長輸地埋油氣管道腐蝕因素分析與防護對策探討

丁銳，姚寶慧，方孝斌

(安徽祥源科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233000)

隨著社會經濟的快速發展，管道已成為多個行業普遍采用的主要流體輸送手段，管道工程的建設如火如荼。目前我國長距離輸送石油與天然氣資源主要依靠地下埋設管道來實現，復雜的土壤環境和腐蝕性各異的輸送物質會對管道內外壁產生嚴重的腐蝕，一旦油氣輸送管道被腐蝕穿孔，造成油氣泄漏，將會產生極為惡劣的影響和極大的安全隱患。因此，如何采用管道防腐技術來避免管道發生腐蝕已經成為當下重要的研究課題之一。

管道出現腐蝕的情況往往是多種多樣的，但是其本質原因是管道材質與外界環境中的相關物質接觸時發生了化學反應，管道本體材質被消耗，管道就出現了腐蝕。從目前的研究結論來看，管道出現腐蝕主要是由化學因素、電化學因素、生物因素、管道材料不均勻及物理因素的情況引起的。本文在對油氣管道腐蝕的相關因素分析的基礎上，對油氣管道的防護技術及質量控制措施進行了探討。

1 油氣管道腐蝕因素分析

1.1 化學因素

化學腐蝕是各種類型油氣管道腐蝕最為嚴重，也是極為常見的一種類型，管道的外部和內部[1]均存在化學腐蝕。管道的外腐蝕受土壤環境影響較大，管道的內腐蝕受油氣中的腐蝕性氣體影響較大，如H2S、CO2、溶解氧等氣體會對管道內部造成嚴重腐蝕。

(1)陽極反應機理：為Fe的陽極氧化過程。

Fe+OH-→FeOH+e-

FeOH→FeOH++e-

FeOH+→Fe2++OH-

(2)陰極反應機理：主要包括非催化和催化的陰極還原反應，其實質上是CO2溶于水后電離出H+的過程。

①非催化的陰極還原反應：

當pH<4時：H3O++e-→Had+H2O

②表面吸附CO2ad的氫離子催化還原反應：

CO2sol→CO2ad

CO2ad+H2O→H2CO3ad

總的腐蝕反應過程為：Fe+CO2+H2O→FeCO3+H2↑

1.1.3 H2S腐蝕 干燥的H2S氣體沒有腐蝕性，與水接觸后可引起材料破壞或結構損傷等嚴重腐蝕。油所管道中廣泛存在H2S腐蝕，有關文獻認為[8-9]，影響H2S腐蝕的因素主要包括材料因素和環境因素，其中材料因素如管材的化學成分、強度和硬度、表面狀態，熱處理和顯微組織等，環境因素如H2S的質量濃度、流體中水含量、pH值、溫度、流速和氯離子含量等。H2S不僅會造成全面腐蝕和局部腐蝕，還會導致氫致開裂和硫化物應力腐蝕開裂[10]等斷裂事故，各種腐蝕形式相互促進，最終引發為惡性事故。有關H2S的腐蝕機理有多種，其中最主要的觀點包括以下幾種：

(1)陽極反應機理

(2)陰極反應機理

H2S溶于水后發生二級水解，溶液中會同時存在HS-、S2-、H+和H2S。

Ewing[14]認為，在無氧環境中，只有H+參與陰極的還原反應，并且其還原反應按兩種途徑進行：

①在硫化物外表面上H+直接參與陰極反應。

H++H+→H2↑

②在H2S的橋梁作用下H+間接參與陰極反應。

Bolmer[15]認為，在H2S環境中，只有發生H2S的還原反應，且反應是由H2S擴散和H2析出過電位控制，其反應機理為：

2H2S+2e-→H2+2HS-

Schmitt[13]則認為H2S、HS-和H+都有可能參與陰極的還原反應。

2H2S+2e-→H2↑+2HS-

2HS-+2e-→H2↑+2S2-

2H++2e-→H2

1.1.4 氧腐蝕 油氣管道中的流體常含有一定的水分和溶解氧等腐蝕性物質，在酸性很弱或中性溶液里，溶解于流體中的氧腐蝕作用是通過陰極上耗氧反應進行的。金屬遭受氧腐蝕后，在其表面生成許多大小不等的鼓包，鼓包表面為各種形態的黃褐色或磚紅色的氧化鐵，次層為黑色粉末狀的四氧化三鐵，潰瘍性腐蝕是氧腐蝕最基本的特征。

