輸氣管道緩蝕劑預膜機理與工藝的研究現狀及發展趨勢

熊昊天 呂純瑋 賴浩然 孫昌皓 李冰玉 邱伊婕

摘? ? ? 要：近年來，隨著國內外天然氣的開采力度和利用程度的不斷加大，對輸氣管道防腐蝕能力的要求也隨之提高。緩蝕劑預膜工藝技術可有效提升輸氣管道的抗腐蝕能力，避免因管道內腐蝕穿孔而造成天然氣泄漏爆炸等一系列安全問題，從而達到安全、高效運行的目的。因此，研究并分析緩蝕劑預膜的機理，分析影響預膜質量的多種因素，并提出一種高效合理的緩蝕劑預膜工藝顯得尤為關鍵。論述了國內外常用的緩蝕劑預膜工藝和預膜機理，對各工藝的原理進行詳細闡述，并對目前的發展現狀做出總結，對未來的發展趨勢做出展望。

關? 鍵? 詞：緩蝕劑;預膜機理;預膜工藝;預膜質量

中圖分類號：U177.2? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2362-04

Abstract： In recent years， with the increasing of exploitation intensity and utilization of natural gas at home and abroad， the requirement of anti-corrosion ability of pipeline is also increasing. Corrosion inhibitor pre-membrane technology can effectively improve the corrosion resistance of the gas pipeline， to avoid the corrosion perforation in the pipeline to cause a series of safety problems， such as leakage and explosion， so as to achieve the goal of safe and efficient operation. Therefore， it is very important to study and analyze the mechanism of corrosion inhibitor pre-filming， the various factors affecting the quality of pre-film， and put forward an efficient and reasonable process of corrosion inhibitor pre-filming. In this paper， common pre-membrane technologies and pre-membrane mechanism of corrosion inhibitors at home and abroad were mainly discussed， the principle of each process was expounded in detail， and the present development situation was summarized， and the future development trend was prospected.

Key words： Corrosion inhibitor; Pre-filming mechanism; Pre-filming process; Corrosion protection

目前，我國大部分油氣田采出氣內均含有硫化物和二氧化碳等腐蝕性氣體，加之在天然氣輸送的過程中會析出水并在管內形成積水管段，積水與管內二氧化碳結合生成碳酸等造成化學腐蝕，嚴重損壞管線和設備，影響整個管線的正常運營甚至造成巨大的經濟損失和人員傷亡，尤其在運行使用時間較長且人口稠密地區的管線中，若出現因腐蝕而造成的輸氣管道泄漏爆炸會對社會和環境造成難以估量的影響。據不完全統計：目前在役油氣管道腐蝕事故頻次約為0.875～1.375次/1 000 km/a，高于國外0.08～0.16次/1 000 km/a[1]。因此，對管道內采取相應的防護措施，防止輸氣管道穿孔泄漏，以延長管道壽命，對確保輸氣管道的正常安全運行具有非常重要的意義。

提高管道抗腐蝕的能力有多種方法，目前國內外對于新建管道多采用抗腐蝕材料和安全化設計，而對于已建管道則采用緩蝕劑預膜的方法來實現對輸氣管道的防護作用。由于我國天然氣開采年限較早，大多數已建管道使用的時間較長，緩蝕劑預膜工藝有著廣泛的應用前景。因此，通過對前人研究成果的總結，可為以后深入研究緩蝕劑預膜機理和研發新型緩蝕劑以及相應的加注工藝提供借鑒思路，豐富理論基礎和研究途徑。本文根據國內外相關研究進展，給出了緩蝕劑預膜機理，總結了目前使用廣泛的預膜工藝及其應用情況，并對預膜工藝的發展趨勢給出展望。

1? 輸氣管道緩蝕劑預膜機理和工藝國內外研究現狀

影響預膜質量的因素眾多，如緩蝕劑類型、管內介質的流動情況、緩蝕劑加注工藝等。針對已建輸氣管道的緩蝕劑預膜機理和工藝，國內外學者通過實驗研究、理論分析、現場試驗等方法，從緩蝕劑優選、緩蝕劑加注量、成膜理論、預膜質量評價、有效保護距離、預膜工藝優化等多方面進行了大量研究，并取得了一定的研究成果。

