天然氣管道腐蝕的形成與防腐保護措施

溫少飛，謝曉東，張楊

（1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司,天津 300457；2.華油鋼管有限公司，河北 滄州 062650）

天然氣作為清潔能源的重要組成部分，其在能源供應中的地位日益突出。對于天然氣管道而言，其承擔著將天然氣從產地運輸到消費地的關鍵任務。然而，由于管道的特殊性，容易受到腐蝕的影響，從而對管道的安全運行產生不利影響。為了防止天然氣管道腐蝕，選擇抗腐蝕性能良好的材料，對管道進行防腐涂層處理，有效隔離管道與環境接觸，減少腐蝕的可能。控制天然氣中的水分含量，防止水蒸氣的凝結和液態水的腐蝕作用。施加外電源使管道表面產生負電極，在陽極處形成陰極保護層，減少電化學腐蝕。另外，定期對管道進行檢查，及時修補和更換受損的部分，保證管道的完整性和可靠性。

1 天然氣管道防腐工作的重要意義

腐蝕是天然氣管道長期運行過程中面臨的主要威脅之一，由于地下環境復雜，天然氣管道易受腐蝕，導致管道壁厚減薄、裂紋、泄漏甚至失效，給管道的安全穩定運行帶來威脅。天然氣是一種可燃氣體，管道泄漏會影響天然氣的供應和流量，造成運行中斷和供氣不穩定的問題，造成環境污染和溫室氣體排放，對大氣和自然生態產生不良影響。嚴重時可能引發天然氣泄漏和釋放，對人員和財產造成巨大的損害。天然氣管道是一項長期投資，腐蝕引起的管道損壞和泄漏造成能源資源的浪費，同時，還需要投入大量資金進行維修和替換。防腐工作保持管道的良好狀態，確保天然氣的連續供應和穩定運行，能有效延長管道的使用壽命，減少因腐蝕而導致的管道維修、更換和重建的成本，提高管道的安全性和可靠性。另外，通過有效的管道防腐工作，減少泄漏的發生，保護環境和生態系統。

2 天然氣管道腐蝕主要原因

2.1 土壤腐蝕

土壤中存在一些對金屬材料產生腐蝕的物質，比如，含有酸性物質、鹽分或者其他化學物質的土壤，與管道表面的金屬發生化學反應，導致管道的腐蝕。土壤腐蝕與土壤的類型和成分有關。酸性土壤、含有硫化物或氯化物的土壤等，加速腐蝕過程，對管道造成損害。此外，濕潤的土壤會導致氧氣和水分接觸到管道表面，形成一個濕度環境，從而加速腐蝕過程。尤其是在高濕度和高溫條件下，腐蝕速度更快。當土壤中的水與管道表面接觸時，溶解在水中的無機鹽會形成腐蝕面，并加速管道的腐蝕。這些無機鹽包括氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽等，具有腐蝕性。此外，一些腐蝕性微生物在土壤中大量繁殖，形成生物膜或者生物酸，進一步加劇天然氣管道的腐蝕作用，比如，硫酸鹽還原菌、鐵化細菌等。

2.2 微生物腐蝕

微生物腐蝕是一種由于微生物的活動而導致的管道腐蝕現象。微生物腐蝕主要分為兩種類型：生物腐蝕和微生物產酸腐蝕。生物腐蝕是由微生物附著在管道表面并形成生物膜，通過代謝產生的酶和酸性代謝物導致管道腐蝕。這些微生物可以從水、土壤或空氣中進入管道系統，附著在管道表面并形成黏附層。生物膜會阻礙防腐涂層與金屬之間的接觸，從而降低管道的防護能力。而且，微生物在代謝過程中產生的酸性代謝物會降低管道的pH 值，破壞管道的保護膜，進一步導致腐蝕。微生物腐蝕不僅會導致管道金屬的損失，還會引起管道的泄漏和斷裂，給管道運行帶來嚴重的安全隱患。

2.3 大氣腐蝕

大氣腐蝕是指管道暴露在大氣環境中，由于氧氣、水蒸氣、硫化物、氯化物等物質的作用，導致管道表面發生腐蝕的過程。大氣腐蝕主要分為濕式腐蝕和干式腐蝕兩種類型。濕式腐蝕是指在濕潤環境中，管道表面的水分和氣體中的氧氣、酸性物質等相互作用，形成電化學反應，導致金屬表面的氧化和腐蝕。濕式腐蝕通常發生在高濕度、多雨的氣候條件下，如沿海地區或高濕度地區。干式腐蝕是指在干燥環境中，管道表面的水分蒸發，形成鹽類、灰塵等物質，這些物質可以吸附在管道表面形成腐蝕性層，并與氧氣和其他氣體反應，引發腐蝕。大氣腐蝕會導致管道表面產生銹蝕、腐蝕溝槽和金屬失效，降低管道的強度和耐久性，甚至可能引發管道泄漏和斷裂等嚴重事故。

