的疲勞或者應(yīng)力腐蝕可能大致分為三種情況，第一種情況為流體出站紊流階段，此時(shí)承受較大壓力并且流體狀態(tài)不穩(wěn)，容易導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕；第二種情況為流體壓力在管道中呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)時(shí)，此時(shí)流體能量損失過(guò)快，對(duì)管道額沖擊加大，容易導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕；第三種情況雙線交叉增壓，此種的疲勞腐蝕情況難以預(yù)測(cè)，同樣也是最難以控制的，疲勞腐蝕一旦發(fā)生處理起來(lái)也極為不易。

(1)研究結(jié)果應(yīng)用

對(duì)紊流部分進(jìn)行判斷，從而對(duì)紊流部分管段進(jìn)行防治；

通過(guò)雷諾數(shù)計(jì)算公式以及泊肅葉公式可以對(duì)紊流區(qū)段進(jìn)行判定，從而對(duì)處于紊流段的管道進(jìn)行防護(hù)；對(duì)于站外管段來(lái)說(shuō)，首先應(yīng)當(dāng)采取減少紊流區(qū)段的方法，加裝整流器，盡可能的減少流體對(duì)管道的沖刷距離，其次在清管作業(yè)中增加超聲破探傷，對(duì)處于紊流段的區(qū)段進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)；對(duì)于站內(nèi)管段來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)壓縮機(jī)出口后的管段的彎頭及焊縫的檢測(cè)。

對(duì)于管道后段壓力降低速度加快，流體對(duì)管道沖擊加大問(wèn)題的防治；

管道后段運(yùn)行過(guò)程中壓力迅速降低，又因?yàn)槿€所轄管段都是埋地管道，所以對(duì)于管道情況的檢測(cè)來(lái)說(shuō)非常不利，因此我們應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)壓降區(qū)段明顯的部分進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)，起始點(diǎn)的位置則可以通過(guò)管道運(yùn)行平均壓力點(diǎn)確定。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)管網(wǎng)壓力變化的觀察，來(lái)對(duì)管道可能發(fā)生疲勞腐蝕的部分進(jìn)行判斷；同時(shí)還可以通過(guò)對(duì)同流量、同運(yùn)行狀態(tài)的觀察來(lái)對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的積累分析，能夠?qū)芫W(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，保護(hù)管網(wǎng)安全平穩(wěn)的運(yùn)行生產(chǎn)。

天然氣在長(zhǎng)輸管道輸送過(guò)程中出現(xiàn)由于疲勞或者應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致的大面積漏氣時(shí)，對(duì)于漏氣點(diǎn)的位置進(jìn)行判斷；假設(shè)兩站之間存在點(diǎn)a，在管道正常運(yùn)行過(guò)程中點(diǎn)a流量與末站流量Q成比例關(guān)系，若此時(shí)a點(diǎn)出現(xiàn)大量泄漏而又不會(huì)導(dǎo)致閥室快速截?cái)嚅y自動(dòng)關(guān)斷時(shí)a點(diǎn)流量變?yōu)閝a1，而末站流量變?yōu)镼1，則此時(shí)qa1與Q1同樣成比例關(guān)系，由此得知在其中ζ為天然氣體積流量變化修正系數(shù)，而ζ的取值與氣體組分以及管道輸送壓力及溫度有關(guān)；

與公式1-4聯(lián)立則可以求出點(diǎn)X的大概位置，其誤差值約為±10km。

誤差分析：其主要誤差產(chǎn)生原因是由于壓縮因子的微量變化，主要是由當(dāng)時(shí)壓力的微量變化所引起。

(2)改進(jìn)辦法

①由于管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行多年，其當(dāng)時(shí)的運(yùn)行工況與現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)有很大的不同，需要對(duì)管道未來(lái)數(shù)年內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；②對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)出口處彎管的材料狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)、周密檢查；③在周期性檢測(cè)時(shí)，對(duì)彎頭處采取法蘭連接，以便日后損壞更換。

4.結(jié)論與認(rèn)識(shí)

在管道運(yùn)營(yíng)技術(shù)日益成熟的今天，我們應(yīng)當(dāng)將更多地精力放在管道中后期的運(yùn)營(yíng)及事故預(yù)測(cè)防治上，而在管道管理保護(hù)的過(guò)程中，除日常的管道腐蝕與防護(hù)之外，我們更加不應(yīng)該忽略壓縮機(jī)這一強(qiáng)大外力對(duì)管道所造成的影響和對(duì)管道的慢性腐蝕，我們有必要針對(duì)壓縮機(jī)這一必不可少的設(shè)備，來(lái)制定一個(gè)相對(duì)完善的管道防患措施，隨著時(shí)間的推移，在日后的工作生產(chǎn)之中我們工作的中心也許會(huì)漸漸轉(zhuǎn)向這個(gè)方面，來(lái)應(yīng)對(duì)各種各樣的會(huì)在后期運(yùn)行過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。

Exploration of Corrosion Reason of Cullinan Shibuya Natural Gas Pipeline and the Protection Treatment

Sun Hao1, Wu Xuening2
（1.Petrochina West Pipeline Lanzhou Gas Branch, GanSu, 730070 2.Xinjiang Urumqi Railway Bureau Tielong construction installation CoLtd. Xinjiang, 830011）

In this paper, the corrosions include the stress corrosion and fatigue corrosion occurred on the pipes of compressor units, and the pipeline corrosion caused by some composition of natural gas such as H2S, CO2, naphthenic acid as well as other possible corrosion in Sebei-Xining-Lanzhou pipeline transfer system were analyzed. Also, the stray current arose by the ground bodies of industrial equipments include the electric railway, electrolysis equipments, transformer, the damaged metal shields and ground bodies of high voltage circuits, and direct- current- welding equipments, will induce a alternating voltage on pipelines which could threat the safety of pipelines. This paper will provide a preventative maintenance program to minimize the impacts of above factors.

metallic corrosion；stress corrosion；stray current；long distance transfer pipeline；corrosion preventive and protective measures

T

A

孫皓（1991～），男，中國(guó)石油西部管道蘭州輸氣分公司，研究方向：管道運(yùn)行及管道腐蝕研究。伍雪寧(1989～），女，新疆烏魯木齊鐵路局鐵龍建設(shè)安裝有限公司，研究方向：電氣化鐵路運(yùn)行管理。