石油化工管道防腐蝕技術的應用和改進研究

易頂珍

（中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033）

當前，管道運輸是石油資源最廣泛的運輸方式，石油運輸管道通常由鋼質構成，由于是鋼鐵質材料，所以在石油運輸過程中會出現一系列的問題，特別是在運輸中要采取適當的防腐措施，以保證在運輸期間的安全、穩定，防止因管道的腐蝕而造成原油泄漏。針對石油化工管道管線的常見腐蝕問題，提出了采用相應的防腐蝕技術措施，保證管線在今后的使用中不會因為各種因素而產生腐蝕問題，從而導致嚴重的安全隱患。

1 石油化工管道防腐的必要性

目前，石油資源最多的運輸方式是管道運輸，因為管線一般都是用鋼質材料制成，所以很容易在周圍的各種因素下發生腐蝕。由于石油管線管道的腐蝕，不僅會影響原油的運輸，而且會導致原油質量下降、輸送效率降低、運輸途中泄漏等問題，還會對周圍的生態環境產生很大的影響。因此，在提高石油管線抗腐蝕能力的前提下，對其進行防腐處理是十分必要的。

2 在我國管道防腐技術的發展情況

2.1 在我國管道防腐層的發展情況

目前，通常采用陰極防護和涂層防腐措施，以延長管線的使用壽命和減少腐蝕。對石油管線來說，防腐涂層在某種程度上影響著鋼管的使用壽命。國內的鋼管防腐也是從瀝青開始的，20 世紀70 ～80 年代，新的防腐技術被采用，環氧粉末、膠帶、外套等都被廣泛地應用，90 年代，三層PE 和環氧粉末涂層被廣泛地應用，而現在，最昂貴的兩層環氧涂層已經越來越少了。隨著社會和經濟的發展，金屬防腐技術也越來越成熟，在石油化工管線中，環氧粉末、煤焦油涂料、三層聚乙烯等都被應用到了石油管道中，而且在油田的管道中，通常采用三層聚乙烯和環氧粉末作為防腐材料，而在非關鍵的管道中，則采用了瀝青作為防腐材料。

2.2 現在防腐技術存在的一些不足

目前，三層聚乙烯和熔接環氧粉末的使用范圍很廣，而且防腐效果也很好，不過，這兩種管道材料都有一定的腐蝕問題，比如，熔接環氧粉末的機械強度很低，耐沖擊力也很弱，如果遇到了火山噴發、地震，管道就會斷裂，在焊接的地方容易出現各種各樣的問題，這會導致防腐效果比較差。

3 石油管道發生腐蝕的原因

由于管線長時間處于地下潮濕的環境中，受水文、土壤、巖石和其他微生物的影響，管線的特性很可能會發生變化。根據石油管道文獻和現場調查，發現石油管線的腐蝕與外界環境和石油自身特性密切相關。在石油運輸管道系統中，由于管道體系中的金屬和非金屬物質之間存在著電化學和微生物的腐蝕，從而導致管道結構和物質的損壞。除受到特殊環境的影響外，腐蝕產品對管線的損害也是一種原因。通常情況下，腐蝕的區域并不是固定的，而是隨著時間的推移，腐蝕的面積會越來越大，這與腐蝕介質的腐蝕能力有關，同時溫度、介質的濃度、應力狀態也會對管線的腐蝕產生一定的影響。土壤中存在大量的微生物、細菌和真菌，由于土壤的封閉，空氣中缺乏氧氣，所以細菌很容易被分解成硫酸氫，然后與管子產生化學反應，導致管子受到嚴重的腐蝕。大部分的管道都埋在了地下，這是最常見的情況。由于土壤中含有多種介質，如水、空氣、微生物等，由于各區域的含水量不同，其酸堿度也各不相同，使得其內部環境十分復雜。如鹽分差異導致的電池腐蝕，是由于土壤中的鹽分含量和濃度不均勻，從而形成不同的鹽分差異電池，導致了管線的腐蝕，高鹽度，腐蝕加劇，甚至出現管道穿孔。再比如，硫酸溶液中的硫化氫，會和金屬產生電化學反應，導致金屬晶體被酸性物質破壞，從而導致管子內部的腐蝕。