2.4 海水腐蝕

海水中含有多種腐蝕性物質，包括氯離子、硫酸鹽、堿金屬離子等，這些物質會與金屬表面發生化學反應，引起腐蝕。海水腐蝕的速度取決于多個因素，包括海水溫度、氧含量、鹽濃度、金屬材料的組成和涂層的質量等。一般來說，高溫、高鹽濃度和低氧含量的海水會加速腐蝕過程。海洋環境中的海水具有較強的沖擊力，這會導致管道和設備的腐蝕和損壞。海洋微生物也是一個重要的因素，附著在管道表面形成生物膜，并產生酸性物質和腐蝕性代謝產物，加速管道的腐蝕過程。這種腐蝕現象被稱為微生物腐蝕（MIC），在海洋環境中尤為常見。

2.5 管道內部腐蝕

管道內部腐蝕對管道的安全性和可靠性產生了重大影響，導致管道壁厚度減少、管道強度下降，甚至引發管道泄漏或破裂等嚴重后果。管道內部腐蝕的類型主要有以下幾種：（1）統一腐蝕。在管道內壁均勻發生腐蝕，導致管道壁厚度逐漸減少。（2）點蝕腐蝕。在管道內壁的局部發生腐蝕，形成小孔或凹坑。（3）返蝕腐蝕。由于金屬表面的氧化被還原物質迅速還原，導致局部腐蝕加劇，形成管道內壁的凹陷或穿孔。管道內部腐蝕主要受到以下因素的影響：天然氣中可能含有酸性成分，如硫化氫、二氧化碳等。這些酸性物質與管道內壁形成化學反應，引起腐蝕。天然氣輸送過程中長時間處于高壓高溫狀態，使管道內壁涂層的消耗加劇，增加了腐蝕的風險。天然氣輸送過程中可能存在水、液態碳水化合物等自由液體，不同物質的共存會引發化學反應，加劇管道內部的腐蝕。

3 天然氣管道防腐措施

3.1 初期建設防腐措施

選擇抗腐蝕性能良好的材料，如具有良好耐腐蝕性能的鋼材、特殊合金材料或聚合物材料。在管道材料的起重、運輸和存放過程中，需注意避免與其他金屬材料接觸，避免損傷防腐層。在安裝前，對鋼管進行表面處理，如除銹、除油、除塵等，以確保防腐層的黏附性和耐久性。在表面處理后，施加適當的防護涂層，如環氧樹脂涂層、聚乙烯涂層等，以提供永久性的防腐保護。在鋪設管道時，需注意避免與砂石、巖石等銳利物體接觸，以防止防腐層的破損。對于管道的接頭和焊縫等易受腐蝕的部位，特別需加強防護，如使用防腐膏、防腐膠帶等。

3.2 日常管理防腐措施

定期對防腐涂層進行檢查，包括外觀觀察、涂層厚度測量和黏結力測試等。及時發現涂層破損、脫落或退化情況，采取修補和維護措施。定期清洗管道表面，去除附著的塵土、污垢和化學物質等，保持防腐涂層的整潔和光滑。避免使用有機溶劑或酸堿性清潔劑，以免損害涂層。在管道附近設置保護措施，防止機械碰撞、磨損和化學品的侵蝕。比如，設置護欄、防撞柱和警示標志等。管道涂層的防水性能和防潮性能是關鍵。要確保涂層不受到水分和潮濕環境的侵蝕，避免產生腐蝕或涂層剝落的問題。可采用防水涂層或防潮層進行保護。對已經存在的涂層進行定期的維護保養，如涂層的修補、補漆和防腐處理等。根據涂層的使用壽命和環境條件，制定合理的維護計劃。對防腐涂層的管道進行標識，包括管道功能、防腐涂層型號和施工日期等信息，便于日常管理和維護。

