長輸天然氣管道腐蝕與防腐措施探討

趙延平

國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司 湖北 武漢 430074

天然氣能源在使用的過程中，并不會產生較大的環境污染問題，與傳統的能源相比，其在環保方面具有很大的優勢，與新型能源相比，天然氣資源可以大規模的開發及利用。我國天然氣資源在分布與需求方面存在一定的問題，因此，需要對該種類型的能源進行長距離輸送，管道輸送的安全性以及經濟性都相對較強，因此，管道輸送已經成為天然氣能源輸送的重要方式。但是在進行能源輸送的過程中，管道自身出現腐蝕問題的概率相對較大，在腐蝕相對較為輕微的前提下，可能會導致管道的承壓能力降低，在腐蝕相對較為嚴重的前提下，引發安全風險事故問題的概率將會提升[1]。本次研究主要是針對管道的腐蝕問題，對腐蝕機理以及腐蝕類型進行深入分析，以此提出合理的防腐措施，為保障管道的安全運行奠定基礎。

1 長輸天然氣管道腐蝕機理分析

通過對管道腐蝕問題進行深入分析可以發現，其屬于金屬腐蝕研究的重要范疇。管道的腐蝕機理可以分為2種類型，分別是化學腐蝕以及電化學腐蝕。在化學腐蝕方面，金屬與腐蝕性的物質直接接觸并引發化學反應，最終產生對金屬破壞的現象，對于天然氣管道而言，其與介質中的腐蝕性物質或者土壤中的酸性物質直接接觸，都將會引發嚴重的化學腐蝕問題，事實上，化學腐蝕雖然會產生一定的危害，但是與電化學腐蝕相比，化學腐蝕的危害性相對較弱。對于電化學腐蝕而言，其主要指的是在電解質溶液存在的前提下，金屬在溶液中與其他物質共同構成了原電池，最終引發腐蝕破壞的行為。對于我國的長輸管道而言，其敷設方式主要可以分為2種類型，分別是架空敷設和埋地敷設，管道金屬在土壤環境或者潮濕環境引發的腐蝕問題都屬于電化學腐蝕[2]。

2 長輸天然氣管道腐蝕類型分析

2.1 管道外腐蝕

對于我國天然氣長輸管道而言，其基本采用了埋地敷設的基本模式，在進行管道建設的過程中，需要穿越多種類型的地形以及氣候區，由于管道各個位置處面臨的土壤環境存在一定的差別，因此，出現外腐蝕問題的概率也相對較高[3]。對于少數的架空管道而言，其長期與外界大氣環境接觸，也容易出現大氣腐蝕問題。通過對我國大多數管道進行調研發現，盡管大多數管道都已經采用了外防腐層的基本模式，但是在管道建設或者管道運行的過程中，受到建設施工技術以及第三方入侵等問題的影響，導致外防腐層非常容易出現破損問題，在外防腐層破損以后，金屬可以直接與腐蝕性物質接觸，進而出現化學腐蝕問題，同時，對于防腐層破損點和完好點而言，其容易產生原電池，進而引發電化學腐蝕問題。

