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天然气管道腐蚀与防护

日期:2023-12-26    来源:天然气智库Plus

国际燃气网

2023
12/26
15:36
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关键词: 天然气管道 天然气运输 油气泄漏

石油与天然气管道受到自身管材质量、运输介质、铺设环境和管理设计的影响,管道的腐蚀在所难免,这将增加油气泄漏的风险,油气泄漏会对人体、环境和经济带来巨大的危害。探讨了 防腐蚀技术, 包括阴极保护法、缓蚀剂技术、防腐涂层技术、补口技术和复合管技术;介绍了常用的腐蚀检测技术,包括磁力检测技术和超声导波技术;对腐蚀预测技术以及现今的一些研究成果进行了 分类和总结;指出中国的防腐、检测和预测技术仍有很大的提升空间,环保、高效和适应苛刻环境的腐蚀防护技术与智能化的腐蚀检测技术是未来重要的研究方向。

由于油气分布于与市场分布不一致,需要进行资源的调配。管道运输与其他运输方式相比,具有 成本低、效率高、建设周期短、安全无污染、能输送多种介质、可穿过各种区域等优点。我国石油与天然气运输多以管道运输为主。金属管道受到运输介质和环境因素的影响腐蚀在所难免,受到腐蚀的 管道使用寿命、可靠性和安全性都会降低。管道腐蚀导致的油气泄漏不仅给企业带来经济上的损失,而且会给环境造成巨大的破坏,且随着人们环保意识的提高,油气的泄漏对环境造成的危害越来越被人们所重视,所以油气管道的腐蚀与防护研究具有十分重大的意义。

本文探讨了常用的防腐蚀技术,包括阴极保护法、缓蚀剂技术、防腐涂层技术、补口技术和复合 管技术;介绍了常用的腐蚀检测技术,包括磁力检测技术和超声导波检测技术;对腐蚀预测技术以及现今的一些研究成果进行了分类和总结;指出我国的防腐技术仍有很大的提升空间,环保、高效的腐蚀防护技术与智能化的腐蚀检测技术是未来重要的研究方向。希望本文能对管道的腐蚀与防护提供参考依据,以达到减小油气泄漏风险、保护环境和减小经济损失的目的。

1  管道防腐机理

管道腐蚀主要有两种形式:内腐蚀和外腐蚀。管道材质、运输介质、环境、管理和设计都是造成管道腐蚀的关键因素。管道质量因素:现今油气运输多以金属性很强的钢材作为管道材料,钢管受到其周围环境介质的电化学、化学和物理等作用会引起失效破坏即腐蚀。运输介质因素:输送的油气介质中往往含有水蒸气、SO2 、H2S 和 CO2 等,反应生成的化合物造成管道堵塞,导致管道进一步腐蚀。环境因素:油气管道往往铺设于地下,管道外表面被土壤覆盖,土壤中含有水、杂散电流和各种盐,并且内部有微生物及细菌,这些导致油气管道发生化学腐蚀和电化学腐蚀。油气输送过程中往往伴随着应力,应力导致的波动造成管道腐蚀和轻微破裂,长时间的膨胀扩张会导致形成大型破口。管内油气和管外雨水的冲刷会导致管道金属表面不断 裸露,导致腐蚀的出现。管理设计因素:管理人员专业程度不够和管道的装卸、安放和施工不符合规 范都会对导致管道的腐蚀。

2  管道防腐技术

2.1   阴极保护技术

阴极保护法是一门被广泛运用且相对成熟的油 气管道保护技术。阴极保护法根据供电电流方式不 同可以分为:外加电流阴极保护法和牺牲阳极阴极保护法。保护方法的选择应根据实际的环境和管道参数, 一般情况下采用外加电流阴极保护法,选取 石墨等优质材料充分发挥阴极保护法的作用。在穿 跨越铁路、公路、河流或江河带等情况下,由于管道带的套管具有屏蔽作用,宜采用锌、镁、铝及其合金阳作等为阳极的牺牲阳极保护法。陈波[3]等运 用阴极保护数学模型准确地对某在役海管及其牺牲 阳极保护系统进行了评估,为其确定了最优的牺牲 阳极保护方案,为阴极保护法的选取提供了参考。油气管道存在防腐涂层、土壤环境、杂散电流和管 道并行等复杂情况,同时磁暴现象会使油气管道内 产生地磁感应电流,对阴极保护设备产生干扰, 阴极保护在油气管道保护中的运用还有许多问题有待研究。

