天然气管道腐蚀与防腐分析.pdf

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1、第4 2 卷第 5 期 2 0 1 3 年 5月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 4 2 N o 5 M a y，2 0 1 3 天然气管道腐蚀与防腐分析 范开峰 ，王卫强 ，孙 瑞 ，金春旭 ，黄 玲 ，石海涛 ，万宇飞 ( 1 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 中国石油大学( 北京) ，北京 1 0 2 2 4 9) 摘 要：腐蚀对管道系统的可靠性和使用寿命起到关键作用 ，油气集输管线的失效形式主要表现为腐蚀失 效。每年因腐蚀引发的事故不胜枚举 ，造成经济损

2、失和人员伤亡的严重后果。从管道内外壁腐蚀两个方面论述 了导致天然气管道腐蚀的原因，并有针对性的提出了预防腐蚀的措施。为天然气管道实际防腐提供了必要参考 和理论依据。 关键词 ：天然气；管道腐蚀；危害；预防措施 中图分类 号 ：T E 6 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 3) 0 5 0 6 5 3 0 4 An a l y s i s o n Co r r o s i o n a n d An t i c o r r o s i o n o f Na t u r a l Ga s P i p e l i n e s F A NKa i -f

3、e n g ， W A NG W e i q i a n g ， S U N - R u i ， J I N C h u n - x u ， HU A NG - L i n g ， S H I Ha i t a p ， W A NY u -f e i ( 1 L i a o n i n g S h i h u a U n i v e r s i t y , L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a ； 2 C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m( B e i j i n

4、 g ) ， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ) Ab s t r a c t ： Co r r o s i o n i s c r u c i a l t o t h e r e l i a b i l i ty a n d s e r v i c e 1 i f e o f p i p i n g s y s t e m t h e ma i n f a i l u r e mo d e o f g a s a n d o i l p i p e l i n e s i S c o r r o s i o n f a i l u r e Th e n u mb e r

5、o f a c c i d e n t s c a u s e d b y c o r r o s i o n i s t o o n u me r o u s t o e n u me r a t e e v e r y y e a r , wh i c h c a u s e s s e r i o u s e c o n o mi c 1 o s s e s a n d c a s u a l t i e s I n t h i s P a D e r , r e a s o n s t o c a u s e c o rro s i o n o f n a t u r a 1 g a

6、s p i p e l i n e s we r e a n a l y rz e d f r o m t wo a s p e c t s o f i n s i d e a n d o u t s i d e Wa l 1 c o r r o s i o n a n d a n t i c o r r o s i o n m e a s u r e s we r e p u t f o r wa r d ， wh i c h c a r l p r o v i d e n e c e s s a r y r e f e r e n c e s an d t h e o r e t i c

7、a l b a s i s f o r a c t u a l a n t i c o r r o s i o n wo r k o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e s Ke y wo r d s ： Na tur a l g a s ； P i p e l i n e c o rro s i o n ； Da ma g e ； P r e v e n t i o n m e a s ur e s 随着我国经济的发展和绿色环保观念的增强， 天然气作为一种清洁能源其需求量越来越大，天然 气管道作为连接上游生产和下游用户的纽带 ，必将 进入快速发展阶段。

8、以西气东输、川 I 气东送和中俄 管线等工程为标志，我国已经进入油气管道建设的 高峰期。管道输送天然气具有安全快捷 、损耗少 、 无污染 、成本低等优势 ，故现阶段天然气资源主要 依靠埋地管道输送方式来实现，管材一般为钢管。 对于埋地管线而言，腐蚀问题始终是贯穿其安全生 产的重要因素” 。 天然气管道大都处于复杂的土壤 环境中，其腐蚀性随所输送物质性质的不同而异。 一旦管道腐蚀失效 ，就会造成油气资源泄漏 ，使得 运输中断 ，造成经济损失和人员伤亡的严重后果 。 对我国天然气管道运输特点及腐蚀现状进行深入研 究 ，掌握管道腐蚀规律并应用相关措施加以控制 ， 能够有效减缓石油化工设备的腐蚀速率，

