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埋地油氣管道腐蝕機(jī)理研究及防護(hù)

文檔作者：林新宇吳明程浩力龍世華王鵬文檔來(lái)源： I．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院 2．中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司 3．中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年04月29日
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第4O卷第l期
201 1年1月
當(dāng) 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．40．No．1
January，201 l
埋地油氣管道腐蝕機(jī)理研究及防護(hù)
林新宇 ，吳 明 ，程浩力 ，龍世華 ，王 鵬
(I．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧撫順113001；
2．中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京100085； 3．中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061)
摘 要： 埋地油氣管道的腐蝕一直是油氣儲(chǔ)運(yùn)及集輸工程的一個(gè)重要問(wèn)題。分析了埋地油氣輸送管道腐
蝕的各種形式及主要腐蝕機(jī)理。針對(duì)輸油管道的腐蝕問(wèn)題，從土壤微生物、理化性質(zhì)以及交流電對(duì)管道的腐蝕
影響等方面進(jìn)行了分析。介紹了埋地油氣混輸管道腐蝕防護(hù)的方法：加緩蝕劑、外涂層、內(nèi)涂層和襯里保護(hù)、
陰極保護(hù)法、雜散電流排流保護(hù)等。提出要提高油氣輸送管道的使用壽命，就應(yīng)在合理選擇防腐護(hù)方法的同時(shí)，
加強(qiáng)防腐管道的維護(hù)和保養(yǎng)，這些是管道防腐工作的的重中之重。
關(guān) 鍵詞： 埋地管道；油氣儲(chǔ)運(yùn)；油氣集輸；腐蝕防護(hù)；陰極保護(hù)
中圖分類(lèi)號(hào)： TE 973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671—0460(2011)01—0053—03
Corrosion M echanism of Buried Oil Pipelines and Protection
LINXin-yu ， WU Ming ， CHENG Hao．1i ’。， LONG Shi—hua WANG Peng3
(1．College ofPetroleum Engineering，Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 1 13001，China；
2．China Petroleum Engineering Co．，Ltd．Beijing Company，1 00085，China
3．China university ofpetroleum (East—China)，Shandong Dongying 257061，China)
Abstract：The corrosion of buried oil and gas pipeline has always been a problem for oil and gas storage and
transportation and oil—gas gathering．In this paper，main corrosion forms of buried pipelines and the corrosion
mechanism were analyzed．Then effects of soil microorganism，soil physical and chemical properties and alternating
current on pipeline corosion were also analyzed．Some methods of corosion protection were introduced，such as
