石油管道腐蝕原因及防護

殷洪剛(西南管道蘭成渝輸油分公司，四川 成都 210000)

0 引言

管道運輸是目前我國石油運輸?shù)闹饕绞剑哂羞\輸效率高、安全性強、經(jīng)濟效益高等特點。為了將石油產(chǎn)品妥善運輸至指定地點，石油管道的鋪設(shè)通常需要穿越較長距離，且沿途環(huán)境復(fù)雜。而石油具有易燃、易爆、易擴散等特點，一旦發(fā)生管道泄漏，會對沿途環(huán)境造成不利影響，威脅周圍人員安全，造成嚴重的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。因此，加強對管道腐蝕的防護十分重要。石油管道腐蝕的原因較為復(fù)雜，涉及許多影響因素，做好管道腐蝕的防護成為石油化工行業(yè)關(guān)注的一個重要問題。石油管道相關(guān)建設(shè)管理單位需明確石油管道腐蝕原因，針對性采取適當?shù)姆雷o策略，以保障石油運輸安全與質(zhì)量，延長管道使用壽命。

1 石油管道腐蝕的原因

石油管道的腐蝕原因主要分為化學腐蝕和電化學腐蝕，與鋪設(shè)環(huán)境、管道材料、溫度等各種因素密切相關(guān)。

1.1 管道周圍外界環(huán)境原因

大部分石油管道被鋪設(shè)在地下，周圍土壤環(huán)境會對管道造成巨大影響。土壤的成分十分復(fù)雜，含有大量水分、二氧化碳、酸堿性鹽類物質(zhì)，還有各種金屬離子，易與管道發(fā)生離子導(dǎo)電或電化學分解現(xiàn)象，還有各類化學反應(yīng)，導(dǎo)致管道腐蝕[1]。而土壤中的水分含量、酸堿度、電阻率、溫度高低等因素也影響著管道腐蝕速度與程度。一般情況下，土壤環(huán)境溫度高、濕度高、酸性強或土壤水分交替變換快，都會加快管道材質(zhì)的各種電化學反應(yīng)和化學反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕速度加快。而通常管道鋪設(shè)得越深，周圍土壤溫度就越高。管道腐蝕還會受到土壤中各類微生物和周圍植物根系的影響，其他雜散電流也會造成干擾，導(dǎo)致電極反應(yīng)的形成，加重管道的電阻率腐蝕。若管道暴露在空氣中，那么管道材料中的某些金屬物質(zhì)接觸到空氣中的水、二氧化硫等物質(zhì)，也會出現(xiàn)化學腐蝕和電化學腐蝕。

1.2 管道內(nèi)部環(huán)境原因

石油管道的腐蝕不僅局限于外部，內(nèi)壁與輸送介質(zhì)的長期接觸也會造成管道內(nèi)部腐蝕。石油管道中的油氣本身含有許多氧化性物質(zhì)，包括水、氧、氯離子等物質(zhì)和各類有機硫化物。在運輸過程中，石油與管材金屬接觸，易發(fā)生一系列化學反應(yīng)和電化學反應(yīng)，使金屬表面形成各類硫化物之類的化學物質(zhì)，進而腐蝕管道。此外，管道內(nèi)含水量、酸堿度高低也會影響內(nèi)壁腐蝕速度。由于石油管道通常深埋在地下，易受到土壤的擠壓，而在輸送石油過程中會出現(xiàn)壓力的變化，對管道內(nèi)壁造成損傷，導(dǎo)致內(nèi)部腐蝕的發(fā)生。例如外界壓力過大或壓力出現(xiàn)循環(huán)性波動時，會使管道內(nèi)壁出現(xiàn)細小裂痕，導(dǎo)致防護涂層產(chǎn)生裂隙，并且會隨著管道的持續(xù)震動而不斷擴大，導(dǎo)致內(nèi)涂層剝離，對管道的保護作用失效，無法隔絕金屬材料與輸送介質(zhì)的接觸，甚至在管壁與涂層之間形成良好的腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致腐蝕加重。管道內(nèi)部主要引起腐蝕因素有：