1.1? 國外緩蝕劑預膜機理及工藝研究現狀

在輸氣管道防腐蝕問題上，國外學者在前人的研究理論基礎上做了大量研究，并對緩蝕劑預膜機理和工藝的理論基礎不斷進行了完善和補充。

J.E.O.Mayne和A.D.Mercer等[2]對緩蝕劑做出的定義是緩蝕劑在腐蝕環境中加入很少量便能在金屬表面或表面附近發生作用而顯著降低金屬腐蝕速率的物質。并且A.D.Mercer[3]歸納總結了關于緩蝕劑的多種不同的分類方法。G.Schmitt[4]等人通過實驗提出緩蝕劑的吸附模式可分為競爭吸附和協同吸附，以及Lorenz和Mansfeld[5]提出界面緩蝕和相面緩蝕的新觀念，該兩種觀念的提出豐富了緩蝕劑預膜吸附機理在微觀層面上的理解。Evans和Hoar提出了Fe2O3膜的保護歷程，確定出其鈍化成膜理論，為緩蝕劑預膜機理的鈍化成膜打下了理論基礎[6]。Hackerman提出了在緩蝕劑吸附成膜時物理吸附與化學吸附共存的綜合吸附特點的看法，在理論上解釋了緩蝕劑在金屬表面上吸附過程[6]。

基于傳統的預膜方式和相關工藝手法James H.Coulter等人[7]在前人的研究基礎上，提出了一種適合于輸氣管道內涂膜的旋轉型裝置，該裝置在理論上推翻了普通清管器的地位，但由于該裝置與緩管道的內摩擦較大在管內行進困難，使得在實際生產上難以使用（如圖1）。為解決預膜效果在實際生產應用中不理想的問題RickD.Pruett等人[8]提出了一種噴射型管道預膜裝置，利用文丘里管使清管器在行進過程中對管道進行預膜。但是該裝置同時存在著預膜范圍較小，不能實現將管道內壁完全預膜覆蓋的缺陷（如圖2）。

1.2? 國內緩蝕劑預膜機理及工藝研究發展狀況

雖然我國對天然氣的開采使用時間較早，但對輸氣管道防腐蝕問題以及緩蝕劑的研究起步較晚。近年來隨著我國逐漸加大對天然氣的開發和利用，對輸氣管道緩蝕劑預膜的研究也隨之較為迅速。并且以原來的對于輸氣管道進行外涂層或采用陰極保護的方法到現階段對管道的內外進行防腐蝕處理并且采取不同工藝手法，使得管道的防腐蝕程度在近年來得到了較大的提升。

在緩蝕劑優選方面，1992年，劉惟[10]對四川輸氣干線情況進行分析，研究管線內含介質的占比情況，通過管內腐蝕機理分析在不同因素的影響下管內壁的腐蝕情況。并總結出具有良好預膜效果的緩蝕劑如CT2-2型等。

1993年，彭年橞[11]對CT2—2緩蝕劑在四川輸氣干線上進行相關技術上的研究。提出了采用放射性同位素示蹤技術研究緩蝕劑在輸氣管道內的擴散規律和有效保護加注量的方法。

1995年，楊懷玉[12]通過多種實驗方法對防腐緩蝕劑進行篩選評價，確定了多種影響因素如管內溫度情況、硫化物濃度對預膜后緩蝕效果的影響。得出選取的緩蝕劑無論隨著溫度或硫化物的濃度變化，在一定添加濃度下都會控制介質對金屬的腐蝕的結論。

2018年，劉忠運[13]以頁巖氣輸送過程中H2S和CO2共存的前提下對當今常用的緩蝕劑進行分析調研，得出氣液雙相類緩蝕劑所具有的緩蝕效果更大且具有更廣闊的應用前景。

在理論研究方面，1997年，鄭永剛等[14]利用液體霧化理論，對緩蝕劑在輸氣管道內的霧化過程和機理進行了研究。對緩蝕劑的霧化后在管內的分布等評定指標進行了計算。提出了采用霧化工藝對輸氣管道預膜時的緩蝕劑加注量以及保護管道的最小加注量等計算公式。