adding inhibitor，extemal coating，internal coating and lining protection，cathodic protection，stray current protection
and SO on．To solve the corosion problem ，the methods of corrosion protection must be selected reasonably，and
maintenance of the pipeline must be strengthened，which is the key work in pipeline anticorrosion．
Key words： Buried pipeline；Oil and gas storage and transportation； Oil—gas gathering．；Corosion protection；
Cathodic protection
石油工業(yè)是遭遇腐蝕破壞嚴(yán)重的行業(yè)之一，隨
著我國(guó)大慶、遼河、勝利、華北等油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中
后期，采出液綜合含水率逐漸上升，其較高的礦化
度高及氯離子含量，加之二氧化碳、硫化氫、溶解
氧和硫酸鹽還原菌等微生物以及高溫、高壓、流速
流態(tài)變化等相互作用，管線(xiàn)設(shè)備會(huì)造成嚴(yán)重得內(nèi)腐
蝕。而土壤、雜散電流、微生物等對(duì)埋地管線(xiàn)也會(huì)
造成很大的外腐蝕問(wèn)題。油氣管道腐蝕問(wèn)題遍及油
氣開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)等油氣生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，已成為制約
油氣田安全與降本增效的重要因素。
根據(jù)對(duì)全國(guó)腐蝕調(diào)查提供的典型事例資料 ：
中原油田1993年～1999年6年間腐蝕穿孔28 012
次，年均近5 000次，直接經(jīng)濟(jì)損失5．7億元；勝利
油田腐蝕問(wèn)題造成的管道提前報(bào)廢更換率為2．5％，
每年至少需要換修400 km左右的管線(xiàn)才能確保生
產(chǎn)安全。由此可見(jiàn)，腐蝕給石油工業(yè)帶來(lái)了巨大的
經(jīng)濟(jì)損失，且污染環(huán)境，危害極大，如有不慎，還
會(huì)造成災(zāi)難I生的事故。因此研究管道腐蝕機(jī)理，制
定相應(yīng)的保護(hù)措施，延長(zhǎng)管道的使用壽命，使之安
全、平穩(wěn)地運(yùn)行對(duì)于石化行業(yè)顯得尤為重要。
1 管道腐蝕腐蝕形態(tài)及機(jī)理
1．1埋地管道的腐蝕形態(tài)
根據(jù)管道失效的特點(diǎn)可以把腐蝕缺陷分為均勻
腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)腐蝕三大類(lèi)-z 。均勻腐蝕是指
腐蝕均勻分布于整個(gè)金屬表面，即腐蝕面比較大，
而且腐蝕深度比較均勻，沒(méi)有大的突變。這種腐蝕
缺陷的失效形式主要考慮破裂失效；局部腐蝕是指
收稿日期： 201O-1O一01
作者簡(jiǎn)介： 林新宇(1979一)。男，遼寧撫順人，2003年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士，研究方向：油氣管道完整性
技術(shù)研究。Linxinyull9@126．com。
54 當(dāng) 代 化 工 201 1年1月
腐蝕集中在金屬表面某些區(qū)域(其它區(qū)域則幾乎不
受腐蝕或輕微腐蝕)，其失效形式也主要是破裂失
效；點(diǎn)腐蝕是指腐蝕以小孔的形式分布于管道表面，
表面積比較小，且其直徑與深度尺寸相近，點(diǎn)蝕的
失效形式是穿孔泄漏失效。
以上三種腐蝕形態(tài)的示意圖 見(jiàn)圖1。
(a) 均勻腐蝕
(b) 局部腐蝕
廠_-— ——]
L — — ————． ——．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
(c) 點(diǎn)腐蝕
圖1 腐蝕形態(tài)示意圖
Fig．1 Schem atic diagram of corrosion m orphology