(1)硫化氫腐蝕。硫化氫(H2S)是一種溶解度極高的氣體，干燥狀態(tài)下不會對金屬管道產(chǎn)生腐蝕，但是在溶于水之后，發(fā)生離解并使水體呈酸性，從而對金屬產(chǎn)生腐蝕。H2S徹底離解后，得到H+和S2-兩種離子，腐蝕機理為：陽極：Fe→Fe2++2e；陰極：2H++2e=H2。研究發(fā)現(xiàn)，當石油中硫化氫濃度較低時，腐蝕產(chǎn)物以硫化鐵(FeS)為主，它能夠附著在金屬管道內(nèi)壁上，形成一層致密的膜，起到保護金屬管道的作用，延緩腐蝕進程；當石油中硫化氫濃度較高時，腐蝕產(chǎn)物以二硫化鐵(FeS2)、四硫化三鐵(Fe3S4)為主，這兩種化合物為疏松的層狀結(jié)構(gòu)，會進一步加快腐蝕速率。除了硫化氫濃度影響石油管道腐蝕速率外，如果石油管道內(nèi)壁上出現(xiàn)裂紋，也會為溶液中H+的富集提供良好條件，因此裂縫處腐蝕情況會更加明顯。

(2)二氧化碳腐蝕。二氧化碳(CO2)溶于水后，得到呈弱酸性的碳酸，溶液中游離的H+具有極強的氧化性，會促使陽極鐵溶解，從而對金屬管道產(chǎn)生腐蝕。其腐蝕機理為：陽極：Fe→Fe2++2e；陰極：H++2e-→H2。在pH值相同的情況下，二氧化碳溶于水后形成的碳酸，其腐蝕速率高于鹽酸；在相同的溶液中，溫度與腐蝕速率呈正相關(guān)關(guān)系，即溫度越高，石油管道腐蝕速率越快。除此之外，二氧化碳還能與硫化氫產(chǎn)生協(xié)同腐蝕，當石油管道內(nèi)同時存在兩種氣體時，腐蝕速率會進一步加快。

(3)空泡腐蝕。在石油管道內(nèi)，當石油以較快速度流動時，在管道表面會產(chǎn)生若干渦流，在發(fā)生渦流處有不同數(shù)量的氣泡快速生成、破滅，瞬間破裂的氣泡會產(chǎn)生沖擊力，長此以往就會在管道表面出現(xiàn)磨蝕痕跡，這種現(xiàn)象稱為空泡腐蝕。在腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的早期，多以管道內(nèi)壁出現(xiàn)蜂窩或裂紋為主，隨著腐蝕的加重，零散分布的空洞、裂縫會不斷擴大并連接成片，最終形成氣蝕斷裂。影響空泡腐蝕速率的有多種因素，其中又以流體含氣量影響最大。含氣量越高的情況下，石油撞擊管道內(nèi)壁產(chǎn)生的氣泡數(shù)量也會越多，從而使得腐蝕范圍更廣、腐蝕速度更快。

1.3 管道自身質(zhì)量原因

石油管道發(fā)生腐蝕與其自身質(zhì)量因素有著密不可分的關(guān)系，不同管道材料的抗腐蝕能力不同。例如某些金屬材料因為自身微晶結(jié)構(gòu)和化學成分特點，會與特定介質(zhì)產(chǎn)生電化學反應(yīng)與化學反應(yīng)，導(dǎo)致管道壁腐蝕。即便是同一材質(zhì)，材料本身質(zhì)量是否合格達標也會嚴重影響管道抗腐蝕能力。例如：若鋼材質(zhì)中微晶結(jié)構(gòu)的細度未達到合格標準，會影響其穩(wěn)定性，使其更容易受到外界因素的影響，產(chǎn)生腐蝕。除了外界環(huán)境和自身材質(zhì)的影響之外，施工質(zhì)量也是影響著管道腐蝕速度與程度的重要原因。若管道安裝施工時工人施工方法不當，未充分做好防腐措施，或是因為專業(yè)能力和操作熟練度不足導(dǎo)致出現(xiàn)安裝失誤，都會影響施工質(zhì)量，加快管道腐蝕速度。

