探索澀寧蘭天然氣管道的腐蝕因素及其防護處理

O 孫皓伍雪寧（.中國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處理

O 孫皓1伍雪寧2
（1.中國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安裝有限公司 新疆 830011）

本文針對澀寧蘭管線輸送系統中壓縮機組運行出現的應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、耐環烷酸腐蝕或管線可能出現的其他腐蝕所造成的管線內部腐蝕進行分析。由工業設備諸如電氣化鐵路、電解設備、變壓器的接地體、高壓電線路金屬屏蔽層的破損和接地極、直流焊接設備等產生的雜散電流，在管道上感應出一個交流電壓，威脅管線的安全。本文對以上危害提出預防性檢修措施，以增加長輸管道的長周期運行。

金屬腐蝕；應力腐蝕；雜散電流；長輸管道；腐蝕防護處理

1.管道中輸送的天然氣氣體對管道的腐蝕分析

(1)金屬腐蝕

①化學腐蝕原理

金屬表面與環境介質發生化學作用而引起的腐蝕。

特點:在化學作用過程中沒有腐蝕電流產生。金屬在干燥的氣體介質中和在不導電的液體介質中發生的腐蝕，都屬于化學腐蝕。

②電化學腐蝕原理

在金屬腐蝕的過程中伴隨著電流的流動,是金屬表面與離子導電的介質因發生電化學作用而產生的破壞。與化學腐蝕不同，電化學腐蝕的特點在于它的腐蝕歷程可分為兩個相對獨立并且可同時進行的過程．

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

A．金屬的化學成份不純或合金的化學成份不均勻；B．合金組織不同或結構上的不均勻；C．應力狀態上的不均勻。應力狀態不同，應力高處為陽極，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。管線材料的選擇應綜合考慮當地的自然環境、水文地質、土壤成分、天然氣組分適用范圍、壽命周期、建設成本等因素。對于高腐蝕環境下的碳鋼管線受腐蝕破壞的幾率和風險高，并且以傳統的碳鋼為母材來抑制腐蝕的技術通常情況下，一是增加管道建設投資成本，二是風險大。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境的影響，雙相不銹鋼將抵御來自內部和外部的共同威脅，所以腐蝕管理對于雙相不銹鋼管線和碳鋼管線是一樣的重要。

雙相不銹鋼未經適當正確的熱處理，他將出現金屬間相偏析，因為雙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，不當的熱處理使材料的機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的外加電流綜合作用分析。陰極保護系統的作用：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極間的腐蝕電流。但防腐層因施工、老化等原因，難免會存在缺陷與針孔，從而影響防腐層的保護效果。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。因此單獨使用防腐層保護，效果是不理想的。另一方面單獨使用陰極保護，由于耗電太大也不經濟。因此采用防腐層與陰極保護的聯合保護，將在防腐層缺陷等處的基因金屬表面上進行集中的陰極保護，是最佳的、經濟的保護形式。埋地管道通常采用涂層與電法保護(CP)共同組成的防護系統聯合作用進行外腐蝕控制，這兩種保護方法起著一種互補作用，涂層使陰極保護既經濟又有效，而陰極保護又使涂層出現針孔或損傷的地方受到控制，該方法是已公認的最佳保護方法并廣泛用于埋地管道的腐蝕控制，在我國的運用已有40余年的歷史。但是在防腐層與陰極保護的聯合保護中，應注意防腐層與陰極保護的匹配。一味追求高性能的材料、或過于相信陽極保護、不合理降低對防腐層的基本要求，都是不適宜的。嚴重的可造成保護的失敗。陽極的驅動電壓是陽極的開路電位（陽極與被保護結構斷開時測量的陽極電位）減去被保護結構的極化電位。

外加電流陰極保護：強制電流流向被保護結構，又稱為強制電流陰極保護。利用外部電源提供陰極保護電流的陰極保護技術。

應用各種埋地金屬構筑物的陰極保護，如長輸管道、站內埋地管道。它具有輸出功率大，保護范圍廣，保護電位可調、可控，受地質環境條件影響小等優點，可以用于高土壤電阻率環境。但是需要可靠的外部電力供應，需要定期管理和維護；輔助陽極地床形式和位置選擇不當時，可能對鄰近金屬構筑物產生干擾腐蝕。