埋地長(zhǎng)輸管道的腐蝕以外腐蝕為主，大面積均
勻腐蝕的情況較為少見(jiàn)，多表現(xiàn)為局部腐蝕和點(diǎn)蝕。
1．2 腐蝕機(jī)理
鋼質(zhì)的腐蝕可分為兩類(lèi) ：化學(xué)腐蝕與電化學(xué)
腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是酸液對(duì)鋼質(zhì)的氧化反應(yīng)；電化學(xué)
腐蝕實(shí)質(zhì)上是一種存在于電解質(zhì)溶液中的氧化還原
化學(xué)反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。油田設(shè)施周?chē)h(huán)境能提
供滿(mǎn)足此類(lèi)化學(xué)反應(yīng)所需的條件，如含有多種無(wú)機(jī)
鹽離子的地層水、注入水充當(dāng)了電解質(zhì)的作用，構(gòu)
成了類(lèi)似于原電池的結(jié)構(gòu)。于是在電解質(zhì)溶液中的
其它離子或物質(zhì)的作用下，陽(yáng)極表面的鐵原子失去
電子成為離子進(jìn)入電解質(zhì)溶液，電子流動(dòng)到陰極表
面被溶液中的氧化性物質(zhì)消耗，從而實(shí)現(xiàn)了腐蝕。
在腐蝕開(kāi)始后，在防腐層縫隙內(nèi)的腐蝕介質(zhì)很
難流通，氧在土質(zhì)中向腐蝕縫隙中擴(kuò)散受阻，致使
縫隙深處和淺處或防腐層破損處之間形成一個(gè)宏觀
的氧濃差電池?？p隙深處是濃差電池的陽(yáng)極，淺處
或防腐層破損處為陰極，在陽(yáng)極有Fe—Fe +2e的
溶解反應(yīng)，陰極有OJ2+H O+2e---*20H一的反應(yīng)，顯
然陰極受到了保護(hù)。這就是管壁漏電部分(即防腐層
脫落處)沒(méi)有嚴(yán)重腐蝕，而周?chē)鷦冸x的防腐層下縫隙
內(nèi)管外壁腐蝕嚴(yán)重的原因 。
陰陽(yáng)極分離，腐蝕產(chǎn)物以及鹽晶的堆積，進(jìn)一
步阻滯了外界的陰極保護(hù)，同時(shí)形成了具有催化作
用的閉塞電池，閉塞電池的形成標(biāo)志著腐蝕進(jìn)人了
發(fā)展階段，以后縫隙內(nèi)的金屬陽(yáng)離子就更難以擴(kuò)散、
遷移出去。
隨著Fe ，F(xiàn)e 離子在縫隙內(nèi)的積累，造成縫隙
內(nèi)正電荷過(guò)剩。土壤中的Cl一與Fe“，F(xiàn)e 離子結(jié)合
并被水解，使腐蝕介質(zhì)微觀局部酸化，腐蝕速度加
快，然后腐蝕環(huán)境又會(huì)進(jìn)一步酸化，因而形成一個(gè)
自催化過(guò)程。腐蝕速度隨著時(shí)間的推移而加快，這
就是埋地管道腐蝕速度比既沒(méi)有防腐層保護(hù)又沒(méi)有
陰極保護(hù)的試驗(yàn)埋片的腐蝕速度大的原因。
1．3 管道的典型腐蝕類(lèi)型
金屬腐蝕是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。首先是環(huán)境
介質(zhì)的組成、土壤微生物、理化性質(zhì)等千差萬(wàn)別，
土壤的含水量、含鹽量、pH值等都會(huì)對(duì)腐蝕產(chǎn)生巨
大影響 ；其次是金屬材料的化學(xué)成分、組織機(jī)構(gòu)、
表面狀態(tài)各式各樣；另外金屬材料受力狀態(tài)、交直
流電干擾、輸送液體的性質(zhì)等，都是造成金屬腐蝕
的重要因素。
1．3．1 土壤的微生物腐蝕
當(dāng)埋地管道的有點(diǎn)狀腐蝕時(shí)，會(huì)出現(xiàn)黑色硫化
亞鐵圍著白色糊狀氫氧化亞鐵的現(xiàn)象，這是管道下
面一般都存在著硫酸鹽還原Ⅲ。這類(lèi)細(xì)菌喜好透氣
性差、潮濕、有硫酸鹽和腐爛植物的有機(jī)質(zhì)的土壤。
鋼管與土壤中的水分接觸時(shí)，發(fā)生反應(yīng)在鋼管表面
形成一層很薄得保護(hù)膜，當(dāng)氧耗盡時(shí)，這個(gè)過(guò)程停
止，當(dāng)有厭氧菌存在時(shí)，反應(yīng)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。細(xì)菌將
硫酸鹽還原成硫化物，其與鋼管表面形成的氫膜相
互作用，消耗掉氫膜從而使得金屬溶解，造成管道
腐蝕失效。
1．3．2 土壤氧氣濃度差腐蝕
埋地管道因土壤密度的差異，導(dǎo)致管道周?chē)?