3.3 管道涂層防腐措施

外壁防腐通常采用不同類型的防腐涂層。石油瀝青是一種常用的防腐涂層材料，它具有優異的耐腐蝕性能和耐磨損性能。可以通過噴涂、刷涂、浸涂或沉積等方法施工。煤焦油瓷漆適用于高溫和酸堿環境下，提供較好的防腐蝕保護，并具有良好的耐磨損性能。環氧粉末涂層和三層復合結構涂層是一種較新的防腐涂層技術，具有優異的阻隔性能和耐腐蝕性能，能夠提供更長久的防護。PF 型環氧煤瀝青冷纏帶是一種常用的管道防腐材料，提供良好的防腐蝕性能和抗機械損傷性能。RPC 型環氧煤瀝青冷纏帶是一種具有橡膠防護層的防腐材料，具有良好的防水性能和耐腐蝕性能。防腐涂層材料根據管道的具體要求和使用環境進行選擇。無溶劑環氧涂層內減阻涂層可以減少管道內部流體的阻力，提高管道的輸送效率。良好的黏附力能夠牢固地附著在管道內壁上，不易剝離。

在施加涂層前，必須對管道表面進行徹底的清潔和處理，以去除油脂、污垢和銹跡。通常使用噴砂、噴丸或化學清洗等方法進行表面處理。根據管道的環境條件和用途選擇合適的防腐涂層。常見的防腐涂層包括聚乙烯、環氧涂層、聚胺脂涂層等。涂層應具有良好的抗腐蝕性能和耐磨損性能。通常采用噴涂、涂刷或浸涂的方法施加涂層。在施工過程中，需要對涂層進行質量控制，包括涂層厚度的測量、涂層的均勻性檢查和涂層的質量驗收等。管道接頭是腐蝕的薄弱點，需要特別注意防護。使用特殊的防銹劑或涂層對接頭進行保護。管道涂層需要定期檢查和維護，以確保其防腐蝕性能。定期檢查涂層的損壞、劃痕和腐蝕跡象，并及時修復。

3.4 天然氣凈化

在天然氣進入輸氣管道前，需要進行預處理，以去除塵粒、凝析液、水和其他有害組分，以得到干燥且符合管道運輸質量要求的天然氣。使用過濾器和除塵器來去除天然氣中的固體顆粒和雜質，通過冷卻和凝結作用，將天然氣中的凝析液分離出來。水分的存在可能會導致管道內部的腐蝕和氣體流動問題，使用水分去除設備（例如吸附劑或水分除濕器）來去除天然氣中的水分。

3.5 電化學防腐

電化學防腐基于兩種基本反應：陽極反應和陰極反應。陽極反應是金屬氧化的過程，也稱為腐蝕反應，釋放電子并氧化成陽離子。陰極反應是在金屬表面還原的過程，通過施加外部電流或提供陰極保護劑，陰極吸收電子并還原。兩種反應共同作用，形成一個電池系統，將腐蝕電流從金屬轉移到保護體上，從而減緩或防止金屬的腐蝕。在結構表面放置一個陽極，如鋁或鋅，使其成為腐蝕體。當管道與陽極進行電連接后，陽極就會犧牲自身，通過氧化反應釋放電子來供給管道的還原反應，管道則得到防腐蝕保護。外加電流的陰極保護措施適用于各種金屬結構，能夠提供均勻的防腐蝕保護，相比犧牲陽極陰極保護方式具有更長的使用壽命。然而，該方法需要專業人員進行設計和操作，以確保外部電流的適當施加和監測。

3.6 緩蝕劑防腐

緩蝕劑通過在金屬表面形成一個保護性的薄膜或阻擋層，防止金屬與腐蝕介質接觸，從而減緩腐蝕速率。緩蝕劑通過吸附在金屬表面，形成的吸附層會減緩金屬與腐蝕介質發生化學反應的速率。與腐蝕介質中的物質發生反應，產生無害的或不易溶解的產物，從而減少腐蝕反應的進行。與其他防腐方法相比，緩蝕劑防腐的成本較低。很容易應用于金屬表面，可以通過涂覆、噴涂或浸泡等方式。緩蝕劑通常提供臨時性的保護，需要定期重新應用。

4 結語

天然氣管道腐蝕是一個嚴重的問題，會導致管道破裂、泄漏和安全隱患。腐蝕的形成與多種因素有關，包括介質成分、溫度、壓力、濕度和管道材料。為了有效地防止天然氣管道腐蝕，考慮到管道的特點、運行條件和經濟因素等，根據管道的具體情況進行評估和制定綜合的防腐措施，有效保護天然氣管道免受腐蝕的影響，確保管道的安全性和可靠性。