油氣管線腐蝕監測與防護研究

陳亞頤 趙黎 李兵元 木塔里甫·木拉提 羅李黎

[摘 要]近些年，管道泄漏事故頻繁發生，不僅損失油氣和污染環境，還有可能導致重大的人員傷亡。為確保管道安全運行及盡可能減少泄漏事故引發的不良影響，就需要加大對泄漏檢測技術的研究力度，以便研究出準確性與靈敏性更高的泄漏檢測技術。本文對腐蝕監測技術方法進行了介紹與分析，并結合油氣管道的特點，提出了不同油氣管道腐蝕監測系統監測的思路，并總結了通用的油氣管線腐蝕防護方法，希望能為油氣管道腐蝕防護控制提供參考。

[關鍵詞]油氣管線；腐蝕監測；腐蝕防護

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.04.027

[中圖分類號]F273；TE988.2 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）04-00-02

0 引 言

油氣管道指的是石油及天然氣的輸送管道，是國家公共安全管理的重要內容，屬于八大類特種設備之一，普遍存在于國民經濟和生產生活的各個領域，在國民經濟中占有極其重要的戰略地位。截至2016年12月，我國油氣管線總里程累計約為12.6萬千米，其中天然氣管道約7.43萬千米，原油管道約2.62萬千米，成品油管道約2.55萬千米。其中大部分管線已使用20多年，正逐步進入后期事故多發階段。由于管線的老化及管線外部環境的影響，管線腐蝕情況嚴重，管道因腐蝕破壞而造成的穿孔泄漏事故時有發生。如果油氣管線被損壞的話，就會引發嚴重的泄漏事故，這就會浪費大量的石油和天然氣，不僅會造成嚴重的經濟損失，還會出現環境污染、生態破壞等問題，進而會造成材料和人力浪費，甚至還可能因腐蝕引起火災和爆炸，造成嚴重的安全生產事故。因此，研究油氣管線的腐蝕監測與防護技術，具有重要的現實意義。

1 油氣管線的腐蝕機理

油氣管道，尤其是長距離運輸管道在制造中所選用的材質通常是合金鋼或碳鋼。一般情況下，管道腐蝕屬于電化學腐蝕中的一種，在電解質中，陽極金屬發生溶解，并且放出電子，這些電子會被陰極發生反應時吸收，從而造成金屬的持續溶解。電化學腐蝕過程如下所示。

陽極反應：→（氧化反應）

陰極反應：→H或→（還原反應）

電子的定向轉移會產生腐蝕電流，加速了金屬溶解，因此腐蝕監測主要是根據金屬腐蝕情況、電位、電流及電阻的變化等因素，推導計算出金屬腐蝕的速率等參數，從而直觀地顯示出金屬的保護狀態。

2 油氣管線腐蝕的監測方法

油氣管線的腐蝕監測通常分為內腐蝕監測、外腐蝕監測與腐蝕環境監測。這三類監測方法有其各自關注的側重點，單獨使用其中一種監測方法很難全面、客觀地反映出管道整體的腐蝕情況。只有將這三類監測方法有機地、系統地結合在一起，才能準確、高效地完成油氣管線腐蝕的監測任務。

2.1 內腐蝕監測

引起油氣管道的內腐蝕的因素包括：輸送介質的水、硫化氫、二氧化碳、無機鹽的含量、輸送介質的流動、輸送的壓力、介質溫度，土壤的含鹽量、含水量和溫度等。這些因素會造成油氣管道出現多種腐蝕現象，如均勻腐蝕、點蝕、應力作用下的部分腐蝕（磨損腐蝕、氫損傷、應力腐蝕開裂）等。管道出現腐蝕之后，典型表現是管壁變薄、出現應力腐蝕裂紋、蝕損斑及腐蝕點坑等。管道中的腐蝕檢測技術主要是分析管壁的實際變化情況，獲得管道被腐蝕的相關數據。當前，國內外都十分重視油氣管線內腐蝕問題，均做了大量的研究工作，并研發出了多元化的檢測技術，其中一些先進技術已被廣泛應用并取得了顯著的效果，比如超聲波檢測及漏磁檢測等技術。

