長距離埋地油氣管道沖蝕腐蝕問題研究

中圖分類號： TQ050.9⁺6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0148-04

Research on erosion corrosion of long-distance buried oil and gas pipelines

FENG Jiaxin （East China Design Institute，Pipe China Engineering Technology Innovation Co.，Ltd.，Xuzhou 221008， Jiangsu China）

Abstract：Aiming at the erosion corosion problem oflong-distance oil and gas pipelines，thecorrosion problem of long-distance oil and gas pipelines is analyzed by taking theburied pipelines with serious corrosion in anoilfield company as the research object.The research results show thatthe cathodic protection potential and the temperatureof crudeoilare the mainfactors affecting thecorrosionefficiencyofburied pipelines，andtoohightemperature and too negative applied potential can accelerate the corrosion ofoil and gas pipelines.For pipelines with damaged coating，cathodic protection current shielding is the main factor causing corrosion of buried pipelines.Thecorrosionlawis thatthe greaterthe distance fromthedamaged position，the greaterthecathodic protection shielding effect；the higherthe temperature，the smaller the shielding efect.Cathodic protection is applied to the damaged partof the anticorrosive coating，and the distal end cannot reach the protection potential.The environmental conditionsonthe metal surface are more stringent andthecorrosionrate is higher.Finall，the anticorrosion efficiencyof buried pipelines canbeeffctively improved bydirectly installing sacrificialanodes inside theinsulationlayerand combining anticorrosion with solid corrosion inhibitors.

Key words：corosion of oiland gas pipelines;cathodic protection;cathodic shielding；damage to the anti-corrosion layer；shielding effect

長距離油氣管道長期在復(fù)雜的環(huán)境中服役，內(nèi)有高速流動的油氣介質(zhì)，外有土壤、地下水等環(huán)境因素的影響，很容易發(fā)生沖蝕腐蝕。這種沖蝕腐蝕會導(dǎo)致管道產(chǎn)生破壞，引發(fā)油氣泄漏，不僅會造成能源的浪費(fèi)，還會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。對此，薛佳等1針對油氣儲運(yùn)工程中管道的防腐問題進(jìn)行分析與研究，為油氣管道的防腐提供參考；熊金山等2通過考察腐蝕因素，腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌和物相組成，對某輸油管段腐蝕原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，為評估管道風(fēng)險，制定風(fēng)險消減措施和預(yù)防性維修方案提供了參考；夏季等3提出了Ifuzzy-DEMATEL風(fēng)險評估方法對埋地油氣管道外腐蝕風(fēng)險進(jìn)行評估，并通過試驗證明了該方法的有效性，為油氣管道外腐蝕防控提供理論參考；安鵬飛4通過分析了土壤腐蝕、電化學(xué)腐蝕等多種腐蝕機(jī)制，并討論了絕緣層防腐、電保護(hù)防腐技術(shù)以及其他防腐技術(shù)的應(yīng)用與實踐，為相關(guān)工程提供了理論與實踐指導(dǎo)。

以上學(xué)者的研究為長距離油氣管道沖蝕腐蝕問題提供了參考，但在長距離油氣管道沖蝕腐蝕防治方面還有待進(jìn)一步研究。基于此，本實驗以新疆某油田公司腐蝕嚴(yán)重的埋地管道為研究對象，對長距離油氣管道腐蝕因素、規(guī)律等進(jìn)行具體分析。

1試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：低碳鋼片（20#，安平縣萬勛金屬絲網(wǎng)制品有限公司）；丙酮（AR，山東鑫贏舜新材料有限公司；無水乙醇（AR，蘇州恒碩化工有限公司）；瀝青玻璃絲布（工業(yè)級，廊坊興邦防腐保溫材料有限公司）。

主要設(shè)備：K051型電化學(xué)三電極體系（上海錦錨工業(yè)科技有限公司）；HWX-800型恒溫水浴箱（無錫四聯(lián)科技有限公司）；DJS-292型恒電位儀（青島明博環(huán)保科技有限公司）。

1.2 陰極保護(hù)試驗

（1）選擇埋地管道所用鋼材20#低碳鋼片為金屬基體進(jìn)行試驗。在進(jìn)行試驗前，依次用不同目數(shù)砂紙打磨后用乙醇充分洗滌，然后置于陰涼干燥處自然風(fēng)干；

（2）對鋼片進(jìn)行噴砂后，在鋼片表面覆蓋瀝青玻璃絲布作為防腐層，并模擬埋地管道防腐層破損對防腐層進(jìn)行人為破壞。試驗采用電化學(xué)三電極體系對埋地管道材料腐蝕原因進(jìn)行分析。以覆蓋有防腐層的鋼板為工作電極，高純度石墨電極為輔助電極，Cu/CuS0₄ 為參比電極，通過恒溫水浴箱進(jìn)行加熱和保濕。以模擬現(xiàn)場土壤溶液作為試驗介質(zhì)，采用恒電位儀對試樣進(jìn)行陰極保護(hù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 陰極保護(hù)腐蝕因素分析