氣濃度存在不同，氧濃度差是引起管道局部腐蝕的
主要因素之一，其作用機(jī)理為 ”：由于輸送介質(zhì)中
氧的含量不同，氧濃度差產(chǎn)生電位差，貧氧區(qū)的管
道電極電位較負(fù)，則構(gòu)成電池的陽(yáng)極而加速腐蝕；
富氧區(qū)的管道電極電位較正，則構(gòu)成電池的陰極，
從而減緩腐蝕。對(duì)于大口徑管道，由于管道頂部土
壤較干燥，透氣性良好，而管道底部較潮濕，透氣
性差，因此管道底部的對(duì)地電位低于管道頂部的電
位，底部形成了陽(yáng)極區(qū)域而發(fā)生腐蝕，管道腐蝕多
發(fā)生在管道的2～4點(diǎn)鐘和8～10點(diǎn)鐘位置。
1．3．3 交流電對(duì)管道的腐蝕影響
在管道大修的中，常會(huì)發(fā)現(xiàn)位于電流干擾處(變
電所附近或高壓線(xiàn)下)的金屬管道較其它管段腐蝕
嚴(yán)重，且大部分為點(diǎn)蝕，嚴(yán)重的出現(xiàn)滲油，瀕臨穿
孑L。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)e 有交流電存在時(shí)，碳鋼腐蝕電位向
活化的方向移動(dòng)，而且電位值隨著電流密度的增大
第40卷第1期 林新宇，等： 埋地油氣管道腐蝕機(jī)理研究及防護(hù) 55
而增大。同時(shí)交流電還使鈍化電流密度增加，而這
種情況又與向溶液中增加氯離子的濃度反應(yīng)相類(lèi)
似。這是因?yàn)槁入x子的增加將會(huì)生成大量的氯化鈉，
直接溶解金屬表層的鈍化膜，多數(shù)自然條件下的點(diǎn)
蝕正是氯離子造成的。
l3．4 管道應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕
工藝管道在高溫、高壓工況下運(yùn)行，工藝流程
切換頻繁，會(huì)導(dǎo)致管道應(yīng)力分布不均。當(dāng)管道防腐
層大修時(shí)，管道的自然下沉?xí)斐蓚€(gè)別部位應(yīng)力集
中。
1．3．5 金屬材料不均勻性腐蝕
管材的不均勻性會(huì)造成電位差，改造后的管道
的金屬材料與原管材金屬在成分上存在著差異，即
產(chǎn)生了電位差。另外，由于個(gè)別管段改線(xiàn)，新老不
同材質(zhì)的管道相連，新管道的電位比16Mn鋼管道
的電位負(fù)，會(huì)產(chǎn)生電位差而形成陽(yáng)極區(qū)域，易發(fā)生
管體腐蝕，因此要隨時(shí)跟蹤管道的腐蝕狀況 。
1．3．6 其他原因腐蝕
石油的主要組成是各種烷烴，環(huán)烷烴和芳香烴
等，它們并不腐蝕金屬設(shè)備，但是石油中若含有雜
質(zhì)，如無(wú)機(jī)鹽、硫化物、氮化合物、有機(jī)酸、氧、
二氧化碳和水分等，盡管含量很少，危害卻很大。
因?yàn)樗鼈冊(cè)诩庸み^(guò)程中有些本身是腐蝕性的介質(zhì)，
另一些也會(huì)在加工過(guò)程中轉(zhuǎn)化為腐蝕性介質(zhì)。此外，
在原油煉制中加入的水分，氫氣及酸堿化學(xué)藥品也
會(huì)形成腐蝕介質(zhì)，從而加速設(shè)備的腐蝕哆 。
2 輸油管道腐蝕控制
2．1 藥劑防腐技術(shù)
2．1．1 加殺菌劑
此方法成本低，效果較好，既可在單井井口加，
也可以在管道系統(tǒng)內(nèi)加。在一些以SRB腐蝕為主的
油套管內(nèi)，’加殺菌劑可有效防腐。
2．1．2 加緩蝕劑