(2)應力腐蝕

金屬材料在持續應力和腐蝕性介質的協同作用下發生的腐蝕，其主要腐蝕特征是形成機械裂紋，由于此種腐蝕是裂紋向金屬內部發展，則使得金屬的強度大大降低，且裂紋一旦形成其擴展速度很快，并在破壞前沒有明顯的征兆。應力腐蝕發生的條件為特定介質、特定材料、特定應力、恒定的載荷、恒定的應變以及臨界壓力強度因子，在以上條件作用下，應力腐蝕將會在短時間內迅速破壞管道。

(3)疲勞腐蝕

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

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試。根據測試結果，給出干擾源情況、干擾特性和干擾結論，并提出防護建議。

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

調查測定內容：管道和干擾源的相關位置；管地電位及其距離和時間分布；管壁中流動電流的大小和方向；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；管道已有陰極保護運行參數和運行狀態；管道沿線大地中的雜散電流方向和地電位梯度。

管道干擾檢測按照SY/T0017和GB/T50698-2011兩項現行國家標準進行。干擾檢測的主要手段是采用存儲式雜散電流測試儀，連續測試并記錄管道的交、直流電位。通過電位數值的大小、電位隨時間變化的規律及電位隨距離的分布狀況，判斷干擾類型，確認干擾范圍，評價干擾影響程度，并調查干擾來源。

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

(1)雜散直流影響

處于直流電氣化鐵路、陰極保護系統及其它直流干擾源附近的管道，應進行干擾源側和管道側兩方面的調查測試。當管道任意點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，確認為直流干擾。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判定，當管地電位較自然電位正向偏移值難以測取時，采用土壤電位梯度指標判定雜散電流強弱程度。

對于鋼質管道，直流雜散電流對管道腐蝕影響較大，約為9Kg/A-Year。

表1 直流干擾程度的判斷指標

表2 雜散電流強弱程度的判斷指標

直流地電位梯度的測試，測定垂直的兩個方向的地電位梯度，通過幾個測試點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設備產生的，如：電氣化鐵路、電解設備、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、直流焊接設備等。但輸電線路超過110KV，管線與其平行或交叉，都會在管道上感應出一個交流電壓，若輸電系統發生故障，其故障電流將會產生一個幾千伏甚至上萬伏的瞬間電壓，威脅管線的安全。應滿足GB/T50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中3．0．5、3．0．6、3．0．7條規定中的排流效果評定指標。

當管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流干擾防護措施；高于4V時，應采用交流電流密度進行評估，交流電流密度可按下式計算：

式中：JAC——評估的交流電流密度（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——破損點直徑（m）。

注：(1)ρ值應取交流干擾電壓測試時，測試點處與管道埋深相同的土壤電阻率實測值；(2)d值按發生交流腐蝕最嚴重考慮，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的規定判定。

表13交流干擾程度的判斷指標

當交流干擾程度判定為“強”時，應采取交流干擾防護措施；判定為“中”時，宜采取交流干擾防護措施；判定為“弱”時，可不采取交流干擾防護措施。

測試步驟：①采用萬用表在陰極保護測試樁處測試管道保護電位和交流干擾電位；②根據測試樁處電位測試數據，初步判斷管道是否存在交、直流干擾，如果存在干擾，判定干擾區域；③采用四組測試儀，同步測試干擾區域管地交/直流電位，并繪制時間曲線，對比分析找出干擾最大的測試樁；④在干擾最大測試樁處采用十字交叉法，測試土壤電位梯度，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采用雜散電流測試儀，進行連續測試，測定雜散電流干擾強度及其隨時間變化曲線；⑥根據檢測結果，編制雜散電流干擾檢測報告。