9、延长其使 用寿命。对确保我国石油化工管道设备安全运行和 经济健康发展都具有十分重要的现实意义。 1 天然气管道外腐蚀 多斯、塔里木和准噶尔等盆地 ，天然气管道在铺 设过程 中会经过复杂多变的地质地貌环境 ，外部环 境对天然气管道造成的腐蚀主要有土壤腐蚀 、大气 腐蚀和海水腐蚀等 。 1 1 土壤腐蚀 土壤是具有 固、液 、气三相的多孑 L 性胶质体 ， 其 中的土壤空隙被气体和溶液充满 ，具有离子导电 性 。由于管道所埋土壤各处的物化性质不 同、管道 各部分 的金相结构不 同，其中还存在着数量不等的 若干种土壤微生物，因此，土壤腐蚀的影响因素众 多 ，主要有 ： ( 1 ) 土壤性质。孔隙度的

10、影响；土壤含水率 的影响； 电阻率的影响； p H值的影响； 含盐 量的影响。含气量的影响；电位梯度的影响。 ( 2 ) 杂散电流。流散于土壤 中的杂散电流会加速 管道电化学腐蚀，其作用类似于电解杂散电流从原 油管道受电气化铁路的杂散电流腐蚀。 ( 3 1 土壤微生物 。如硫酸盐还原菌 ，它将溶解的 硫酸盐转化为硫化氢，使得土壤酸性增强，进而和 铁作用生成硫化亚铁，加速了腐蚀速度。 我国大型气田主要集中在四川、渤海湾、鄂尔 ( 4 ) 温度。 温度对腐蚀速度影响很大， 通常温度每 基金项 目：辽宁省教育厅科学研究基金，项 目号：L 2 0 1 1 0 5 4 。 收稿 日期 ：2 0 1 2

11、- 1 1 - 0 7 作者简介 ：范开峰 ( 1 9 8 7 一) ，男，辽宁抚顺人，在读硕士研究生，2 0 1 1年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：从事石油、 天然气储存运输安全技术方面工作。E - m a i l ：f k f 5 2 6 6 1 6 3 c o m 。 化 工 2 0 1 3年 5月 升高 2 0 ， 腐蚀速度加快 1 倍 ， 当土壤 p H值在 5 9 范围、温度在 2 5 3 0 范围时腐蚀最为严重 。 1 2大气 腐蚀 大气腐蚀是金属腐蚀中最普遍的一种，我国油 气资源分布地区辽阔 ，气候条件差异大，导致不 同 地区的管道腐蚀速率不同。 在含有硫化

12、物、 氯化物、 煤烟、尘埃等杂质的环境中金属腐蚀会大大加重。 如钢在海岸上的腐蚀速度要 比在沙漠 中大 4 0 0 5 0 0倍 ，离海岸越近 ，腐蚀也越严重。按暴露场地 所处地区环境通常把大气腐蚀分为工业性大气 、海 洋性大气 、农村大气 、城郊大气等，造成大气腐蚀 的主要成分是水和氧，其中的水汽含量是决定腐蚀 速率的主要因素 。 1 3 海水腐蚀 海水是典型的电解质溶液 ，其中包含有地球上 几乎所有的化学元素 ， 成分复杂 。 主要影响因素有 ： ( 1 ) 盐含量 。含盐量直接影响到水的导 电率和含 氧量 ，因此必然对腐蚀产生影响。 ( 2 ) 溶解氧。大多数金属在海水中的腐蚀受氧去 极

13、化的作用控制 ，溶解氧的多少是海水腐蚀的重要 因素。 ( 3 ) 温度。温度升高会加快油气管道的腐蚀速度， 通常海水温度每升高 1 0 ，化学反应速度就会提 高大约 1 4 ，金属管道腐蚀速度大约增加一倍。 ( 4 ) p I -I 值。 海水表层通常比深海对钢的腐蚀性大， 但是在深海地区，p H值随着深度 的增加而减小 ， 腐蚀速度加快。 ( 5 ) 海洋生物。海洋微生物 由于生命活动会释放 出氨 、二氧化碳和硫化氢等 ，其结果是间接地影响 金属的电化学过程，使腐蚀加速。 2 天然气管道内腐蚀 油气管道 内壁与输送介质直接接触 ，但输送介 质中常混杂有许多腐蚀性杂质 ，如高矿化度的水 、 溶