2 石油管道腐蝕的防護策略

2.1 加強對電化學腐蝕的防護

電化學反應(yīng)是導(dǎo)致石油管道發(fā)生腐蝕的主要原因，想要做好管道腐蝕防護工作，必須對此予以重視。目前我國主要采取陰極保護法對石油管道進行電蝕防護，通過外接電源或外接其他活性更強的金屬，可向石油管道提供保護電流，減少被保護金屬的陰極反應(yīng)，從而做到減緩管道腐蝕的效果。目前應(yīng)用較為廣泛的陰極保護方法為強制電流保護法，是將被保護金屬與外接電源的負極相連，達到減少陰極反應(yīng)的作用，具有成本小、操作相對簡單的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中應(yīng)注意安裝排流設(shè)備[2]。

此外還有一種犧牲陽極保護方法，將被保護金屬與活性更強的金屬相連接，以外接金屬作為陽極承受腐蝕反應(yīng)，從而達到保護陰極的作用[3]。例如在石油管道外連接活性更強的鋅合金，以鋅合金作為陽極發(fā)生腐蝕反應(yīng)，從而達到保護管道的效果。但此種方法操作復(fù)雜，成本高昂，設(shè)計方案時對參數(shù)準確性要求十分嚴格，通常只用在河岸兩側(cè)之類的特殊環(huán)境中進行重點防護，難以大范圍應(yīng)用。除了技術(shù)防護外，在管道鋪設(shè)過程中也需注意與周邊工程做好協(xié)調(diào)工作，避開大型電力設(shè)施和地下電網(wǎng)，減少空氣和土壤中雜散電流對石油管道的影響，從而達到減緩電化學腐蝕的效果。

2.2 對重點部位進行重點防護

石油管道鋪設(shè)需要穿過田野、村莊、道路、工業(yè)區(qū)、河流等各種區(qū)域，穿越距離長，且環(huán)境十分復(fù)雜多變，管道不同節(jié)段的溫度、濕度、土壤情況均有所不同。在做腐蝕防護工作時，應(yīng)做到具體情況具體分析，對于部分更容易發(fā)生腐蝕反應(yīng)的特殊環(huán)境和管道中容易被腐蝕的特殊部位，都應(yīng)進行重點防護。首先應(yīng)做好前期勘測工作，在管道鋪設(shè)前充分了解鋪設(shè)區(qū)域的土壤環(huán)境、水文情況、地下電網(wǎng)情況以及是否存在大型電力設(shè)施等，制定適宜的腐蝕防護方案，為管道防腐工作的開展做好前期準備。鋪設(shè)時盡量避開河流、地下電網(wǎng)、高壓輸電線等區(qū)域，在管道周圍設(shè)置安全區(qū)域，減少外界因素對石油管道的影響。依據(jù)管道鋪設(shè)環(huán)境的不同針對性選擇不同的腐蝕防護技術(shù)，例如：對于必須要經(jīng)過河流、沼澤等含水量高的區(qū)域的管道節(jié)段，可適當增加防腐成本，采取更全面、有效的防護措施；對管道彎頭之類更容易腐蝕的部位進行噴鈾防腐，從而保障石油管道正常運輸。

2.3 做好石油管道的涂層處理

涂層保護的原理是通過在石油管道壁上覆蓋防腐涂料，將管道與外界環(huán)境隔離開，減少管材中金屬與外界各種影響因素的接觸，達到減少腐蝕的效果。這種技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于石油管道防腐工作中，常用的涂料類型有煤焦油瓷漆、熔結(jié)環(huán)氧粉末、3層PE等。在實際應(yīng)用中，需依據(jù)管道鋪設(shè)環(huán)境選擇適宜的涂層材料和涂覆工藝，以保障防護效果。

選擇涂料類型時，應(yīng)當依據(jù)管道材料、土壤環(huán)境的不同，綜合考慮涂料的介電性能、化學性能、物理性能等，確保涂料對管道材料具有強粘合力與附著力，并且可耐受各類化學物質(zhì)的腐蝕，能夠適應(yīng)溫度、濕度變化，保障其化學性能和物理性能的穩(wěn)定。例如：對于土壤腐蝕性強、濕度高的區(qū)域，可采用憎水性、抗水性更強的3層PE涂料；若管道周圍環(huán)境溫度較高，則可采用具有更強耐溫性能的熔結(jié)環(huán)氧粉末進行涂覆，減少溫度變化對管道腐蝕的影響。涂覆工藝包括管道材料表面處理工藝、涂料噴涂工藝、涂料加速固化工藝、連接端部處理工藝等，不同工藝會對涂層保護的效果產(chǎn)生重要影響，需依據(jù)管道材料和實際需求進行合理選擇，并對材料表面進行充分的預(yù)處理，做好管道預(yù)熱，從而提高管道涂層的固化性和耐損傷性。