圖11 干擾源方向判定

3.機組長周期運行或間歇脈沖運行可能導致的風險進行分析

由于澀寧蘭管線處于高原地帶，給沿線用戶供氣的過程中由于海拔引起的高差變化較為明顯，在較為明顯的節點處可能導致氣體的流態發生一定的變化，如對天然氣增壓后，在天然氣出站后的一段時間內，氣體都無法達到穩定的流動狀態，此時的高壓氣體對管道產生的沖擊；氣體在管道內長時間流動后所引起的氣體狀態變化，主要是物理變化，其釋放出的能量對管道產生的沖擊；氣體在管道輸送中，處于爬坡時的引起氣體狀態變化，從而對管道產生的沖擊。

氣體在管道中的運行狀況，通過對沿線各壓氣站之間的距離對比之后，可逐漸推測出由于燃壓機組運行可能導致的疲勞或者應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，此時承受較大壓力并且流體狀態不穩，容易導致應力腐蝕；第二種情況為流體壓力在管道中呈現明顯下降趨勢時，此時流體能量損失過快，對管道額沖擊加大，容易導致應力腐蝕；第三種情況雙線交叉增壓，此種的疲勞腐蝕情況難以預測，同樣也是最難以控制的，疲勞腐蝕一旦發生處理起來也極為不易。

(1)研究結果應用

對紊流部分進行判斷，從而對紊流部分管段進行防治；

通過雷諾數計算公式以及泊肅葉公式可以對紊流區段進行判定，從而對處于紊流段的管道進行防護；對于站外管段來說，首先應當采取減少紊流區段的方法，加裝整流器，盡可能的減少流體對管道的沖刷距離，其次在清管作業中增加超聲破探傷，對處于紊流段的區段進行重點探測；對于站內管段來說，加強壓縮機出口后的管段的彎頭及焊縫的檢測。

對于管道后段壓力降低速度加快，流體對管道沖擊加大問題的防治；

管道后段運行過程中壓力迅速降低，又因為全線所轄管段都是埋地管道，所以對于管道情況的檢測來說非常不利，因此我們應當通過對壓降區段明顯的部分進行重點防護，起始點的位置則可以通過管道運行平均壓力點確定。通過長時間對管網壓力變化的觀察，來對管道可能發生疲勞腐蝕的部分進行判斷；同時還可以通過對同流量、同運行狀態的觀察來對管網的運行狀態進行了解，并通過對數據的積累分析，能夠對管網的運行狀態進行判斷，保護管網安全平穩的運行生產。

天然氣在長輸管道輸送過程中出現由于疲勞或者應力腐蝕而導致的大面積漏氣時，對于漏氣點的位置進行判斷；假設兩站之間存在點a，在管道正常運行過程中點a流量與末站流量Q成比例關系，若此時a點出現大量泄漏而又不會導致閥室快速截斷閥自動關斷時a點流量變為qa1，而末站流量變為Q1，則此時qa1與Q1同樣成比例關系，由此得知在其中ζ為天然氣體積流量變化修正系數，而ζ的取值與氣體組分以及管道輸送壓力及溫度有關；

與公式1-4聯立則可以求出點X的大概位置，其誤差值約為±10km。

誤差分析：其主要誤差產生原因是由于壓縮因子的微量變化，主要是由當時壓力的微量變化所引起。

(2)改進辦法

①由于管道設計、施工、運行多年，其當時的運行工況與現在的運行狀態有很大的不同，需要對管道未來數年內的運行狀態進行評估；②對壓縮機進出口處彎管的材料狀態進行詳細、周密檢查；③在周期性檢測時，對彎頭處采取法蘭連接，以便日后損壞更換。

4.結論與認識

在管道運營技術日益成熟的今天，我們應當將更多地精力放在管道中后期的運營及事故預測防治上，而在管道管理保護的過程中，除日常的管道腐蝕與防護之外，我們更加不應該忽略壓縮機這一強大外力對管道所造成的影響和對管道的慢性腐蝕，我們有必要針對壓縮機這一必不可少的設備，來制定一個相對完善的管道防患措施，隨著時間的推移，在日后的工作生產之中我們工作的中心也許會漸漸轉向這個方面，來應對各種各樣的會在后期運行過程中所遇到的問題。

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