14、解氧 、二氧化碳 、硫化氢 、硫酸盐还原菌和氯离 子等 ，在温度 、压力 、流速及交变应力等因素交错 作用下，使得钢管内壁腐蚀严重 。据统计，管 道内腐蚀造成的事故远远比管道外腐蚀造成的事故 多 ，应引起 足够重视 。影响内腐蚀 的因素主要有如 下几方面： 2 1 多相流冲刷腐蚀 天然气管道中 的饱和天然气在压力降的作用 下会 出现 自由液相 ，且管道 中通常会混有一定量 的 固体杂质，导致管道中出现气、固、 液三相共存的 状态。冲刷腐蚀是冲刷和腐蚀共同作用而引起的钢 铁表面损伤现象，主要由较高流速引起，当腐蚀性 液体中含有固体颗粒 ( 如不溶性盐类、砂粒、钻井 液等 ) 就更容易产生这种破坏

15、作用 。与单相介质 相比，多相介质对管道腐蚀情况更复杂 ，受流速 、 流态影响大 ，在气体流速较高时 ，管道 内的腐蚀产 物被直接 冲击的气流带走 ，导致新 的金属面不断裸 露， 从而加速了腐蚀过程，曾经发生过多次由于气 流冲击而导致弯头处管壁减薄引起 的泄漏事故“ 。 2 2 高温高压腐蚀 在油气井方面，随着采油深度 、采油压力和温 度的显著提高，油气管道多在高参数工况下工作 。 在高温高压条件下，材料的腐蚀规律和腐蚀机理往 往不同于常温常压下的情况。温度的升高不但能提 高酸与管道的反应速率 ，同时也能加快土壤硫化物 对管外壁的腐蚀速率，是管道腐蚀的重要因素。但 当温度超过 7 0时 ，腐蚀

16、速率增长程度缓慢 ，而 压力的增加会提高酸性物质的活性 ，从而提高其与 金属的反应能力。通常情况下 ，高温高压容易导致 材料更严重的腐蚀， 但有时高温状况有助于材料抗 介质腐蚀能力的提高， 比如大于 1 0 0 时材料不会 发生硫化物应力腐蚀破裂。 2 3 酸性气体及 0， 和 Cr腐蚀 酸性油气通常指的是湿的含有 H ： S 、 C O 等酸性 组分的油气 。H： s和 C O ： 是引起酸 I生油气环境下金 属腐蚀的最危险因素， 在管道表面将发生电化学腐 蚀 。 f 1 )化学腐蚀 当管道内的溶液呈酸性时，酸性溶液中会水解 出 H _ ，并发生如下反应 ： 2 H +Fe F e +H f

17、 1 ) 当酸性化学腐蚀发生后，管道表面的固有保护 膜会遭到破坏，使得腐蚀介质进入金属晶体内部， 进而产生 电化学腐蚀。 f 2 )电化学腐蚀 当发生电化学腐蚀时 ，会形成腐蚀原电池 ，其 阳极过程为金属的溶解反应 ： F e F e +2 e ( 2 ) 阴极发生氢去极化反应。其中，H ： s的氢去极 化阴极腐蚀过程为： H， S HS 一 +H ( 3 ) H S S 一+H f 4 ) 2 H +2 e H，T( 或进入金属) ( 5 ) C O 的氢去极化阴极腐蚀过程为： C0 +H 0 H， CO HC0 一 +H ( 6 ) 第 4 2卷第 5期 范开峰， 等： 天然气管道腐蚀与防