1999年，殷朋[15]通過理論上的研究，分析出多種對緩蝕劑在輸氣管道中殘余量的監測方法，為以后對緩蝕劑的加注量、加注周期和保護距離的計算上奠定了理論上的依據。

2006年，劉永康[16]在實驗和理論研究的基礎上，對輸氣管道緩蝕劑的加注濃度和保護距離進行了研究。通過對空氣幾何尺寸和壓力等多方面因素對緩蝕劑的霧化機理進行分析，得出相應的關聯式并加以修正。使得緩蝕劑的霧化機理相關理念和相關加注濃度等影響因素有了較完善的體系和科學的算法模型。

2013年和2014年，吳東容等[17]為了深入的研究緩蝕劑的預膜新方法和工藝，基于以往成膜的主要機理對現今緩蝕劑加注方式、加注量以及管內流型的因素對預膜質量的影響做出分析和總結，指出了緩蝕劑的主要控制因素，使得緩蝕劑預膜機理和工藝有了相對完善的理論基礎。

2014年，龍星岑[18]采用實驗模擬和數值模擬相結合的方法，建立緩蝕劑預膜的實用物理模型，得出了緩蝕劑加注量、清管器速度、介質粘度等因素對預膜厚度和持久性影響較大，而管徑則對其影響較小的結論。并對傳統的沾滴預膜質量評價方法進行改進。

2016年，沈雅欣等[19]在微生物腐蝕、垢下腐蝕和管道頂部腐蝕機理的條件下分析能夠緩解此3種腐蝕的緩蝕劑，并得出添加的緩蝕劑在接近臨界膠束濃度時，其緩蝕效果能夠達到最佳的結論。

2017年，高雪琦等[20]利用數值模擬軟件對緩蝕劑在輸氣管道的預膜在管內壁上的分布情況進行了研究和分析。得出的結果表明緩蝕劑液膜會在重力的作用下向管底沉降，并且緩蝕劑分布均勻情況與其表面張力成正比。

2018年，汪楓等[21]利用電化學方法，研究了高含硫體系中利用清管器預膜作業時緩蝕劑的成膜時間，由此推導出作業過程中預膜球控制速度的計算方法，并將其方法應用于現場實驗后所得預膜質量良好。

在預膜設備及工藝的改進方面，1995年，安貴林等[22]基于前人的不同緩蝕劑加注方法，對噴霧加注裝置進行研究，改進出新型緩蝕劑噴霧加注裝置工藝流程并引入了緩蝕劑噴入量以及采用相對較合適的霧滴粒徑等理論計算公式。結束了三十年來四川氣田所使用的平衡罐加注緩蝕劑的歷史，更提高了緩蝕劑作用在輸氣管道上的技術水平。

2007年，董紹華[23]等人研制出新型適用用于長距離輸油氣管道的清管器收發裝置，實現了清管器的機械化作業，使其具備能夠在危險爆炸區作業的條件。

同年，劉熠[24]等根據以往的緩蝕劑加注理論為基礎對現階段的管內腐蝕控制技術做出改進，提出了可采用GP-1新型緩蝕劑的方案以及采用壓力霧化法對以往的緩蝕劑壓力平衡罐加注方法替代的可行性。

2014年，張智瑯等[25]基于現有緩蝕劑預膜的工藝并結合現今科技成果，研制出一款用于輸氣管道的智能式清管器，可根據管內壓力的變化進行自我調節，實現智能化，可大大提高輸氣管道的運輸安全。

同年，朱冬銀等[26]結合實踐對緩蝕劑預膜工藝中的清管器預膜方式做出運行時間、緩蝕劑的用量等多方面的總結并得出了利用清管器進行的緩蝕劑預膜作業具有更好的預膜質量和施工方便等特點。

2017年，李博等[27]基于GPS系統和GSM通信系統與清管器相結合，實現了清管器智能跟蹤和定位，提高了清管器在施工的過程中的精度與可靠性。

目前，在緩蝕劑成膜機理方面，研究主要集中在緩蝕劑與金屬管壁的物理化學作用機理方面。在預膜工藝方面，清管式預膜技術操作簡單、成本低，目前應用最為廣泛。在預膜質量控制方面，主要通過控制管內介質流動狀況、加注量、清管器速度等方法來控制預膜厚度。因此，今后有必要進一步深入探討不同類型緩蝕劑在管內復雜湍流狀態的成膜機理，研究輸氣管道內液膜的分布狀況，提出緩蝕劑的加注量計算模型，優化預膜工藝，為緩蝕劑預膜的新工藝和新方法的研究提供理論和技術支撐。