2.1.1 電位的影響

受埋地輸油管道復(fù)雜的服役環(huán)境影響，采用聯(lián)合防腐對管道進(jìn)行防腐。但聯(lián)合防腐在實際應(yīng)用中可能受電位的影響，出現(xiàn)過度保護(hù)的現(xiàn)象，影響防腐層與金屬基底間的結(jié)合力，使防腐層失效的速度[5]。通過電化學(xué)阻抗譜圖研究電位對陰極保護(hù)防腐效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可知，經(jīng)過模擬現(xiàn)場土壤溶液浸泡30d后，防腐層的防腐性能開始下降，防腐層阻抗但仍大于臨界值 10⁵Ω?cm² ，此時，防腐層對基底金屬仍有較好的保護(hù)作用[67]。由圖1（b）可知，施加-1.5V陰極保護(hù)30d的容抗弧半徑明顯低于浸泡初期容抗弧半徑，防腐層的防腐性能急劇下降，阻抗明顯低于臨界值，保護(hù)作用基本失效。這是施加過負(fù)的電位造成的過保護(hù)狀態(tài)，防腐層與金屬基底粘合力快速下降，降低了防腐層對金屬基底的防護(hù)作用[8-9]。

2.1.2 原油溫度的影響

在埋地管道服役的過程中，往往需要運(yùn)輸高溫狀態(tài)下的原油，而原油溫度也是影響防腐層對金屬基底的防護(hù)作用的主要因素。試樣在不同溫度模擬現(xiàn)場土壤溶液中浸泡30d的EIS圖如圖2所示。

由圖2可知，試樣在高頻區(qū)容抗弧半徑隨溫度的增加而減少，說明原油溫度越高，聯(lián)合防腐對金屬基底的防護(hù)作用越差。分析其原因在于，高溫會明顯增加電化學(xué)的反應(yīng)速度，提升金屬腐蝕速率，這就導(dǎo)致陰極保護(hù)需要的電流密度增加，保護(hù)電位將無法達(dá)標(biāo)，防腐作用下降。同時，在高溫條件下，犧牲陽極消耗加速壽命縮短，電氣元件老化導(dǎo)致電流傳輸中斷，導(dǎo)致陰極保護(hù)失效[10-11]。不僅如此，高溫還會提升鋼材與涂層間的熱膨脹系數(shù)差異，促進(jìn)腐蝕介質(zhì)穿透涂層微孔，界面熱應(yīng)力積累引發(fā)涂層剝離，介質(zhì)滲透加劇誘發(fā)點(diǎn)蝕，降低了防腐層對金屬基底的防護(hù)作用[12-13]

2.2腐蝕管道保護(hù)實例

2.2.1 工程概況

以某油田公司在特殊環(huán)境中使用最多的一條埋地管道為研究對象。內(nèi)部工況：輸送介質(zhì)為稠油，出站溫度為 65～90% ，進(jìn)站溫度為 55～75% ；外部工況：防腐層破損后，管道與土壤直接接觸，因此管道的腐蝕程度受土壤腐蝕性影響。

對目標(biāo)管道陰極保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，目標(biāo)管道局部區(qū)域存在欠保護(hù)現(xiàn)象，其有效保護(hù)率約為77.5% 。由此看出，該公司保溫管道陰極保護(hù)表現(xiàn)良好，但在某些管段埋地管道保溫層、防護(hù)層對陰極保護(hù)電流產(chǎn)生了屏蔽，造成防腐層失效，當(dāng)防護(hù)層破損、保溫層進(jìn)水后，導(dǎo)致管道的腐蝕。

2.2.2 陰極保護(hù)屏蔽條件下的腐蝕機(jī)理分析

根據(jù)上述結(jié)果，陰極屏蔽是導(dǎo)致埋地管道腐蝕嚴(yán)重的主要因素，固定施加陰極極化電位為 -300V 進(jìn)一步開展試驗，分析陰保屏蔽條件下的腐蝕機(jī)理，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，與破損位置的距離越大，其陰極保護(hù)屏蔽效應(yīng)越大；溫度越高，屏蔽效應(yīng)越小。這是因為防腐層破損，金屬基體暴露，使其形成低電阻通道，陰極保護(hù)電流優(yōu)先流向破損的位置；距離破損點(diǎn)越遠(yuǎn)，電解質(zhì)電阻越大，出現(xiàn)較明顯的電流衰減，導(dǎo)致遠(yuǎn)端電位無法達(dá)到保護(hù)閾值。同時，電流從陽極向破損點(diǎn)集中，電流強(qiáng)度也明顯衰減，遠(yuǎn)端區(qū)域極化不足，形成“屏蔽區(qū)”，屏蔽效應(yīng)較大。而溫度對屏蔽效應(yīng)的影響在于，溫度越高，土壤的電阻率越低，電流傳輸效率提升，保護(hù)電流更易擴(kuò)散。同時，高溫可有效加速電解質(zhì)離子運(yùn)動，歐姆極化損失減少，距離引起的電流衰減效應(yīng)被削弱，屏蔽效應(yīng)越小[1415]。