18、腐分析 6 5 5 2 H +2 e H， 厂 f 7 ) 0， 腐蚀是氧去极化腐蚀 ( 吸氧腐蚀 ) ， 其阴极 反应在酸碱性溶液中的过程为 ： 弱酸陛溶液 ： O， +4 H +4 e 2 H， O ( 8 ) 中性和碱性溶液 ： O， +2 H， O+4 e 4 OH一 ( 9 ) c l 一 本身带有负电荷， 基于电荷平衡原理， 其会 优先吸附到钢铁表面。因此 ，C 1 一 的存在会阻碍保护 性的硫化铁膜的形成 ，c l 一 可以渗入到硫化铁膜内 部 ，使膜发生显微开裂并进而形成孔蚀核 ，加速了 孔蚀破坏，起到了催化腐蚀发生的作用。 大部分天然气管道经过长期运行，其内部很难 处于绝对干

19、燥的环境 ，只要有少量的水存在 ，便会 产生电化学腐蚀。如上所述 ，可概括为 H ： S 、C O 和 0 是腐蚀剂， C 1 一 相当于催化剂， 而水则是反应载 体。在实际情况中，钢管的电化学腐蚀过程远 比上 述反应复杂 ，且阴极反应过程 的腐蚀产物也随着杂 质的不同而变化” 。 3 天然气管道腐蚀预防措施 3 1 外腐蚀防护措施 针对 油气管道腐蚀 的严 重性和影响因素 的复 杂多变性，必须对埋地天然气管道进行防腐保护， 以延长管道寿命并提高其运行的安全可靠性。 目前， 防止天然气管道外腐蚀的通用办法是采用外防腐涂 层和阴极保护联合防护措施。外防腐涂层是主要防 腐手段 ， 而阴极保护通常作

20、为涂层防腐的补充手段。 外防腐层与阴极保护技术复配的有效性依次为环氧 煤沥青 、石油沥青 、熔结环氧 、煤焦油瓷漆 、二层 P E、三层 P E ，其特性如表 1 所示。 表 1 外防腐层特性表 Ta bl e 1 The c har a c t e r i s t i c s of out s i de an t i c or r o s i on l a y er 材料名称 推荐标准 防腐层条件 成型工艺 优点 缺点 适宜使用地区 环氧煤沥青 Y 底漆 + 玻冷涂缠绕好， 瀛蓑 ： 薷 细 蔷 冲 击 有 榘 篙 豢 渍 、 墨 矗蘧 植物根系能力强 线 环境 中使用 沥 磊 绕 笋 黼环

21、 一 末鬻 豢 嚣 箍瞿 煤焦油瓷漆 煤焦油瓷漆S Y T 0 0 7 9 9 7 玻璃网布+ 玻 璃毡 耐化学介质能力强，抗水性优 热涂缠绕 良，抗细菌和植物根系能力强 ，价 格较低，易修补 其无毒 ，具有优 良的耐低温性 二 腓s Y T 4 胶 粘 嚣 聚 乙 琶 瞿 ?。 吸水性小且化学稳定性高 耐温性差 ，且易受植 方地区使用 - 2 0 墓 -40 - 100 高 ， 易 造 成 机 械 损 伤 ， 罂 且 价 格 较 高 基 毒 黍 箨 旱 + 温 差 孽 适 用 于 沼 泽 曩 差 建 寞 机 堡土 壤 苄 - 2 0 7 0 定 茬 ； 影响且不耐紫外线 琵 藜 攀 质 量

22、辫 豢 较强的抗机械损伤能力 ，且抗阴极 地段长输管线使 阴极保 护主要有外加 电流法和牺牲 阳极法两 种 _ 。 ( 1 ) J , b D N 电流保护法 。将被保护管道与J b D i 直流 电源负极相连 ，而把另一辅助 阳极接到 电源 的正 极 ，在管道和辅助 阳极间建立较大的电位差。便于 调节电流和电压，具有保护距离长且保护距离可调 和使用范围广等优点。 ( 2 ) 牺牲阳极保护法。在待保护管道上连接更低 电位的金属或合金，从而形成一个新的腐蚀电池。 保护原理是用电极电势比被保护金属更低的金属 或合金作为阳极，使其形成腐蚀电极 ， 被保护金属 作为阴极而得到保护 。适用于电流需求量很

