LNG接收站海水管道腐蝕與防護

王興龍，許穎，王曉陽，李小燕

(1.中海油石化工程有限公司管道室，山東 濟南 250101；2.中海油石化工程有限公司儲運室，山東 濟南 250101；3.上海液化天然氣有限責任公司擴建項目部，上海 200020)

1 前言

LNG接收站作為液化天然氣的接收終端，承擔了液化天然氣的接收、存儲和氣化等功能，為了滿足市場燃氣需求，國內加快了沿海地區LNG接收站的布局，而在沿海地區，海水作為最廉價又最容易獲取的流體介質，大量用于LNG的氣化換熱和消防。海水中鹵素離子、硫酸鹽離子等濃度非常高，且海水溶氧和海水泥沙的沖刷，給海水管道造成了嚴重的腐蝕風險，海水管道材料的研究越來越受到重視。本文只研究管道內部腐蝕。

2 常見海水管道腐蝕

沿海海水含鹽量和含沙量一般較高，以東部沿海某接收站為例，海水累年最高含鹽度34.8%，海水最高泥沙含量4kg/m3以上。海水管道腐蝕常見的主要有：金屬管點蝕、系統腐蝕、電化學腐蝕、沖刷腐蝕和海生物腐蝕等。

金屬管道點蝕和系統腐蝕。碳鋼和低合金鋼的成本很低、產量較大，且強度高、韌性好，早期應用于沿海工業項目海水管道。在沒有內部防護措施的情況下，海水含有大量的氯離子、硫酸鹽和碳酸根離子等，在海水的反復沖刷和氧氣環境下，碳鋼管道發生系統的腐蝕，而氯離子和溴離子加速了管道的侵蝕，造成管道大面積失效。不銹鋼管道也廣泛應用于海水系統設備、管道、儀表件等，鹵素離子破壞并穿透不銹鋼管道表面鈍化膜，導致點蝕、穿晶和沿晶應力腐蝕，進而導致蝕坑加深和鋼管開裂[1]。

電化學腐蝕。海水管道材質一般與閥門和設備的材質有區別，海水閥門常用材料是銅鎳合金、雙相鋼和鋼襯膠，儀表和設備材料選用鈦材、316系列、蒙耐爾等，管道采用碳鋼內襯復合材料或者不銹鋼等，鋼管內襯層破損之后，碳鋼管道基體裸露，不同的金屬電位有不小的差異，在同一電解質環境中，各種因素的組合構成了電化學腐蝕循環，如果碳鋼基體的電位較高，碳鋼的腐蝕速度將加快。海水中的氧隨著管道系統的運行擴散到金屬表面，進而氧的去極化作用加劇，也會導致管道的電化學腐蝕速率加快。

沖刷腐蝕。海水含沙量很高，且部分地區砂礫的硬度較大，顆粒較大，海水泵口管道、流向急劇變化的管道等，海水和鹽、沙對管道內壁會形成較大的沖刷力，管道磨損比較嚴重，鋼管的表面內襯層在海水沖刷下，逐漸減薄鼓泡甚至破損，多處內襯層的破損，逐漸導致內襯層的剝離。鋼質管道如316系列鋼管，鋼管表面致密的氧化膜會在海水沖刷作用下破損，進一步導致鋼管腐蝕。

海生物腐蝕。體積較小的近海海生物可能伴隨海水進入管道系統，海水中含有一定的溶解氧量，隨著時間的發展，海生物逐漸變大增多，不僅導致管道內部粗糙度增大，增大了流體阻力，而且海生物釋放的二氧化碳和硫化氫等加速了海水系統的腐蝕能力，加速了管道的腐蝕老化。

3 海水管道材質分析

3.1 碳鋼表面處理復合管

碳鋼管道輸送海水介質，發生接觸腐蝕，但如果對碳鋼管道做可靠的內防腐處理，既能保證海水系統的有效運行，又充分利用碳鋼管道造價低，強度高的優點。鍍鋅碳鋼鋼管廣泛應用于LNG接收站海水消防系統，而鍍鋅又分為熱鍍鋅和冷鍍鋅，熱鍍鋅常見工藝是熱浸鍍鋅，熔融的金屬鋅與碳鋼結合，形成結構緊密的鋅合金層，而冷鍍鋅一般鍍鋅層厚度較薄，附著力較差，相對于熱鍍鋅鋼管的使用年限較短，一般不到5年，鍍鋅層就可能出現破損脫落，目前已經被國內外禁用。

碳鋼內部涂敷熔結環氧粉末內防腐層，一次成膜，與鋼管的粘結性較好，早期一些工程海水系統參照AWWA C213《給水鋼管的內、外層熔化粘結環氧涂層》標準對鋼管做內防腐處理，并取得了較好的社會效益，國內最早的依據是由中國石油天然氣總公司編制的SY/T0442《鋼質管道熔結環氧粉末內涂層技術標準》，相對于碳鋼鍍鋅層，其耐磨性和耐蝕性更高，早期應用于海洋平臺海水系統、LNG接收站海水系統等鋼管的內防腐。碳鋼涂塑管道，如碳鋼內部涂覆聚丙烯等防腐層已經應用于海水系統，并取得了一定的防腐效果，但由于耐沖刷能力低，較少用于LNG接收站海水管道。碳鋼襯膠防腐系統一般應用于閥門、儀表件等，由于制造和成型工藝較復雜，造價相對也較高，很少應用于管道內防腐。