如果長輸管道采用了架空敷設的方式，其可以與大氣環境產生直接接觸，在管道的外表面可以產生一層水膜，這層水膜相對較薄，甚至用肉眼難以察覺。事實上，在水膜的厚度達到20～30個分子的厚度以后，就可以轉變為電化學反應所需要的電解質，如果在管道表面形成的水膜中不存在其他成分，其出現電化學反應的概率相對較低，但是，在大氣環境的影響下，水膜中存在其他成分的概率相對較大，例如溶水性的鹽類以及腐蝕性的氣體等，此時管道金屬出現電化學反應的概率將會大幅提升[4]。如果管道采用了埋地敷設的方式，我國大多數地區的土壤并不致密，土壤的顆粒之間存在一定的孔隙，大量的空氣、水分以及鹽類都存在于這些孔隙之中，使得土壤具有電解質的基本特征，如果管道金屬處于該種類型的電解質中，則會產生多種類型的腐蝕電池。首先，由于管道金屬表面存在一定的差異性，因此，此時可以形成微腐蝕電池，受到金屬表面條件差異性的影響，將會出現一定的腐蝕反應；其次，在土壤腐蝕性環境存在較大差異的前提下，可以形成宏觀的腐蝕電池，事實上，由于長輸管道的距離相對較長，不同區域管道所處環境的透氣性存在一定的差異，土壤中的氧氣含量也存在一定的差異，進而使得腐蝕電池得到一定的發育，腐蝕電池陰陽兩極之間的距離可以達到數公里。對于土壤自身的腐蝕性而言，其可以使用土壤電阻率進行表示，在土壤電阻率相對較低的前提下，土壤的腐蝕性將會大幅提升。微生物腐蝕也屬于常見的腐蝕類型，其主要指的是由于微生物生命活動或者受微生物影響所引發的腐蝕問題，微生物腐蝕屬于電化學腐蝕，對于長輸管道而言，無論是采用埋地敷設方式和采用架空敷設方式，其與微生物之間必產生緊密的接觸。事實上，每年由于微生物腐蝕問題所產生的管道金屬損失巨大，因此，對微生物腐蝕問題進行合理的防護也十分關鍵。隨著我國陸地能源開采量的逐漸降低，我國的天然氣資源開發工作已經逐漸從內陸延伸到了海洋，我國海洋能源的儲備量相對較大。對于海上氣田而言，在對開發的天然氣進行簡單的處理以后，將會通過海底管道將能源輸送到陸地，對于海底管道而言，其將會面臨嚴重的海水腐蝕問題。通過對海洋環境進行分析發現，其屬于非常復雜的腐蝕環境，如果管道處于海底環境中，其不但需要面臨海水腐蝕問題，還將面臨波浪以及潮流對于管道產生的應力沖擊，同時，海洋環境中的微生物種類相對較多，大量的微生物將會附著在管道外壁上，并產生大量的代謝物，這將會加快管道的外腐蝕，隨著我國海洋能源開發量的逐漸提升，海底管道的數量也將會增加，在這種背景下，加快海底管道防腐技術的研究工作十分必要[5]。

2.2 管道內腐蝕

在對天然氣能源進行管道輸送的過程中，管道金屬將與天然氣介質產生直接接觸。事實上，天然氣介質的成分也相對較為復雜，除了常規的烷烴以外，還含有大量的二氧化碳、硫化氫等腐蝕性成分，受到輸送溫度、輸送壓力以及輸送速度等因素的影響，這些成分將會對管道內壁產生嚴重的腐蝕。管道內壁出現腐蝕問題的原因可以分為3個方面：首先，對于長輸管道而言，其輸送量相對較大，輸送距離也相對較長，管道內的介質長期處于高溫高壓的環境中，這種類型的環境將會導致酸性氣體的活動能力大幅提升，其自身的活性也將會增強，酸性物質對金屬產生的腐蝕反應屬于化學反應，受到酸性氣體活動能力以及自身活性的影響，化學反應的速率也將會提升；其次，在對天然氣介質進行長距離輸送之前，一般會對介質進行脫酸脫水處理，但是受到處理設備運行穩定性的影響，部分游離水和固體介質可能會進入到管道中，即管道內可能會存在氣液固三相，受到三相混流的影響，可能會對管道產生沖刷腐蝕，這種類型的腐蝕現象在管道彎頭或者三通位置處十分常見；最后，管道內也可能會出現化學腐蝕和電化學腐蝕，這主要是因為介質中含有大量的腐蝕性成分，在管道內環境達到一定的條件時，出現化學腐蝕和電化學腐蝕的概率將會提升，管道面臨安全風險問題的概率相對較大。