4 石油管道腐蝕的因素分析

（1）由于外部干擾，管線在地面上鋪設時，會受到一定的干擾，這是造成管線腐蝕的重要原因。再比如，在生產過程中，有無組織的電流，有空氣和水分，有毛細管的多孔，有不銹鋼材料，不均勻的化學成分，會造成主要材料的腐蝕。在不完整的土壤中，有很大的概率會侵蝕鋼管，而在沒有保護措施的情況下，會有大量的電流被破壞，其中最嚴重的就是直流雜散電流。（2）微生物的侵蝕，硫酸菌的活性是在土壤中的硫酸鹽處于低氧狀態時，通過有機物質和微生物的膜中的氫氣，將其還原為硫化物，在此過程中，硫化物可以產生強大的腐蝕力，并導致腐蝕，在這個反應的過程獲得生存的力量，它的產物會使得腐蝕不斷進行。（3）由于管材的特殊材料、加工方法等原因，可能造成管線的腐蝕。石油管道是一種由金屬和非金屬混合而成的復合材料，一旦發生了腐蝕，就會產生一些裂紋。石油管道制造過程中，一旦發現明顯的缺陷，將會在使用過程中產生顯著的腐蝕。（4）管道的防腐技術本身就有陰極保護和臨時保護之分，在管道鋪設后，由于管線的防護作用，會讓鋼管本身產生一層保護膜，這層保護膜的作用就是防止腐蝕，但如果發生這種情況，涂層與管道之間的黏結性就會產生“死區”，這種死區導致了管道內部的陰極脫落，從而產生腐蝕，使得管道形成腐蝕的問題。（5）石油管道內的壓力因應力的影響而產生波動，從而在工作時因壓力增大而產生應力腐蝕。指金屬構件、金屬材料在一定的溫度和濃度下會受到一定的腐蝕，包括腐蝕介質、腐蝕產物，在一定的范圍內，會產生一定的拉伸應力，并形成一定的合金組成和結構，從而形成一定的應力腐蝕斷裂，形成一定的應力腐蝕裂紋，使得管道形成腐蝕的問題。

5 石油化工管道工藝腐蝕的機理

在地下熱空氣中，金屬原子與非電解液中的氧化劑發生純粹的化學反應，從而使金屬表面和非電解質產生損傷。按其腐蝕機制可分為化學、電化學和物理三種。金屬在高溫下被氧化生成的腐蝕產物，具有直接的氧化還原作用，并在金屬表面產生化學侵蝕。在這個化學反應中不會產生電流。電化學腐蝕是最常見的，它的特征是，它含有至少一種陽極反應和一種陰極反應，比如，當一種金屬與一種電解質溶液混合在一起時，會產生一種“割裂”的效果，當一種低熔點的金屬與一種低熔點的金屬混合在一起時，就會出現這種情況，這是一種從陽極區到陰極區的過程。電化學侵蝕是由簡單的物理溶解所造成的金屬表面損傷。由于低熔點的金屬通常具有很低的強度，所以在腐蝕時會與離子傳導介質產生電化學反應。

（1）物理腐蝕是目前工程中比較少見的一種方法。按腐蝕形式分類：是指因金屬本身的特性，這種腐蝕會成為金屬材料產生裂縫的原因，在受到壓力時，會首先發生斷裂?？梢詣澐譃榫鶆蚋g和局部腐蝕等幾種類型。均勻腐蝕是最不危險的，局部腐蝕，可以很好的防御，一般都會有足夠的耐蝕性，大部分的物理腐蝕都是以腐蝕均勻為特征的，其機械強度和使用壽命都很重要，但也要注意其危害。局部腐蝕是一種很難預知和防范的方法，它的危害遠遠大于均勻腐蝕，當腐蝕發生時，會引起金屬部件的突然損壞，導致嚴重的火災和人員傷亡。也稱不均勻腐蝕，是指在某些金屬材料的特殊部位發生腐蝕。其特性雖然不如均勻腐蝕，但由于其無前兆，很容易被發現，從而導致大量的金屬流失。如果金屬表面有鈍化膜或保護層，則由于鈍化膜的表面有缺陷，導致鈍化膜厚度不均勻，電勢負值的金屬比機械裂紋、擦傷、夾雜物等單獨出現的腐蝕速率要快，而電勢較正的金屬則會比單獨存在的速度慢，甚至暴露在外的情況下，由于電極內部的腐蝕介質很難移動，從而導致電偶腐蝕。（2）晶間侵蝕是一種特殊的金屬材料在一種特殊的腐蝕介質中，具有不同電極電勢的兩種金屬或合金，沿材料的晶界發生的晶間侵蝕。（3）縫隙腐蝕是在槽縫中進行的，在電解液環境下，通常為0.025 ～0.1mm 的間隙腐蝕。