中性或堿性溶液中的大多數金屬以及含氧的弱酸溶液中的少數電位較正的金屬的腐蝕均屬于氧去極化腐蝕或吸氧腐蝕。油氣管道中的氧去極化腐蝕反應為：

去極化：O2+2H2O+4e-→4OH-

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

腐蝕產物：4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

總反應式：4Fe+3O2+6H2O→4Fe(OH)3

有關文獻[16]認為不同溶液的氧腐蝕陰極反應機理是不一樣的。

(1)酸性溶液

H2O2+H++e-→H2O+HO

HO+H++e-→H2O

總反應：O2+4H++4e-→2H2O

(2)中性或堿性溶液

總反應：O2+2H2O+4e-→4OH-

1.2 電化學因素

油氣管道埋藏在地表下面，與管道外表面接觸的土壤、水、濕冷氣體和與內表面接觸的污水、油氣均可形成電解質溶液，在金屬表面形成原電池而引起的腐蝕。油氣管道往往同時遭受化學腐蝕與電化學腐蝕，電化學腐蝕不同于化學腐蝕，電化學腐蝕更普遍，速率更快，在腐蝕作用中是最為嚴重的。

相比其他腐蝕介質，土壤的腐蝕環境更為復雜，局部的電化學分布不均勻會導致與其接觸的金屬管道會產生微電池，從而發生電化學腐蝕反應，而土壤介質的多相性會致使電化學宏觀不均勻而造成腐蝕。油氣管道內表面含有的SO2、CO2、酸和鹽等均是不同濃度的電解質溶液，當含有雜質元素的鋼鐵暴露于電解質溶液中時，由于鐵元素和雜質元素電位的不同，會形成原電池，鐵為陽極，雜質為陰極，電化學的腐蝕作用得以進行。原電池的腐蝕過程分為三個環節，相互聯系，缺一不可。

(1)陽極金屬溶解為離子進入溶液；

Me→Men++ne-

(2)陽極電子流向陰極；

(3)溶液中吸電子基團(D)接受電子。

D+e-→D·e-

一般地，在金屬表面吸附水膜酸性較強時，陰極發生析氫腐蝕；在金屬表面吸附水膜酸性較弱時，陰極發生吸氧腐蝕，具體的陰極反應如下：

(1)析氫腐蝕：2H++2e-→H2

電池總反應：Fe+2H2O→Fe(OH)2

(2)吸氧腐蝕：O2+2H2O+4e-→4OH-

電池總反應：2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

析氫腐蝕與吸氧腐蝕生成的Fe(OH)2被氧化生成Fe(OH)3，Fe(OH)3脫水生成紅褐色鐵銹Fe2O3，由此說明腐蝕介質中含有H+和氧時，均能引起金屬腐蝕。

歸根結底，電化學因素造成的管道腐蝕往往是由于管道運行環境中的電解質在與管道接觸過程中發生了相應的電離作用，進而導致管道出現安全隱患。電離作用主要會對管道的材料結構產生影響，會致使其脆化，進而改變原有的材料性能。在電化學因素影響下，管道的結構強度將大打折扣，大大降低管道運輸的安全性，甚至引發惡劣的安全事故。

另外，微生物也非常容易導致電化學腐蝕的產生，微生物腐蝕的本質是微生物直接或間接參與了引起腐蝕的電化學反應，使得管道表面的物理性能和化學性能發生改變，繼而形成腐蝕電池[17]。