2? 緩蝕劑和預膜工藝對輸氣管道防腐蝕問題的未來發展趨勢

2.1? 緩蝕劑的未來研制方向將是環境友好型

隨著社會和經濟的發展以及人類保護環境的意識提升，最初對管道進行預膜處理的無機緩蝕劑如亞硝酸鹽等成膜緩蝕劑存在用量較大，易揮發等缺點且若處理不當會對環境造成較大的污染等負面作用，現已被有機緩蝕劑如鏈狀有機胺及其衍生物或咪唑啉衍生物季胺鹽類吸附型緩蝕劑所替代。在近幾年出現了植物提取物類緩蝕劑之類的研究，使得緩蝕劑向環境更加友好，更加無毒無害方面靠攏的趨勢。所以高效環保緩蝕劑是未來工業發展的需要，也是其研究的永恒方向[28]。

2.2? 輸氣管道預膜工藝加注式轉向清管器預膜方式

傳統的預膜工藝會受到地形以及管道長度等多種因素影響，且預膜質量不夠理想。從目前的研究現狀和現場實用效果來看，采用清管器式預膜方式對輸氣管道進行預膜，具有成本低預膜效果較為優良的優點，且可開發程度較高。所以在對輸氣管道進行長距離的預膜處理時，清管器預膜方式不失為一種更好的選擇，也是今后輸氣管道預膜工藝的主要研究方向。

2.3? 輸氣管道緩蝕劑預膜工藝將與現今先進的科學技術結合實現預膜智能化

隨著高新技術的飛速發展，近年來有著緩蝕劑預膜工藝與GPS或相關控制軟件相結合來實現對清管器的跟蹤定位，更有將機械自動化與清管器結構進行結合的相關專利和研究，來實現對清管器在輸氣管線內速度和傾角等多方面的自我調節，從而實現清管器的智能化，達到降低清管器作業成本提升可靠性的目的。所以實現清管器預膜智能化，提高預膜質量是未來預膜工藝技術的主要方向。

3? 結束語

為防止輸氣管道因腐蝕而穿孔泄漏而造成環境污染以及輸氣效率的降低，需對其采取相應的防腐措施，以保證管道的正常運行。而對已建管道采用緩蝕劑預膜來提高管道的抗腐蝕能力是最為可行的方法。但緩蝕劑預膜的機理和影響因素眾多，難以控制預膜質量，并且現今常用的清管器預膜工藝存在著技術不成熟等缺陷問題，使得緩蝕劑預膜技術難以得到更廣闊的發展和應用。因此，為提升預膜質量需從緩蝕劑預膜的機理和影響因素、預膜工藝等多個方面進行深入研究。同時，只有對傳統工藝進行改進，提出預膜質量控制和檢測的新技術，才能使緩蝕劑預膜技術得到更好地推廣與應用，這也是今后提升輸氣管道防腐能力的研究重點。

參考文獻：

[1] 殷麗秋，吳明，修連強，曹彥青. 油氣管道的腐蝕行為與防護技術[J]. 當代化工，2013，42（06）：832-835.

[2] Mayne J E O . The U. R. Evans award for 1986[J]. Corrosion Science， 1986， 26（12）：989，991-989，991.

[3]L.L. Shreir. Corrosion： Vol. 1， metal/environment reactions; vol. 2，corrosioncontrol.[J]. Surface Technology， 1977，6（2）：151-152.

[4] Schmitt G， Bedbur K. Investigations on structural and electronic effects in acid inhibitors by AC impedance[J]. Materials & Corrosion， 1985， 36（6）：273-278.

[5]Williams D E ， Asher J. Measurement of low corrosion rates： Comparison of A.C. impedance and thin layer activation methods[J]. Corrosion Science， 1984， 24（3）：185-196.

[6] 黃魁元. 緩蝕劑的發展[J]. 陜西化工， 1986 （01）： 6-12.

[7] RICK D P. Inhibitor dispensing pipeline pig：USA，6874193B2[P]. 2005-04-05.