6 石油管道防腐蝕技術的應用和改進

6.1 對石油管道的材料進行研究改進

由于表面鈍化可以作為一種良好的增強材料耐腐蝕性的方法，可以在一定程度上有效地抑制合金在原油中的腐蝕，通過形成具有優異化學性質和熱穩定性的保護性氧化膜，來使合金材料具有良好的抗氧化性。表面鈍化可以抑制原油中的金屬腐蝕，希望探索添加濃度超過一定量的元素來促進氧化皮的形成保護層，從而抑制原油的腐蝕性。因此，我們完全可以設計一種合金，與原有鋼質材料相比，可以設計一種合金，在原有的鐵基基礎上利用金屬合金化原理通添加Mg 或Ca 元素來使合金發生表面鈍化促進表面氧化皮的形成，可以通過不同的比例進行實驗，綜合選取最佳的比例得到一種耐腐蝕性更強的石油管道運輸用材料。希望可以通過以上的各類改進設計出一種高效的耐腐蝕性石油管道運輸用材料來促進我國石油化工行業的進一步發展。

6.2 提前做好內腐蝕評估

石油集輸管線的腐蝕主要有內外腐蝕兩種，內部腐蝕是最難被發現的，所以要想有效地控制腐蝕的程度，就要有針對性的處理。所以，必須按照有關的規范和操作規程來評價管道的內部腐蝕情況。在具體的腐蝕檢驗中，必須確定缺陷深度、長度等參數，利用超聲波智能清管儀對管線進行內部腐蝕檢查，得到缺陷的模板，采用分項安全因素法評價管線的抗腐蝕安全工作壓力，在評價容許壓力超過最大容許工作壓力時，對管線進行常規的防腐和保溫措施處理。

6.3 涂層防護

防腐蝕涂料是一項重要的防腐蝕技術，由于其技術上的優越性，在原油的輸送和儲存中得到了廣泛的應用。涂料防護是指利用有關物質，在一定程度上將石油管線與環境中的腐蝕因子隔離開，形成對油氣管線和油罐的最基本的保護措施。盡管涂料的防腐蝕作用顯著，但在實際的涂裝、運輸和保存中，涂料自身很可能會受到影響，從而導致其保護性能的下降，所以我們必須針對實際的應用環境和防腐蝕要求，對其進行適當的調整和優化。合理地選用二層聚乙烯/聚丙烯、三層聚乙烯/聚丙烯，可使涂料的使用性能得到更好的穩定，并能滿足日常運輸和儲存的需要。在實踐中，三層涂料是一種比較常用的保護方法，它是將環氧粉末底層、黏結劑中間層和聚乙烯外護層結合起來，可以極大地提高涂料的抗腐蝕性，降低原油管線和儲罐的腐蝕風險。

外涂防腐涂料在國內已廣泛采用；這是因為它價格便宜的優點，而且防腐蝕性能比較好。將涂層分為三大類：無機非金屬涂層、環氧涂層、改性涂層。環氧涂層是一種新型的防腐涂層，它具有良好的防腐性能，并可用于多種石油管線。利用納米技術對有機、無機涂料進行改良，具有很好的防水防腐性能。比如涂上防銹漆，通常有兩種，一種是底漆，一種是面漆。在涂漆時要遵循一定的工藝。上部管道的外部防腐技術，以防止環境、地質等因素影響、變化為主。在石油管道的外層加一層保護層，可以石油管道的外部腐蝕，但不會影響內部。所以，對石油管道內部防腐技術的研究也是十分必要的。