1.3 生物因素

生物因素造成的管道腐蝕主要是因為管道埋設的土壤之中存在不少相對集中的菌類或微生物，其在生長繁殖過程中會不斷進行呼吸作用及元素富集作用，如此便導致管道埋設的土壤環境變成了濃度較高的腐蝕性環境。管道若是長期暴露于這種腐蝕性環境之下，管道材料就極易發生化學反應或電化學作用，因此出現腐蝕現象也是不可避免的。與單純化學因素和電化學因素導致的管道腐蝕不同，由生物因素引起的管道腐蝕具有影響面較大，形成速度快等特點，因此生物因素引起的管道腐蝕的處理工作難度可以說是最大的[18]。

好氧細菌既可在貧氧和富氧區形成氧差電池引起腐蝕，又可利用代謝產物引起腐蝕，具體反應為：

(1)氧差腐蝕

陽極：Fe→Fe2++2e-

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)代謝產物腐蝕

4S+6O2+4H2O→4H2SO4

一些厭氧細菌可利用氧化還原反應產生的能量進行生長，在此過程中使金屬發生腐蝕。

Fe→Fe2++2e-

H2O→H++OH-

2H++2e-→H2

Fe2++S2-→FeS

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

1.4 管道材料不均勻的因素

管道材料不均勻引發的管道腐蝕其根本上是管材不均勻的電位差導致的，這種腐蝕更容易發生在陽極區域。在大多數情況下，管道材料不均勻這種問題的根本原因在于管道生產的質量并不達標，但是在某些管道改造位置新舊管線的結合之處也會存在該問題。

1.5 物理因素

物理腐蝕是指金屬由于單純的物理因素作用所引起的破壞，土壤的應力腐蝕和油砂的沖蝕是常見的物理腐蝕因素。通常，一些油氣管道的拐彎處、接口或焊縫會受到流體帶來的較大的熱應力和土壤應力的綜合作用，加上管道本體存在的一些小缺陷和腐蝕介質的共同作用，這些薄弱部位腐蝕穿孔的速度不斷加強，并逐漸擴展延伸，進而造成泄露甚至爆裂，從而引發安全事故。在層流狀態下，原油中攜帶的粒徑較大油砂在重力作用沉積于管線底部，流體流動不斷沖刷管底形成溝槽，加速內壁磨損以致穿孔。我國的油氣輸送管線長度普遍較長，因此應高度重視物理因素造成的腐蝕問題[19]。

2 油氣管道的防護技術

2.1 耐蝕材料防護技術

為確保油氣管道長期安全運行，科學合理的選擇耐腐蝕材料是防腐蝕成功的關鍵一環。合理選材既要考慮流體介質和使用環境要求，又要考慮材料的結構、性質以及使用中可能發性的物理化學變化，此外，在選材質時還需注意特殊要求。如在含CO2的油氣田中，一般選用具有較好耐蝕性能9%～13%Cr的鉻鐵素體不銹鋼管；在CO2和Cl-共存的條件下，油氣井油管和套管使用含22%～25%Cr的鉻錳鎳不銹鋼；在防止SO2和H2S的腐蝕時，鍍鋁鋼材因具有良好的耐熱性以及優異的耐硫化性能而成為首選，在油氣管道上可采用鍍鋁鋼管以提升管道耐腐蝕性能，等等。另外，許多高分子材料也被用于管道的防腐，如使用聚氯乙烯、聚氨酯等高分子噴涂金屬表面，兼具防蝕與裝飾的雙重功能；采用玻璃纖維或其制品制成的玻璃鋼纖維，其強度相當于鋼材，且具有良好的耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能，目前玻璃鋼管道已在國內外各大油田被廣泛應用于耐腐蝕管道、貯罐貯槽、耐腐蝕輸送泵及其附件以及污水和廢水的處理設備等；還有基管采用碳鋼雙金屬復合管，襯管采用耐蝕合金材料的一些復合管材都有良好的耐蝕性能。