漏磁檢測技術，指的是基于鋼棒、鋼管等材料高磁導率特性上的一種檢測技術。如果鋼管中不存在缺陷的話，絕大部分磁力線就會通過鋼管，而磁力線就會呈現均勻分布狀態；如果鋼管內部存在缺陷的話，磁力線在傳播過程中就會發生彎曲，同時有些磁力線還會從鋼管表面泄漏出來。通過對磁敏傳感器獲得的測量結果進行分析，就可精準了解管線中的缺陷信息。通常情況下，漏磁檢測方法適用于檢測中小型管道中的細小缺陷。該檢測方法具有操作簡單、檢測成本低、檢測速度快等優點。

超聲波檢測是借助靈敏性很高的儀器對采集到的各種聲發射信號進行接受及分析，通過分析及研究聲發射源具體的特征參數，對油氣管線的結構內部或材料缺陷的發展趨勢、狀態變化位置及程度進行科學判斷。該方法是借助超聲波的脈沖反射原理對管壁被腐蝕后的具體厚度進行測量，檢測過程中應將探頭垂直向管道內壁發射超聲脈沖，首先探頭應接受到從管壁內表面反射過來的脈沖，接著超聲探頭接收到從管壁外表面反射回來的反射脈沖，而這兩個反射脈沖的間距就是對管壁厚度的具體反映。超聲檢測是直接檢測管道腐蝕缺陷位置與深度的方法，具有很高的測量精度，適用范圍較大、檢測操作簡單，定位準確，為檢測后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便。同時，超聲檢測還適用于大直徑、厚管壁管道的檢測，能夠準確檢測出管道的應力腐蝕破裂和管壁內的缺陷，如夾雜等。因此，超聲檢測技術是國內外應用最廣泛、使用頻度最高、發展最快的一種無損檢測技術。

2.2 外腐蝕監測

外防腐層的破壞主要有兩種形式：一是破損，二是剝離。針對外防腐層破損檢測的技術已相對成熟，非開挖檢測的常用技術包括交流電流衰減技術、密間隔電位測試（CIPS）、人體電容法（Pearson）、直流電流電壓法、直流電位梯度法（DCVG）等。目前，研究的重點在于防腐層剝離的檢測評價。另外，電阻法也是一種成熟且常用的檢測方法，該方法也被稱為可自動測量的掛片法，其測定金屬腐蝕速度是根據金屬試樣由于腐蝕作用使橫截面積減小，從而導致電阻增大的原理。金屬橫截面積與電阻的關系如下。

R=e·L/A（1）

式（1）中R表示電阻，L表示金屬管線的長度，e表示金屬的電阻系數，A表示金屬橫截面積。

國內外利用該原理已經研制出較多的電阻探針用于監測設備的腐蝕情況，是一種研究設備腐蝕的有效工具。其不僅能在液相（電解質或非電解質）中測定，也能在氣相中測定，能準確地反映出設備運行各階段的腐蝕率及其變化。

2.3 腐蝕環境監測

監測管道所處環境，包括對土壤或空氣中的濕度、鹽分含量、酸堿度等環境參數進行監測和度量，并用來輔助分析管道發生腐蝕泄漏的風險。另外，也可以在管線所處環境中放入與管道相同材質的材料，通過對材料腐蝕的情況分析，判斷管道腐蝕的情況，該方法被稱為現場掛片法。具體來說，是將一定材質和規格的試片暴露在腐蝕環境中，經過某個特定的時間后對試片的質量變化進行測量和計算，并對試片表面進行檢查的一種方法。腐蝕試片法是腐蝕監測中最基本的方法之一，雖然是較為傳統的方法，但被認為是腐蝕的最可信證據。腐蝕試片法采取重量法——增重法和失重法，根據試片腐蝕的前后重量變化計算腐蝕速率。腐蝕試片法測試的腐蝕速率是監測周期內的平均腐蝕速率，通過測量已知時期內金屬試樣的失重或增重得到腐蝕信息，并根據試樣的質量變化測出平均腐蝕速率。其計算方法如下。