6.4 電化學保護法

電化學保護是通過電化學反應的原理，將石油管道用作電池的負極，從而達到保護管道安全的目的。電化學保護有兩大類：一種是加載電流保護，另一種是犧牲陽極的保護法。陰極保護法就是通過直流供電，將負極連接到石油管道上，讓石油管道變成負極，從而達到防腐蝕的目的。而犧牲陽極的陰極保護，則是使用活性較強的金屬，將其與石油管道相連，再以活性較強的金屬為陽極，在進行電化學反應時，會將活性較強的金屬陽極腐蝕，從而達到保護金屬的目的。陰極保護的具體方法有兩種：一是強制電流保護；二是犧牲陽極法。強迫電流法的基本原理是利用外界的電力，改變周圍的環境，使其在環境中的電勢始終比環境電勢低，這樣就可以把管道變為一個整體的陰極，這樣就不會因失去電子而產生電化學腐蝕。犧牲陽極法也就是用犧牲陽極來保護陰極，這種方法是用一種很強的還原金屬作為保護電極，然后連接到被保護的金屬上，形成一個完整的電池。在這種情況下，會發生氧化還原反應，而具有較高還原能力的金屬作為陽極在反應過程中會被耗盡，從而可以起到保護作用，這就是犧牲陽極保護陰極的基本原則。

從20 世紀30 年代起，石油管線和油罐采用了陰極保護技術，并在50 年代得到了越來越多的發展，成為一種比較成熟的防腐蝕技術。陰極保護是一種輔助措施，它可以改善石油管道涂層，以彌補石油管道涂層的不足，提高其防腐蝕性能，從而確保石油管道管線和油罐的預防腐蝕。目前，陰極保護已有相關的行業標準，包括設計規范、施工驗收規范、運行維護規范和材料標準等，該方法施工簡便，安裝工作量少，不會對相鄰的地下金屬結構造成干擾，而且還能防止雜散電流的干擾，便于維護。

6.5 活性金屬減緩腐蝕

在石油管線的腐蝕中，化學腐蝕占了很大的比重，分析化學腐蝕的原因，就是石油管線管件的金屬在化學反應中是正的、是活性的，所以沒有電子電離生成陽離子，而陰離子產生的部位則是陰極，這就是所謂的“電池”，使管線的腐蝕速率加快。所以，只要在石油管線里適當地添加一些比石油管線管道里的金屬更活潑的金屬，那么石油管道就會先被氧化，生成陽離子，從而防止石油管道內的金屬被氧化，從而起到保護作用。緩蝕劑的防腐技術，是一種可以在一定程度上保護管線的材料。從目前的研究進展來看，緩蝕劑的制造工藝簡單、成本低廉、應用范圍廣，但是它自身也有一個很大的問題，那就是它的制造工藝比較復雜，而且很難進行自身的保養。因為石油管線自身的材料比較多，所以在加入緩蝕劑前，要對管線材料進行詳細的研究，以保證緩蝕劑與管線的匹配，從而保證管線的安全。原油緩蝕體系主要存在的問題就是原油腐蝕性都比較強，可以采用降低原油腐蝕性的策略對緩蝕體系進行改進設計。首先，可以從緩蝕劑的濃度下手；一般情況下，濃度都直接或間接地影響著緩蝕劑的腐蝕性，因此，可以通過調節緩蝕劑的濃度進行腐蝕性研究，來確定緩蝕劑最佳的濃度來設計使原油腐蝕性降到最低，以有效控制腐蝕性。

6.6 復合材料管道技術

復合材料管道技術是在傳統防腐技術的基礎上發展的一種新型的石油管道防腐技術，這種管道防腐技術的防腐效果比較顯著。復合管材料從內到外主要分成三層，陶瓷、過渡層、鋼材，并且具有耐高溫、高強度、高韌性等特點。當前，我國著名的大慶油田正在積極利用此種技術手段進行管道防腐，取得了較好的效果。

7 結語

總之，原油是一種很重要的能源，而且它的運輸也很重要。在原油管線的使用中，為避免原油管線發生腐蝕，造成原油泄漏，應引起人們的高度重視，并根據實際情況采取適當的防腐蝕技術，以確保原油輸送的安全。因此，在原油生產、運輸和儲存過程中，必須加強對石油儲罐和管線的防腐蝕工作，目前石油管線的防腐技術已經有了長足的發展，雖然目前在防腐上還有一些問題，但隨著管理和技術的不斷完善，肯定會有所改進，為國家的能源安全提供保證。