加緩蝕劑是減少腐蝕的主要方法之一，大部分
緩蝕劑具有成本低、性能穩(wěn)定、功能性強(qiáng)、效果明
顯的特點(diǎn)。不同的緩蝕劑各有不同的作用機(jī)理，緩
蝕劑通過(guò)氧化反應(yīng)、沉淀反應(yīng)或吸附作用，產(chǎn)生氧
化膜、沉淀膜、吸附膜阻止鋼鐵的腐蝕。例如，針
對(duì)地層水含HS、CO 等酸眭氣體和強(qiáng)酸弱堿鹽而引
起的腐蝕，酸性介質(zhì)緩蝕劑可有效地抑制腐蝕 。
由于酸性介質(zhì)(如H s)遇水電離出腐蝕性的H+，H+
當(dāng)遇到此類(lèi)緩蝕劑時(shí)，與緩蝕劑形成帶正電性的有
共軛電對(duì)的物質(zhì)，此物質(zhì)能在鋼鐵表面吸附，使表
面帶正電，排斥了酸中的H 靠近鋼鐵表面，從而使
腐蝕受到抑制，如一些含氮、含氧、含硫化合物，
都屬于此類(lèi)緩蝕劑。
2_2 表面處理技術(shù)
良好的基層是防腐工程的基本保證。金屬管道
壽命在很大程度上取決于防腐質(zhì)量，防腐質(zhì)量又在
很大程度上取決于涂層與基體的粘接程度，而粘結(jié)
程度又取決于管道表面處理質(zhì)量。在除銹質(zhì)量、涂
層厚度和施工條件諸因素中，除銹質(zhì)量對(duì)整個(gè)防腐
質(zhì)量和管道使用壽命的影響是最大的 ”。長(zhǎng)期生產(chǎn)
實(shí)踐證明：除銹質(zhì)量好的比除銹質(zhì)量差的或未經(jīng)除
銹處理的防腐涂層的使用壽命要長(zhǎng)3～5倍。因此，
在防腐施工之前，必須將鋼管、容器表面的氧化皮、
鐵銹徹底除掉。
2．3 涂層防腐蝕技術(shù)
2．3．1 外涂層防腐
外涂層采用外涂層使鋼管與土壤等腐蝕環(huán)境隔
絕是埋地管道防腐的基本手段 ，包括：①熔結(jié)環(huán)
氧粉末(FBE)防腐層；②雙層、三層PE防腐層；③
雙層環(huán)氧粉末防腐層；④煤焦油瓷漆防腐層；⑤石
油瀝青防腐層；@HPCC涂層體系。
2．3．2 內(nèi)涂層和襯里保護(hù)技術(shù)
內(nèi)涂層和襯里保護(hù)較常用的內(nèi)涂層有聚乙烯粉
末涂層、環(huán)氧樹(shù)脂粉末涂層 。也有采用可耐300
℃左右高溫的熱噴玻璃防腐的新工藝，使管內(nèi)的硫
化氫等酸性氣體無(wú)法與碳鋼接觸 。采用環(huán)氧液體
涂料內(nèi)擠涂工藝以及環(huán)氧粉末涂裝，可對(duì)遭受?chē)?yán)重
腐蝕的管道進(jìn)行返修。
2．4 陰極保護(hù)法
陰極保護(hù)有兩種方法” ：犧牲陽(yáng)極法和強(qiáng)制電
流保護(hù)法。對(duì)于大口徑的長(zhǎng)輸管道，國(guó)內(nèi)多采用強(qiáng)
制電流為主、犧牲陽(yáng)極為輔的陰極保護(hù)方法。為防
止陰極保護(hù)電流的流失，在工藝站場(chǎng)的管道進(jìn)、出
口處設(shè)置電絕緣裝置。為防止管道防腐蝕層或絕緣
接頭遭受雷擊或電力故障而引起破壞，在絕緣接頭
位置安裝鋅接地電池。在大型河流穿越段的兩岸邊
各安裝一組鋅合金犧牲陽(yáng)極以加強(qiáng)保護(hù)?。
3 結(jié)論
埋地管道所處的土壤環(huán)境比較復(fù)雜，管道內(nèi)輸
送具有腐蝕性質(zhì)的帶溫帶壓的油氣介質(zhì)，防腐難度
不容小視，而且對(duì)應(yīng)的管道防腐方法也多種多樣。
對(duì)于不同的腐蝕原因，需要選擇適當(dāng)?shù)母g防護(hù)方