2.4 加強內(nèi)防腐技術(shù)的應(yīng)用

為了減少油氣運輸過程中對管道的腐蝕，應(yīng)加強內(nèi)防腐技術(shù)的應(yīng)用。目前我國常用的內(nèi)防腐技術(shù)包括涂覆內(nèi)涂層、涂抹腐蝕抑制劑等。內(nèi)涂層技術(shù)應(yīng)用于管道防腐已經(jīng)有幾十年歷史，涂料和工藝日趨成熟，常用內(nèi)涂層包括環(huán)氧酚醛、尼龍、聚氨酯等，在實際應(yīng)用中應(yīng)依據(jù)具體情況進行合理選擇。腐蝕抑制劑則主要有嗎啉類、胺類、有機磷酸鹽類等，通過在管壁上涂抹腐蝕抑制劑，可抑制管道材料與外界各種介質(zhì)的化學反應(yīng)、電化學反應(yīng)，達到減緩管道腐蝕的效果。這種方法操作簡單，腐蝕抑制劑用量小，成本相對低廉，但不同金屬材料需要不同類型的腐蝕抑制劑，并且各種相關(guān)工藝較為復(fù)雜，腐蝕抑制劑的注入周期、注入量、注入方式的不同也會影響防腐效果。實際使用時需依據(jù)石油管道材質(zhì)進行科學的選擇，若管材的金屬成分復(fù)雜，更需要將不同腐蝕抑制劑進行配合使用，從而保障其防腐效果。

2.5 加強對管道質(zhì)量的控制與維護

為了減少人為因素對石油管道防腐蝕效果的影響，需加強對施工過程的監(jiān)督，規(guī)范各項防護措施的施工流程和操作方法，應(yīng)制定嚴格的監(jiān)督管理制度，明確工程建設(shè)中的各項質(zhì)量要求，建立防腐蝕設(shè)備質(zhì)量評估標準，從而確保施工質(zhì)量合格，保障各項防腐蝕設(shè)備能夠正常運行。在鋪設(shè)管道前，應(yīng)對材料購買工作進行嚴格把關(guān)，保障石油管道建設(shè)中所用的各類材料均質(zhì)量合格。相關(guān)部門還需重視石油管道的維護，定期對各種防腐蝕設(shè)備進行檢查、維修和更新，及時引進先進的管道檢測技術(shù)，包括腐蝕層檢測、管道本體檢測、土壤環(huán)境檢測等，幫助管道維護人員全面掌握管道運行情況和腐蝕情況。同時，應(yīng)加強對人員的管理與培訓，增強員工責任意識，提高其操作技術(shù)，并合理分配工作任務(wù)，確保操作者具有足夠的專業(yè)能力和熟練的操作經(jīng)驗，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的石油管道管理和防腐蝕目標。

3 結(jié)語

工業(yè)的高速發(fā)展拉動了我國對石油資源越來越高的需求，為了保障石油運輸?shù)陌踩裕岣哌\輸效率與經(jīng)濟效益，需要對管道進行高質(zhì)量的維護，做好管道腐蝕防護工作。石油管道的腐蝕原因復(fù)雜，與管道外部環(huán)境、運輸介質(zhì)等因素都有重要關(guān)系，在實際操作過程中，應(yīng)依據(jù)具體情況選擇適宜的防護措施，加強對電化學腐蝕的防護、對重點部位進行重點防護、做好石油管道的涂層處理、加強內(nèi)防腐技術(shù)的應(yīng)用、加強施工質(zhì)量控制等措施，積極開拓創(chuàng)新，努力開發(fā)更加成熟、完善的防腐措施，提高我國石油管道管理與維護水平。