2.2   缓蚀剂技术

缓蚀剂防腐机理:缓蚀剂通过分子上极性基团 的物理吸附和化学吸附或者两者结合在管道表面形 成保护层减缓腐蚀。物理吸附特点:吸附速度比较 快且具有一定可逆性。化学吸附特点:吸附能力较 强、不可逆、速度较慢。油气管道防腐缓蚀剂主要 为咪唑啉类、胺类、有机磷酸盐类、吗琳类、炔醇 类, 包括 N、P、S 和 O 的杂环化合物等。国内外 学者对缓蚀剂做了许多研究,崔铭伟等选择4口 井进行一种新型缓蚀剂的验证,结果表明此种缓蚀 剂对不同材质的实验井的缓蚀效果都在 80%以上, 对 20#钢和 N80 的缓蚀效果相近且优于 16Mn。封子艳等研发了一种新型的咪唑啉衍生物缓蚀剂,此缓蚀剂组分为 20%缓蚀剂主剂+ 10%阻垢剂+ 4%分 散剂+ 3%协同增效剂+ 63%水时缓蚀效果最佳,优 于其他 4 种做对比的缓蚀剂。研究结果还表明缓蚀 剂助剂影响效果由大到小顺序为:协同增效剂、阻垢剂、分散剂。JEVREMOVIC等研究了将缓蚀剂 注入到泡沫基中对低碳钢缓蚀的新方法,研究表明 使用含有 TOFA/DETA 咪唑啉缓蚀剂的泡沫进行周 期性处理,可以有效地降低低碳钢的顶部腐蚀。缓 蚀剂防腐技术因其具有操作简单、成本较低、见效 快等优点而具有广阔的应用前景。同时,适用于复杂多样环境(如高温高压、介质高速流动、存在剪切应力)的缓蚀剂依旧需要进一步的研究。

2.3   防腐涂层技术

防腐涂层是一门简单、快捷、有效的防腐技术, 拥有制备工艺简单、成本低、不受地域限制的特点。在油气管道的表面增加一层防腐涂层不仅可以隔绝 外界电流,而且可以防止一些植物根茎的穿过,对 油气管道起到了有效的防腐作用。防腐涂层的种类 有很多, 如常温固化陶瓷防腐涂层、三层复合涂层、 聚乙烯胶黏带、熔结环氧粉末、石油沥青、挤出聚乙烯、煤焦油瓷漆以及环氧煤沥青等。对新型防腐涂层、防腐材料的研究是金属防腐的热点趋势  之一,新型防腐涂层不仅着重于防腐而且还着眼于  超疏水、防污、自愈、耐热和抗菌等附加功能。孙垚垚等对石墨烯防腐涂层进行了研究, 研究指出  石墨烯的防腐机理在于屏蔽、缓蚀、加固和阴极保护作用,并对其存在的易团聚、难定向排列、自身  结构有缺陷等问题提出来改进措施。目前对石墨烯  防腐的研究还是比较少,使用不当不仅起不到防腐  的作用还会促进腐蚀,阻碍了这一防腐涂料的运用  和发展。氧化石墨烯结构强度与石墨烯相似,具有优越的机械强度、化学和热稳定性,被认为是一种优秀的石墨烯替代品。氧化石墨烯不仅具有疏水性, 而且能减少腐蚀物质的吸附和迁移,有效提高复合  涂层的耐腐蚀性。DAN等利用原子聚合法将聚  氨酯(PU)/聚环氧丙烷与氧化石墨烯(GO-g-PPO) 接枝。研究显示, GO-g-PPO- 16 复合材料在 PU 涂层中均匀分散,大幅度提升了 PU/GO-g-PPO- 16 复合涂层的防腐性能。实验结果显示,当 GO-g-PPO- 16复合材料在PU 涂层中的固含量为 0.08%(质量分  数)时,在质量分数 3.5% NaCl 溶液中浸泡168 h后,涂层的电阻是 PU 涂层的 50 倍。

2.4   补口技术

补口技术使用打底漆料涂抹于腐蚀缺口,外部往 往利用聚乙烯胶带缠绕, 从而提高管道外部性能对油 气管道进行有效保护。石油管道出现缺口时用补口技 术进行修补可以保证管道的完整性, 常用的补口技术 有:热沥青浇注补口技术、聚乙烯材料补口技术。补 口技术在保证管道完整性上起着重要的作用, 补口的 失效会导致管道出现腐蚀缺陷。国内石油与天然气管 道多使用 3LPE 防腐蚀涂层,与之对应的补口材料一 般是热收缩带,而热收缩带的失效将导致油气泄漏。李海坤等研究了热收缩带老化后热熔胶的降解情 况、不同温度和时间老化后的吸水率、剥离强度与破 坏性质、热熔胶降解之间的关系。研究显示, 热收缩 带的失效和剥离试验中破坏性质、热熔胶高温吸水率 相关性较高, 而与热熔胶降解相关性较低, 稳定性较 高的是发生内聚破坏和热熔胶高温长期吸水率低的 热收缩带。杨辉等研究了一种利用漏磁内检测技术 对管道补口进行失效分级评价的方法, 并建立了响应 准则,从现场应用结果来看此方法识别、符合率较高, 满足现场需求。