23、小 的裸 管或给有涂层管道外露部位提供阴极保护。 通常把牺牲阳极法作为J ,b D i 电流法的补充，两 种方法结合使用。 3 2内腐蚀防护措施 输送管道 内腐蚀控制要根据现场情况 、管道输 送介质性质等各方面参数，选择快速有效、经济可 靠的内保护措施。 ( 1 ) 涂内防腐层。 涂内防腐层的目的是在管道内壁 6 5 6 当 代 化 工 2 0 1 3年 5 月 和流体介质之间形成有效隔离层， 不使腐蚀f生 物质与 金属壁面直接接触 ， 达到减缓管道内腐蚀的目的。其 中，环氧粉末 、聚氨酯等是典型的代表性材料。 (2 ) 添加化学药剂。在流体介质中添加少量能够 阻止或减缓金属腐蚀的化学药剂，

24、如缓蚀剂、杀菌 剂和阻垢剂等，以减少流体介质对金属的腐蚀。其 中，缓蚀剂减缓管道腐蚀的机理在于缓蚀剂能够通 过其分子上极性基团的物理 、化学吸附作用 ，吸附 在金属表面上以形成保护膜 ，从而减小腐蚀速率 。 4 结束语 我国每年因天然气管道腐蚀造成的经济损失 和人员伤亡事故报导屡见不鲜 ，在我国油气管道事 业蓬勃发展 的同时 ，必须充分认识到腐蚀问题的严 重性。 分析了天然气管道内、外壁腐蚀原因与机理， 天然气管道腐蚀受到诸多内、外环境因素的影响， 是一个错综复杂的过程。其中，内腐蚀失效是造成 管道失效的主要形式 。提出了具体的管道内、外壁 防腐保护措施。为实际中的管道规划设计和防腐工 作提供

25、了一定的理论依据与参考。 参考文献 ： I Mi a o C h e n g w u ， L u Q i mi n T h e p l a n n i n g o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e i n d u s t a n d c o r r o s i o n p r o t e c t i o n t e c h n i q u e i n C h i n a C P r o c e e d i n g s o f t h e 2 n d C h i n a I n t e r n a ti o n a l C o r r o s i o n

26、 C o n t ml C o n f e r e n c e ( C I C C 2 0 0 2 ) ：1 8 2 6 2 袁英 ，高强生 ，刘义 天然气管道腐蚀分析与对策 J 油气 田地面 工程，2 0 1 1 ，3 O( 8) ：4 5 3 杨锦林 ，颜慧敏 ，刘磊 ，等 天然气管道腐蚀与防护系统 油气 田地面工程 ，2 0 1 1 ，3 0( 1 2) ：4 8 5 0 4 刘佳 天然气管道的腐蚀原因及防治措施J 内江科技 ， 2 0 1 2 ， ( 6) ： 1 0 4 1 0 5 5王勇 ，张智亮 ，张红霞，等天然气管道腐蚀失效分析【 J J 化工装 备技术 ，2 0 0 8 ，2

27、 9( 5 ) ：5 3 5 4 6 岑芳 ，李治平 ，赖枫鹏 ，等中国含硫天然气资源特点及前景I J 新疆石油天然气 ，2 0 0 6 ，2( 4) ：1 - 3 7 徐伯文 浅析天然气管道腐蚀与防护【 J 中国科技纵横 ， 2 0 1 1 ， ( 8) ： 3 2 9 - 3 2 9 8 吴锡合 西气东输新疆段压气站埋地管道腐蚀与防腐技术研究【 D 】 成都：西南石油大学 ，2 0 1 0 9寇杰 ，梁法春，陈婧油气管道腐蚀与防护【 M 北京 ：中国石化 出版社 ，2 0 0 8 1 0 杨筱蘅 油气管道安全工程 M 北京： 中国石化出版社 ，2 0 0 5 【 1 1 j B u l l