2.2.3 施加陰極保護(hù)對腐蝕速率的影響

在同樣的試驗條件下，對埋地管道施加陰極保護(hù)，以不施加陰極保護(hù)的管道為對照，觀察施加陰極保護(hù)對埋地管道腐蝕速率的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，陰極保護(hù)只對距離破損點(diǎn)較近的位置起到有效保護(hù)。這是因為陰極保護(hù)電流優(yōu)先通過防腐層破損點(diǎn)流入管道，使該區(qū)域金屬表面充分極化至保護(hù)電位，抑制金屬離子溶出，腐蝕速率顯著降低，同時，破損點(diǎn)暴露的金屬在陰極電流作用下由原陽極轉(zhuǎn)化為陰極，終止局部腐蝕反應(yīng)。隨距離破損點(diǎn)位置的增加，土壤的電阻也明顯增加，陰極保護(hù)電流衰減，遠(yuǎn)端無法達(dá)到保護(hù)電位，金屬表面環(huán)境條件更加嚴(yán)苛，腐蝕速率更高。

2.3 埋地保溫管道腐蝕防治措施研究

目前關(guān)于埋地保溫管道腐蝕防治措施研究通過直接安裝犧牲陽極和采用固體緩蝕劑防腐聯(lián)合進(jìn)行。改進(jìn)陰極保護(hù)實施方式為在保溫層內(nèi)部直接安裝犧牲陽極，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，使保護(hù)電流直接在鋼管表面釋放，避免穿透高阻保溫層，徹底解決電流屏蔽的問題，保護(hù)效率提升至 95% 以上。無需外部電流導(dǎo)人，避免對鄰近金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生雜散電流干擾，對復(fù)雜工況條件的適應(yīng)性較高。缺點(diǎn)為：安裝工藝較為復(fù)雜，需預(yù)加工保溫層開槽/鉆孔，陽極與鋼管連接電纜貫穿保溫層，存在密封失效風(fēng)險。陽極消耗后更換需破壞保溫層，維護(hù)成本較高。

采用固體緩蝕劑防腐的優(yōu)點(diǎn)在于，固體緩蝕劑通過高溫熔融成型在管道內(nèi)緩慢溶解，實現(xiàn)長效緩釋，維持周期較長。同時，固體緩蝕劑可嵌入保溫層間隙或預(yù)置在防腐層與鋼管之間，直接作用于金屬表面，解決傳統(tǒng)液體緩蝕劑因保溫層阻隔導(dǎo)致的擴(kuò)散不均問題，還不干擾陰極保護(hù)系統(tǒng)。固體緩蝕劑表現(xiàn)出良好的高溫適應(yīng)性，滿足埋地管道高溫段的使用要求。缺點(diǎn)在于，固體緩蝕劑成本較高，僅推薦用于保溫層破損區(qū)。且需在管道鋪設(shè)時預(yù)埋或后期鉆孔注入，對已建管道改造難度大，鉆孔可能破壞外防腐層完整性。

3結(jié)語

以新疆某油田公司腐蝕嚴(yán)重的埋地管道為研究對象，對長距離油氣管道腐蝕問題進(jìn)行分析，具體結(jié)論如下：

（1）施加過負(fù)的陰極保護(hù)電位會導(dǎo)致試件出現(xiàn)過保護(hù)狀態(tài)，防腐層出現(xiàn)陰極剝離，降低防腐層的防護(hù)作用;

（2）高溫會明顯增加電化學(xué)的反應(yīng)速度，提升鋼材與涂層間的熱膨脹系數(shù)差異，陰極保護(hù)失效，涂層剝離誘發(fā)點(diǎn)蝕，降低了防腐層的防護(hù)作用；

（3）防腐層破損，金屬基體暴露，陰極保護(hù)電流優(yōu)先流向破損的位置；電解質(zhì)電阻隨距離破損點(diǎn)的增加而增加，電流衰減，形成“屏蔽區(qū)”；

（4）土壤的電阻率隨溫度的增加而降低，提升了電流傳輸效率。高溫可有效加速電解質(zhì)離子運(yùn)動，歐姆極化損失減少，屏蔽效應(yīng)減小;

（5）對防腐層破損點(diǎn)施加陰極保護(hù)，反而加速了腐蝕介質(zhì)對埋地管道的腐蝕;

（6通過在保溫層內(nèi)部直接安裝犧牲陽極和與固體緩蝕劑聯(lián)合防腐可有效提升埋地管道的防腐效率。

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