碳鋼襯水泥砂漿防腐層，早在秦山核電站一期的時候，已經應用在海水管道上[2]，性質較為穩定，而且由于海水添加的海生物抑制劑腐蝕性較強，水泥砂漿內襯層相對于環氧襯里、塑料襯里和橡膠襯里的耐用性更高，而且由于水泥砂漿的抗壓強度高、耐剝離強度更高，耐沖刷能力更好。國內早期市政供排水系統和工業海水系統是依據美國水行業協會標準AWWA C205和AWWA C602，國內早期應用轉化的標準是石油天然氣行業標準SY/T 0321和由北京市市政設計研究院編制的CECS 10:89標準。但水泥砂漿內襯層顆粒大、質地疏松，粗糙度更高、流體阻力更高，隨著管道系統的運行，水泥砂漿層可能出現裂縫、蜂窩狀小洞、粉化等破損類型。

單一的防腐層難以持續長久的對鋼管進行防護，而碳鋼內襯復合材料配合陰極保護系統作為聯合防護方案，較為廣泛的應用于海水系統管道防護。陰極保護一般分為犧牲陽極保護和強制電流保護，犧牲陽極保護一般是由電位更低的活潑金屬與被保護的碳鋼管道相連，管道充當原電池的陰極，因此在陽極塊的犧牲下，管道一直處于被保護的狀態。強制電流系統是由外加電源提供電子，使管道處于得電子的被保護狀態。

3.2 不銹鋼管和雙相鋼管

不銹鋼管在海水淡化等工程中大量應用，低碳奧氏體鋼304L由于點蝕速率太快，已經極少用于海水系統，而316系列鋼管尤其是316L管道由于鉬等元素的存在和含碳量低等，耐點蝕能力、耐晶間腐蝕能力大幅度提高，目前仍廣泛應用LNG接收站海水儀表件、設備和其他工業鹽水管道。雙相鋼管道由于存在穩定的鐵素體和奧氏體兩相組織，不是僅依靠鋼管表面的鈍化膜來防止鹵素離子侵蝕，雙相鋼耐點蝕當量PRE值更高，但由于造價較高，焊接要求非常高，難以廣泛應用，目前主要是用在閥門、設備等特殊部位。

3.3 銅鎳合金管

目前小口徑(4"及以下)銅合金管在LNG接收站中廣泛應用于海水系統，而且展現出了良好的耐蝕性、較小水力學流體阻力等特性。此外，海洋平臺3"以下的海水管道也廣泛應用了銅鎳合金管。銅鎳合金管線膨脹系數大，焊接要求較高，而且對管道流速的要求較為苛刻[3]，目前主要是應用在小口徑海水管道上。

3.4 非金屬管

GRP玻璃鋼管是由玻璃纖維增強的樹脂基體管，具有良好的耐腐蝕性能、內壁粗糙度小、水力流體阻力非常小，而且壽命較長，近些年廣泛應用于LNG接收站海水管道，設計使用壓力等級一般不超過PN16。GRP玻璃鋼管道一般分三層，內襯防腐層、結構層和外保護層，內襯防腐層一般選用更耐腐蝕的乙烯基樹脂，內襯層和外保護層采用間苯樹脂等，既充分發揮了乙烯基樹脂的耐蝕性、間苯樹脂良好的機械強度，又考慮了方案的技術經濟性。GRP玻璃鋼管道連接型式多樣，地下管道常用的是雙O型圈承插連接，管道與管件連接多用粘接。GRP玻璃鋼管道相對于碳鋼內襯復合管道，劣勢在于剛度低、強度小、熱膨脹系數大而且防火效果差，不適合應用在LNG地上海水管道，而且對于地基要求高，如果所在地區地質沉降較為嚴重，必須為GRP玻璃鋼管道的敷設做好地基。

GRE管結構設計與GRP管類似，但樹脂采用雙酚A、環氧氯丙烷等環氧樹脂，相對于GRP管，GRE管的承壓能力更高，近些年多用于LNG接收站海水消防管。由于防火性能的要求，國內GRE廠家還沒有LNG項目的應用業績，目前LNG接收站GRE管的設計和供貨基本上都被國外廠家壟斷。

4 海水管道防護

LNG接收站海水管道的設計和防腐是一個技術經濟學問題，建設和設計單位在工程造價和維護費用中選擇一個平衡，既要保證安全運行，盡量延長管道使用壽命，又要考慮造價。碳鋼內襯復合管的內襯材料選擇，應充分考慮各種材料的優缺點和項目特點，選擇合適的材料。表1是各種管道材料的性能對比，工程設計人員可以根據各種材料的優缺點斟酌選用。

表1 各種海水管道材料性能

不銹鋼、經過表面處理的碳鋼應與陰極保護系統配合，為了避免犧牲陽極防護系統的壽命短、保護距離短、電位不易控制等不利因素，盡量選擇強制電流陰極保護系統。

5 結論

通過各種海水管道材料的性能分析和比較，對LNG接收站海水管的設計提供了參考，各接收站可以根據項目具體情況，結合各種材料的應用經驗，選擇合適的材料。