28、 a r d S J ， C o v i n o B S J r ， C r a me r S D， e t a1N a t u r a l G a s T e c h n o l o g i e s 2 0 0 5 C S o i l c o rr o s i o n mo n i t o ri n g n e a r a p i pel i n e u n d e r CP F l o rid a ：Na l u r a l Ga s I n s t i t u t e2 0 0 5 ： l 一 1 1 1 2 范志刚 ，李翠楠，王燕 ，等 流速对天然气输气管道腐蚀 的影响 规律研究阴 钻

29、采工艺 ，2 0 1 0 ，3 3( 2) ：8 8 9 0 1 3 周虹伶 ， 曹辉祥天然气管道腐蚀研究 J 】 内蒙古石油化工， 2 0 0 9 ( 1 3 ) ：5 - 6 1 1 4 Me d v e d e v a M L ，G u r y a n o v V V O n t h e c o rr o s i o n s t a t e o f p l ant s f o r p u ri f y i n g n a t u r a l g a s f r o m a c i d c o m p o n e n t s J P r o te c t i o n o f me t a

30、l s 2 0 0 2 ，3 8 ( 3 ) ：2 8 4 - 2 8 8 1 5 袁赓油气管道的腐蚀及预测研究 D 】 大连： 大连理工大学 ， 2 0 1 1 1 6 郑卫京 天然气长输管道腐蚀特性及控制对策 J 全面腐蚀控制 ， 2 0 0 1 ，1 5( 1 ) ：4 7 1 7 杜存臣， 林慧珠天然气管道的环境腐蚀与防护 J 1 化工装备技术 ， 2 0 o 4 2 5( 2) ：6 3 6 6 1 8 杭广艳 浅析天然气管道腐蚀原因及其防护方法 J 经济技术协作 信息，2 0 1 2( 5 ) ：9 6 9 6 ( 上接 第6 5 0 页 ) ( 3 ) P R 方程在进行密度 、

31、粘度计算时具有较好 的精度，完全可以满足工艺流程模拟的精度要求 。 参考文献 ： 1 I S Me l a a e n ， G O w r e n H o w D o T h e I n a c c u r a c i e s o f E n t h a l p y a n d Va p o u r - Li q u i d Eq u i l ib riu m C a l c u l a t i o n s I n fl u e n c e B a s e l o a d L NG P l a n t D e s i g n J C o m p u t e r s C h e m i c a

32、l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 6 ， 2 0 ( 1 ) ： 1 1 1 2 J K J o h n s o n ， RL R o w le y A p p l i c a t i o n o f a n E x t e n d e d L e e - K e s l e r C o rre s p o n d i n g - S t a t e T e c h n i q u e t o P r e d i c t i o n o f Va p o r L i q u i d E q u i l i b r ia i n Mu h i c o m p o n

33、 e n t M i x t u r e C o n t a i n i n g P o l a r C o m p o n e n t J I n t e rna t i o n a l J o u r n al o f T h e r m o p h y s i c s ， 1 9 8 9 ， 1 0 ( 2 ) ： 4 7 9 - 4 9 2 3 J Z h a n g C h a o ， e t a 1 A F o u r - P a r a me t e r E x t e n s i o n o f Mo d i fi e d L E E K E S L E R E q u a t

34、 i o n o f S t a t e J C h e m i c a l E n g i n e e r i n g C o mm u n i c a t i O I l S ， 1 9 8 5 3 ： 1 ， 1 0 7 1 1 8 4顾安忠， 等 液化天然气技术 M1北京：机械工业出版社， 2 0 0 3 5 赵红玲等译气 液物性估算手册【 M】 北京：化学工业出版社， 2 0 0 6 6陈则韶 高等工程热力学 M 北京： 高等教育出版社， 2 0 1 0 7 F l o r i a n D a u b e r ， R o l a n d S p a n A c h i e v i n g H i g h e r A c c u r a c i e s for P r o c e s s S i mu l a t i o n s b y I mp l e me n t i n g t h e Ne w R e f e r e n c e Eq u a t i o n f o r N a t u r a l G a s e s J C o mp u t e r s and C h e mic a l E n g in e e r i n g 2 0 1 0 ， 3 2 ： 1 0 1 0 1 1 0 7