2.2 涂層防護技術

涂層防護技術是在金屬材料表面采用高抗腐蝕性的材料形成覆蓋層，使得金屬表面與外界的腐蝕介質有效隔離，從而保護金屬、延長油氣管道使用壽命。按防護層材料的類型，可將涂層分為金屬鍍層和非金屬涂層。

金屬鍍層是將耐蝕性的金屬滲入或電鍍到鋼材表層，形成高抗腐蝕性的金屬層或合金層，耐蝕性金屬包括鋅、鉻、鋁、錫、銅、鎳等。近年來離子注入和激光非晶態表面處理等新技術也在迅速發展。

非金屬鍍層是采用高抗腐蝕的非金屬材料在鋼材表面形成一層覆蓋層，以提高鋼材的耐蝕性和裝飾性。化學轉化膜也是非金屬涂層的一種，主要類型有鉻酸鹽膜、磷酸鹽膜、陽極氧化膜和氧化物膜。在所有的涂層材料中，有機涂層是最有效、最廣泛應用和最經濟的防腐蝕方法，防腐蝕涂料的品種很多，環氧樹脂、聚氨酯和聚脲是典型的三種有機防腐涂料。

在實際應用中，因環境中腐蝕介質的長期作用，涂層本身會發生老化，甚至失效，往往會與陰極保護技術聯合使用。

2.3 陰極保護技術

陰極保護技術是以通電的方法使被保護的金屬表面陰極極化，由此減緩或者避免腐蝕，目前，陰極保護技術已在我國大慶、新疆、四川、陜西等大型油田的石油管道、長輸管道中得到廣泛應用。陰極保護技術有強制電流保護和兩種方法。

(1)強制電流保護法：將輔助陽極與外接的直流電源正極連接，管道與外接電源的負極連接，在外加電流的作用下，使管道發生陰極極化，實現陰極保護。對于長輸油氣管道，一般采用強制電流保護法，但由于其維護使用成本較大，現場使用時一般與防護涂層結合使用[20]。

(2)犧牲陽極保護法：選擇一種電極電位比被保護金屬更負的活潑金屬與外接電源的負極連接，被保護金屬與外加電源正極相連接，在外加電流作用下，陽極的活潑金屬優先腐蝕溶解，從而抑制了被保護金屬的腐蝕。為了達到有效保護，犧牲陽極保護法不僅在開路狀態下有足夠負的電位，而且在閉路狀態下要有足夠的工作電位。常用的犧牲陽極材料有鎂和鎂合金、鋅和鋅合金及鋁合金三類。在土壤環境中常用的陽極材料主要有鎂及鎂合金，鋁合金因存在陽極逆轉問題而使用較少。犧牲陽極一般用于保護井下套管免受腐蝕，但因其操作工藝復雜、作業成本較高、防腐蝕效果欠佳而限制了使用。

2.4 緩蝕劑技術

緩蝕劑是一種通過少量添加就能明顯降低腐蝕介質的腐蝕性，阻止或減緩金屬腐蝕的化學物質。緩蝕劑具有用量少，使用方便等特點，且在使用時工藝簡便、適用性強，已廣泛應用于油氣管道及注采系統。緩蝕劑可用于中性介質、酸性介質和氣體介質。按化學組成可將緩蝕劑分為無機緩蝕劑和有機緩蝕劑，按電化學機理可將緩蝕劑分為陽極型緩蝕劑、陰極型緩蝕劑和混合性緩蝕劑，按保護膜性質可將緩蝕劑分為氧化膜型、沉淀膜型和吸附膜型緩蝕劑。

由于金屬腐蝕情況的復雜性，選用協同作用良好的多種緩蝕劑復配使用，較單一的緩蝕劑緩蝕作用效果顯著；針對油氣管道中存在的垢下腐蝕和細菌腐蝕問題，還應考慮加入阻垢劑和殺菌劑。為了充分發揮各類藥劑的藥效，需要定期對系統存在的污垢和沉積物進行清洗，促使緩蝕劑能夠與腐蝕點進行充分的接觸，以達到良好的防腐蝕效果。