CR=W×1000×365/A×T×D（2）

其中，CR表示平均腐蝕速率（mm/a）；W表示腐蝕失重（g）；A表示試樣暴露面積（m2）；T表示暴露天數（d）；D表示金屬試樣的密度（g/m2）。

現場掛片法可用于任何環境，當腐蝕速度穩定時最適用。它可以測出腐蝕的具體類型，對相關技術要求不高，且費用不高等。然而其處理、安裝和取卸較為繁瑣，測試周期長，對腐蝕狀態變化的反應速度慢，并且掛片也不能完全等同于油氣管道及設備本身。

綜上可見，對于管線不同部位腐蝕的檢測方法，其側重點以及技術手段具有較大的區別。為了增強不同方法之間的互補性能，提升管道腐蝕監測的準確性與可靠性，檢測人員需要根據腐蝕情況選擇合適的檢測方法，只有將這三類監測方法有機地、系統地結合在一起，才能準確、高效地完成油氣管線腐蝕的監測任務。

3 油氣管線防腐蝕措施

3.1 預防管道外部防腐的措施

在預防油氣管道外壁出現腐蝕現象的過程中，工作人員需要采取兩次防腐措施：先采用的是防腐絕緣層，后采用的是陰極保護。①防腐絕緣層。對埋藏于地下的所有油氣管道采取防腐絕緣措施，這也是當前預防油氣管道出現腐蝕問題的重要環節。該防腐方式能夠有效將油氣管道和周圍土壤較好分離，以降低管道外壁與土壤接觸的機會，從而對油氣管道進行有效防護。②陰極保護。保護油氣管道中陰極的主要措施，是借助外加電流或外加犧牲陽極的形式，消除土壤中管道的原電池陽極區，把管道變成陰極區，以實現有效保護的目的。

3.2 保護油氣管道內壁的措施

與油氣管道外壁經常接觸土壤不同，油氣管道內壁接觸的物質主要是天然氣等，這些物質包含有大量的腐蝕雜質，如二氧化碳等，再加上物質的壓力、溫度等因素的綜合影響，都會導致油氣管道的內壁出現嚴重腐蝕。①保護管道內壁界面的方法。在防護油氣管道內壁出現腐蝕問題的過程中，首先需要采取措施保護好油氣管道內壁界面。該保護措施包括電化學保護或涂抹防腐層。②降解運輸物質的方法。在對油氣管道采取有效的保護措施后，還需要對運輸物質進行必要的降解處理，以便降低天然氣、石油等物質的雜質，也可降低這些物質的濃度，在確保經濟性的前提下，還可以合理提高其流速，盡可能減少其與內壁層的接觸機率。③選用耐腐性能強的材料。無論是保護內壁界面還是降低天然氣、石油濃度，都可以應用到普通的油氣管道保護上，特別是油氣的短途運輸中。然而，對于長途油氣管道來講，由于這些管道分量比較輕，不便于在內壁面做防腐處理，這就需要把防腐處理放置在材質上，從而選用耐腐蝕能力強的材料生產油氣管道。

4 結 語

隨著油氣管線向著長距離、大口徑、高壓力、厚壁化發展，管道腐蝕監測和防護均是管道腐蝕控制過程中的重要環節。單一腐蝕參數監測已難以滿足腐蝕控制的更高要求，而各種在線腐蝕監測技術與計算機技術相結合建立腐蝕在線實時監測網，就能將數據的采集、處理、分析、預測及反饋命令一體化，從而實現油氣管道腐蝕狀態的全面、實時監測，有利于對城市輸油氣管網及偏遠復雜環境下的長輸管道腐蝕狀態相關情況進行安全監控。

主要參考文獻

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