[8] JAMES H C， DAVID L L. Method for cleaning and coating pipeline walls：USA， 4425385[P]. 1984-01-10.

[9]吳東容. 輸氣管道緩蝕劑預膜技術現狀[J]. 油氣儲運， 2014， 33（11）： 1235-1239.

[10] 劉惟. 四川氣田輸氣干線內腐蝕及其控制[J]. 油氣儲運， 1992（06）： 40-44+5.

[11]彭年穗. CT2-2輸氣管道緩蝕劑的應用[J]. 石油與天然氣化工， 1993（02）： 116-120.

[12] 楊懷玉. 海底輸氣管線內防腐緩蝕劑的篩選評價[A]. 中國腐蝕與防護學會緩蝕劑專業委員會. 第九屆全國緩蝕劑學術討論會論文集[C]. 中國腐蝕與防護學會緩蝕劑專業委員會： 1995： 5.

[13]劉忠運. CO2/H2S共存條件下頁巖氣管道緩蝕劑優選研究[J]. 當代化工研究， 2018（05）： 59-60.

[14]鄭永剛， 安貴林， 彭榮， 侯勝. 輸氣管道中緩蝕劑霧化濃度分布及加注量計算[J]. 油氣儲運，1997（07）： 17-20+61-5.

[15] 殷朋. 緩蝕劑在輸氣管道中的監測技術[A]. 中國腐蝕與防護學會蝕劑專業委員會， 1999： 3.

[16] 劉永康. 輸氣干線緩蝕劑加注濃度及保護距離研究[D]. 西南石油大學，2006.

[17]吳東容， 敬加強， 杜磊. 輸氣管道緩蝕劑預膜及控制技術[J]. 油氣儲運， 2013， 32（05）： 485-488.

[18] 龍星岑. 輸氣管道緩蝕劑預膜工藝與模擬研究[D]. 西南石油大學， 2015.

[19] 沈雅欣， 趙會軍， 彭浩平， 張偉剛， 程雅雯. 幾種不同管道腐蝕形態及其緩蝕劑研究進展[J]. 常州大學學報（自然科學版）， 2016， 28（03）： 60-64.

[20]高雪琦， 張笑笑， 王建軍. 緩蝕劑液膜分布規律的數值模擬[J]. 排灌機械工程學報， 2017， 35（01）： 50-55.

[21]汪楓， 羅馳， 陽梓杰， 徐瑩瑩， 李珊. 清管預膜控制速度研究[J]. 石油與天然氣化工，2018，47（02）：85-88.

[22] 安貴林. 輸氣管道緩蝕劑噴霧裝置加注技術研究和應用[A]. 中國腐蝕與防護學會緩蝕劑專業委員會.第九屆全國緩蝕劑學術討論會緩蝕劑專業委員會. 第十一屆全國緩蝕劑學術討論會論文集[C]. 中國腐蝕與防護學會緩蝕劑專業委員會： 中國腐蝕與防護學會緩論文集[C].中國腐蝕與防護學會緩蝕劑專業委員會：中國腐蝕與防護學會緩蝕劑專業委員會，1995：6.

[23]北京華油天然氣有限責任公司.輸氣管道清管器收發裝置： CN，200620115844.1[P].2006-05-18.

[24]劉熠， 陳學峰. 西南油氣田輸氣管道內壁腐蝕的控制[J]. 腐蝕與防護， 2007（05）： 256-258.

[25]張智瑯.一種用于輸氣管道的智能式清管器： CN， 201420581837.5 [P]. 2015-03-04.

[26]朱冬銀， 黃旭， 夏征， 李安軍， 李燕， 王維誠. 管道清管器緩蝕劑預膜技術與應用[J]. 管道技術與設備， 2017（03）： 43-45+49.

[27]李博， 張琳， 趙曉利， 張新宇， 靳元章， 張家琿， 王學文， 楊文濤. 基于GPS和GSM的清管器智能跟蹤系統[J]. 管道技術與設備， 2017（03）： 46-49.

[28] 馮麗娟， 李法君， 鄭興榮， 陳迪， 李美榮. 綠色植物緩蝕劑的發展與展望[J]. 北方園藝， 2018（18）： 157-164.