3 管道防護技術的質量控制措施

隨著國家能源需求的不斷增加，越來越多的油氣資源通過管道進行運輸，如何對油氣管道進行防腐技術操作已經成為了目前石油管道施工企業及相關施工人員需要重點考慮的問題。防腐工藝對管道防腐的最終質量效果息息相關，技術人員需要充分考慮油氣介質和管道所處環境的特殊性，依據實際情況采取不用的防腐技術手段，從而滿足防腐工作要求的同時能夠盡可能的節省不必要的開支，減少人力物力財力上的浪費；施工人員一定要在全面分析管理工程環境及其防腐需求的基礎之上，對防腐技術手段進行合理選擇，這樣才能保證防腐工具的使用能夠達到理想效果。

3.1 注重施工人員管理工作

施工人員作為管道防腐技術實施的主體，需要對其相關操作進行規范。若是施工人員的操作不當極容易對施工質量產生不利影響，因此對施工人員的管理工作不可或缺。施工單位通過教育培訓等形式，提高施工人員的質量意識，這樣才能保證其操作的規范性，進而保障施工水平；其次是要加強施工人員的綜合素質，使其具備較高的專業技術水平；最后一點則是要加強資質審查工作的力度。通過對上述幾點的重點突破，可以提升施工人員管理工作的工作效率及工作質量[21]。

3.2 重視防腐材料的管理

管道防腐技術手段有多種，對于管道防腐工作，施工人員不管采用哪種技術，都要重視防腐材料的管理工作。防腐材料作為管道防腐工作的基礎，只有選擇的材料合適，才能確保管道工程的后續施工質量[22]。在對防腐材料進行管理時，相關管理人員要注意對材料應用的規范性進行嚴格把關，只有確保防腐材料使用規范，其管道防腐效果才能真正得到發揮。

防腐材料的管理在實際操作中需要依照如下方法進行：施工人員在綜合考慮管道工作情況及腐蝕類型的基礎之上，對使用的防腐技術進行相應的調整及優化。比方說針對傳統管道，一般選用涂層防腐技術。施工人員往往需要以實際的防腐施工環境為前提，再針對防腐涂料的類型及用量進行仔細斟酌，最終確定防腐材料的涂抹方式。與此同時，對于某些熱力管道或是燃氣管道而言，其在建設及使用過程中可能會出現變形的情況。在這種情況下，施工人員需要對涂層延展性進行相應分析與評估，只有這樣才能實現防腐涂層有效性與降低成本投入的雙重目的。更重要的是只有經過分析評估環節，防腐涂層才可以滿足不同情況之下管道防腐工作的各項客觀要求。

3.3 對防腐環境進行控制

管道防腐工作進行的順利與否很大程度上決定于外界的環境因素，因此為了保證管道防腐工作的高質量進行，就需要對防腐環境進行控制，避免環境因素對防腐工作產生干擾。若是在防腐工作進行過程中面臨影響施工質量的極端氣候條件時，必須及時采取相關措施來降低甚至消除其對管道防腐工作的影響。

3.4 加強質量檢測工作

重點把關質量檢測工作主要是對質量檢測的流程進行規范，這樣可以保證管道防腐結果評價的科學性及準確性。相關工作人員一旦在質量檢測工作中發現安全隱患或是缺陷問題，應該立即休整，特別是對一些關鍵部位更應該加強質量檢測，避免留下各種安全隱患。只有這樣才能保證管道在長時間的運輸過程中能夠避免腐蝕的干擾[23]。

4 結語

油氣管道工程和管理、管道防護技術的應用是一項科學且嚴謹的工作，相關工作人員在開展管道防腐工作的同時，需要考慮多重因素影響，通過對實際防腐需求的科學分析，采取最恰當的管道防腐技術手段，加強施工質量管理和日常監測維護來保證管道運輸工作的順利開展，從而為國民經濟發展及公眾日常生活提供便利。