法，選擇不當(dāng)將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。然而，無(wú)論采
用哪種防腐護(hù)技術(shù)都不會(huì)是一勞永逸的。隨著管道
埋地時(shí)間的增加，防腐涂料也會(huì)逐漸(下轉(zhuǎn)第59頁(yè))
第40卷第1期 鄭振偉，等：沸騰床渣油加氫脫金屬工藝條件的研究 59
表2 不同原料對(duì)渣油脫金屬的影響
HD
3
Table 2 The effect ofdifferent feedstocks on DM ratio
結(jié)?論一
在反應(yīng)條件基本相同的條件下，分別以原料一
和原料二為進(jìn)料進(jìn)行沸騰床加氫反應(yīng)。從表2可以
看出，原料二的脫金屬率比原料一低34．88％。
渣油中的金屬雜質(zhì)主要分布在膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組
分中，瀝青質(zhì)組分中的鎳和釩金屬含量高于膠質(zhì)組
分，瀝青質(zhì)組分含有較多的金屬雜質(zhì)，一方面是金
屬絡(luò)合化合物存在于大分子芳香稠環(huán)體系中；另一
方面小分子的卟啉核由于強(qiáng)極性也會(huì)吸附或包裹于
瀝青質(zhì)分子中 。瀝青質(zhì)組分脫金屬比膠質(zhì)組分更
難，這是因?yàn)槟z質(zhì)分子小容易擴(kuò)散至催化劑內(nèi)部，
脫除的N；和V沉積在催化劑孔道深處；而瀝青質(zhì)
分子較大，它的擴(kuò)散速度比膠質(zhì)慢得多，并且它的
空間阻礙也較大，不易進(jìn)入催化劑孔道內(nèi)，金屬脫
除相對(duì)較困難。從表1可以看出原料二的瀝青質(zhì)含
量是原料一的5倍多，瀝青質(zhì)組分中的金屬很難脫
除，所以原料二的脫金屬率比原料一低。
另外，渣油加氫處理過(guò)程是受擴(kuò)散控制的，原
料油的粘度對(duì)反應(yīng)過(guò)程有很大影響。從表1實(shí)驗(yàn)原
料的性質(zhì)可以看出，與原料一相比，原料二密度大、
粘度高。原料二的粘度越大，擴(kuò)散阻力就越大，加
氫反應(yīng)速率就越慢，在相同的反應(yīng)條件下，金屬脫
除率就越低。由此可知，不同的原料性質(zhì)對(duì)沸騰床
渣油加氫脫金屬率影響很大。
隨著反應(yīng)溫度的增加，沸騰床渣油加氫脫金屬
率呈上升趨勢(shì)。而隨著空速的增加，脫金屬率呈下
降的趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)顯著。隨著氫油體積比的增
加，脫金屬率先隨氫油體積比的增大而提高，達(dá)到
一個(gè)最佳反應(yīng)區(qū)(氫油體積比450～550)后，又隨
氫油體積比的增大而降低。
在反應(yīng)條件基本相同的條件下，渣油的粘度和
瀝青質(zhì)含量對(duì)沸騰床渣油加氫脫金率影響顯著。
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化，腐蝕會(huì)成為管道破壞的主要根源?？傊?。為提
高油氣輸送管道的使用壽命，在合理選擇防腐涂層
及防腐方法的同時(shí)，加強(qiáng)防腐管道的施工、維護(hù)和
保養(yǎng)水平是重中之重。
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