3 長輸天然氣管道防腐措施研究

3.1 外防腐措施

針對管道外腐蝕問題，常見的防腐措施可以分為3種類型，首先，需要全面提高管道材料的質量，對于我國部分長輸管道而言，其運行時間相對較長，管道已經面臨嚴重的腐蝕問題，且受到建設時期管道材料的影響，材料的抗腐蝕性能相對較低，針對該種類型的問題，需要及時對管道進行更換。目前，市面上常見的抗腐蝕管道材料相對較多，需要對這些材料進行對比和優選，從材料的角度出發，全面提高其抗腐蝕性。其次，外防腐層是防止管道出現嚴重外腐蝕問題的關鍵性措施，其主要將管道本體與腐蝕性環境隔離，從物理的角度出發避免出現外腐蝕問題，該措施在我國得到了廣泛的應用，但是在進行管道建設的過程中，管道下管溝所使用的基本設備可能會導致管道出現外防腐層破損問題，如果管溝內存在較為尖銳的固體，出現防腐層破損問題的概率也相對較高，在管道運行的過程中，管道周圍可能會存在第三方施工現象，由于第三方施工人員對于管道并不了解，也不具備管道安全保護方面的相關知識，因此，第三方施工也可能會引發防腐層破損問題。針對該問題，需要定期對管道開展檢測工作，主要是對管道防腐層的完好性進行檢測，如果發現防腐層存在破損問題，則需要立即對其進行修復，以此保障防腐層的完好性，保障防腐層可以充分發揮自身的價值與作用。最后，電化學腐蝕對于管道的危害高于化學腐蝕，電化學防護所發揮的作用也將高于其他類型的防護措施，在電化學防護方面可以采取的措施分為兩種類型，在管道距離相對較短的前提下，可以采用外加電流的陰極保護措施，在管道距離相對較長的前提下，可以采用犧牲陽極的陰極保護措施，2種措施都是以原電池為基本原理，在構建原電池的過程中，管道材料作為原電池的陰極進而得到了保護，在管道運行的過程中，陰極保護措施也可能會出現失效問題，針對該種類型的問題，需要定期對陰極保護措施進行檢測，如果發現保護電流不足的問題，需要及時對保護電流進行調整，如果發現犧牲陽極材料的損失較為嚴重，則需要對犧牲陽極材料進行及時更換，使得陰極保護措施可以充分發揮作用。

3.2 內防腐措施

針對長輸管道內腐蝕問題，可以采取的防腐措施分為三方面，首先，需要強化介質的處理工作，在介質進入管道之前，需要對介質進行充分的脫水脫酸處理，需要介質的處理企業而言，需要定期對處理設備進行檢查和維護，全面提高處理設備的運行穩定性，從源頭的角度出發，保證清潔的能源進入管道，以此避免管道內出現嚴重的內腐蝕問題；其次，需要在管道內壁增設涂層材料，涂層材料可以將介質與管道金屬相互隔離，在腐蝕性介質無法與管道金屬產生直接接觸的前提下，管道內壁將無法產生內腐蝕問題，同時，內涂層材料的增設還可以提高介質的輸送效率，對于提高管輸企業的經濟效益十分有利，常見的涂層材料包括合成樹脂等；最后，如果介質中的酸性成分含量相對較多，且無法對其進行全面的脫除，在這種背景下，可以引入添加緩蝕劑的措施，即在管道入口處設置緩蝕劑添加設備，根據管輸量的基本情況，確定緩蝕劑的添加量，緩蝕劑只要是依靠分子作用力進而吸附在管道內壁上，使得管道內壁金屬的電荷分布情況出現一定的變化，或者可以在管道內壁形成保護膜，進而阻止電荷的轉移，避免管道內壁出現嚴重的腐蝕問題，該種類型防腐措施需要的成本費用相對較低，且見效相對較快，對于各個區域的管道而言該措施都可以得到合理的應用。目前，市場上常見的緩蝕劑類型相對較多，不同類型的緩蝕劑針對的腐蝕性介質不同，管輸企業需要對介質中腐蝕性物質的成分進行充分分析，以此對緩蝕劑進行合理的選擇，保證緩蝕劑充分發揮作用。

4 結束語

綜上所述，腐蝕是威脅長輸管道運行安全的重要因素，大量的管道安全風險事故都是由于管道腐蝕問題所引起，因此，管輸企業十分重視管道的防腐工作，管道腐蝕的機理相對較為復雜，管道所處的環境以及管道內的介質都可能會引發管道內外腐蝕問題，單一的防腐措施難以發揮優質的效果。針對該問題，需要針對管道的內腐蝕問題和外腐蝕問題，分別采取多種類型的防腐措施，全面降低管道的腐蝕速率，提高管道運行的安全性。