2.5   复合管技术

复合管技术具有力学性能好、耐腐蚀和经济性 好等特点,以双金属衬里复合管最为常见,由内层衬管和外层基管组成。陈俊文等建立了双金属衬 里复合管制管过程力学分析有限元模型,对制管过 程进行了仿真模拟。研究表明,双金属衬里复合管 两管的紧密度随着内压的增大而增大,随着两种材 料膨胀系数的差增大而减小,为提高紧密度可以适 当的增加内压、减小两材料的膨胀系数差。双金属 复合管材料因其材料特殊导致焊接困难,容易出现 焊接缺陷。曾德智等通过建立整管段试样有限 元力学模型对 X52/825 冶金复合管焊接接头的腐蚀 性能进行评价。研究显示,经 720 h 腐蚀实验后 X52/825 冶金复合管焊接接头未出现破裂、刺漏和 开裂性裂纹,表明此焊接接头耐腐蚀性较好。现今 的双金属复合管塌陷试验、紧密度试验和弯曲试验 指标规定不明确,复合管的制造、检验和应用需要 进一步研究与完善。

3  管道腐蚀检测与预测方法

由于石油天然气管道铺设环境复杂多样,当管 道发生腐蚀时往往不能及时发现,因此,需要采取 合适的管道腐蚀检测与预测方法,及时对腐蚀管道 进行应急处理,防止油气的泄漏,提高管道的使用 寿命。其中使用比较多的是磁力检测技术、超声导波检漏技术。

3.1   磁力检测技术

磁力检漏是利用金属磁记忆的一种检测方式, 通过铁磁性的感应分析对管道缺陷进行准确定 位。磁检漏技术是一门十分有效、实用的内检测 技术,因具有环境限制小、适用范围广、经济性好 等优点, 而被广泛运用。尹志勇等利用磁检漏 法对山东东营地区一管线进行检漏,结果显示,由 于长输管道施工工期较长,管道内已经发生了不同 程度腐蚀,在此情况下及时采取防护措施,减小了 事故发生的概率。廖柯熹等研究了一种基于磁力 定位、超声导波测定量的埋地管道腐蚀检测方法, 实际应用显示,此方法能在非开挖状态下对缺陷管 道进行精准定位和腐蚀等级评价。

3.2   超声导波检漏技术

超声导波检漏也是一种非开挖无损检测技术, 原理是:超声导波在管道中沿轴向传播,当管道横 截面积改变时灵敏接收器将收到其反射的一个回波 信号,通过对回波信号的分析判断管道内部的变化 情况。压电超声检测技术因其检测距离较长、能定 量测量、不受电磁干扰等优点,广泛运用于运输液态介质的长距离输送管道的检测。压电超声检测 技术其缺点是需要耦合剂,埋地管道内检测受限。叶至灵等研究了电磁超声波检测方法, 此方法不 仅无需耦合剂就能够产生多种声波,可对管道的内 腐蚀进行检测,而且通过横波在斜面试样中传播和 反射进行 COMSOL 的有限元模型仿真,发现斜面 腐蚀测厚偏大,且误差随着斜角的增大而增大。

3.3   管道腐蚀预测方法

管道腐蚀的预测与检测同样重要,有效的腐蚀 预测对管道的完整性管理有很大的帮助,对防止油 气泄漏和环境保护有很大的作用。王方成等采用模糊层次分析法对各影响因素进行权重计算,为长 输天然气管道腐蚀的预防和治理提供相关的理论依 据。BALEKELAYI等研究了一种基于贝叶斯谱分 析回归的腐蚀预测方法,此方法将腐蚀因素和腐蚀 深度作为半参数,并用数学的方式描述了电化学腐 蚀过程。程凯凯等研究了基于相关性和贝叶斯推 断的腐蚀深度预测方法,结果表明此方法能够更好 地反映样本容量对推断结果的影响,预测结果更为 保守且与工程经验判断结果一致,对工程应用更加 安全有利。研究成果可为管道腐蚀深度的预测提供 更准确的信息,同时为考虑随机变量相关性的其他 腐蚀管道特征值的预测提供理论参考。

智能化腐蚀检测技术是未来研究的重要趋势, SHAFEEK等使用 Microsoft Access 和 Visual c#进 行编码将一种无损检测技术与管道腐蚀缺陷软件相 结合,此软件使用简单、无需复杂的分析,能测量 一般腐蚀情况并对腐蚀进行预测,有效降低了油气 泄漏的风险。

4  结束语

油气管道受到介质和环境因素的影响易发生失 效破坏。我国的石油与天然气管道防护技术还有很 大的提升空间,环保、高效的腐蚀防护技术与智能化的腐蚀检测技术是未来重要的研究方向。同时为 了进一步减少腐蚀带来的油气泄漏风险,需要对管 道质量和焊接严格要求,做好巡检和管线周边地区 安全的宣传。


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