熊昊天 呂純瑋 賴浩然 孫昌皓 李冰玉 邱伊婕

摘? ? ? 要：近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外天然氣的開(kāi)采力度和利用程度的不斷加大，對(duì)輸氣管道防腐蝕能力的要求也隨之提高。緩蝕劑預(yù)膜工藝技術(shù)可有效提升輸氣管道的抗腐蝕能力，避免因管道內(nèi)腐蝕穿孔而造成天然氣泄漏爆炸等一系列安全問(wèn)題，從而達(dá)到安全、高效運(yùn)行的目的。因此，研究并分析緩蝕劑預(yù)膜的機(jī)理，分析影響預(yù)膜質(zhì)量的多種因素，并提出一種高效合理的緩蝕劑預(yù)膜工藝顯得尤為關(guān)鍵。論述了國(guó)內(nèi)外常用的緩蝕劑預(yù)膜工藝和預(yù)膜機(jī)理，對(duì)各工藝的原理進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)目前的發(fā)展現(xiàn)狀做出總結(jié)，對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

關(guān)? 鍵? 詞：緩蝕劑;預(yù)膜機(jī)理;預(yù)膜工藝;預(yù)膜質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U177.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2019）10-2362-04

Abstract： In recent years， with the increasing of exploitation intensity and utilization of natural gas at home and abroad， the requirement of anti-corrosion ability of pipeline is also increasing. Corrosion inhibitor pre-membrane technology can effectively improve the corrosion resistance of the gas pipeline， to avoid the corrosion perforation in the pipeline to cause a series of safety problems， such as leakage and explosion， so as to achieve the goal of safe and efficient operation. Therefore， it is very important to study and analyze the mechanism of corrosion inhibitor pre-filming， the various factors affecting the quality of pre-film， and put forward an efficient and reasonable process of corrosion inhibitor pre-filming. In this paper， common pre-membrane technologies and pre-membrane mechanism of corrosion inhibitors at home and abroad were mainly discussed， the principle of each process was expounded in detail， and the present development situation was summarized， and the future development trend was prospected.

Key words： Corrosion inhibitor; Pre-filming mechanism; Pre-filming process; Corrosion protection

目前，我國(guó)大部分油氣田采出氣內(nèi)均含有硫化物和二氧化碳等腐蝕性氣體，加之在天然氣輸送的過(guò)程中會(huì)析出水并在管內(nèi)形成積水管段，積水與管內(nèi)二氧化碳結(jié)合生成碳酸等造成化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重?fù)p壞管線和設(shè)備，影響整個(gè)管線的正常運(yùn)營(yíng)甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，尤其在運(yùn)行使用時(shí)間較長(zhǎng)且人口稠密地區(qū)的管線中，若出現(xiàn)因腐蝕而造成的輸氣管道泄漏爆炸會(huì)對(duì)社會(huì)和環(huán)境造成難以估量的影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)：目前在役油氣管道腐蝕事故頻次約為0.875～1.375次/1 000 km/a，高于國(guó)外0.08～0.16次/1 000 km/a[1]。因此，對(duì)管道內(nèi)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，防止輸氣管道穿孔泄漏，以延長(zhǎng)管道壽命，對(duì)確保輸氣管道的正常安全運(yùn)行具有非常重要的意義。

提高管道抗腐蝕的能力有多種方法，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于新建管道多采用抗腐蝕材料和安全化設(shè)計(jì)，而對(duì)于已建管道則采用緩蝕劑預(yù)膜的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸氣管道的防護(hù)作用。由于我國(guó)天然氣開(kāi)采年限較早，大多數(shù)已建管道使用的時(shí)間較長(zhǎng)，緩蝕劑預(yù)膜工藝有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，通過(guò)對(duì)前人研究成果的總結(jié)，可為以后深入研究緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理和研發(fā)新型緩蝕劑以及相應(yīng)的加注工藝提供借鑒思路，豐富理論基礎(chǔ)和研究途徑。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展，給出了緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理，總結(jié)了目前使用廣泛的預(yù)膜工藝及其應(yīng)用情況，并對(duì)預(yù)膜工藝的發(fā)展趨勢(shì)給出展望。

1? 輸氣管道緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理和工藝國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

影響預(yù)膜質(zhì)量的因素眾多，如緩蝕劑類型、管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)情況、緩蝕劑加注工藝等。針對(duì)已建輸氣管道的緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理和工藝，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，從緩蝕劑優(yōu)選、緩蝕劑加注量、成膜理論、預(yù)膜質(zhì)量評(píng)價(jià)、有效保護(hù)距離、預(yù)膜工藝優(yōu)化等多方面進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果。

1.1? 國(guó)外緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理及工藝研究現(xiàn)狀

在輸氣管道防腐蝕問(wèn)題上，國(guó)外學(xué)者在前人的研究理論基礎(chǔ)上做了大量研究，并對(duì)緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理和工藝的理論基礎(chǔ)不斷進(jìn)行了完善和補(bǔ)充。

J.E.O.Mayne和A.D.Mercer等[2]對(duì)緩蝕劑做出的定義是緩蝕劑在腐蝕環(huán)境中加入很少量便能在金屬表面或表面附近發(fā)生作用而顯著降低金屬腐蝕速率的物質(zhì)。并且A.D.Mercer[3]歸納總結(jié)了關(guān)于緩蝕劑的多種不同的分類方法。G.Schmitt[4]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出緩蝕劑的吸附模式可分為競(jìng)爭(zhēng)吸附和協(xié)同吸附，以及Lorenz和Mansfeld[5]提出界面緩蝕和相面緩蝕的新觀念，該兩種觀念的提出豐富了緩蝕劑預(yù)膜吸附機(jī)理在微觀層面上的理解。Evans和Hoar提出了Fe2O3膜的保護(hù)歷程，確定出其鈍化成膜理論，為緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理的鈍化成膜打下了理論基礎(chǔ)[6]。Hackerman提出了在緩蝕劑吸附成膜時(shí)物理吸附與化學(xué)吸附共存的綜合吸附特點(diǎn)的看法，在理論上解釋了緩蝕劑在金屬表面上吸附過(guò)程[6]。

基于傳統(tǒng)的預(yù)膜方式和相關(guān)工藝手法James H.Coulter等人[7]在前人的研究基礎(chǔ)上，提出了一種適合于輸氣管道內(nèi)涂膜的旋轉(zhuǎn)型裝置，該裝置在理論上推翻了普通清管器的地位，但由于該裝置與緩管道的內(nèi)摩擦較大在管內(nèi)行進(jìn)困難，使得在實(shí)際生產(chǎn)上難以使用（如圖1）。為解決預(yù)膜效果在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中不理想的問(wèn)題RickD.Pruett等人[8]提出了一種噴射型管道預(yù)膜裝置，利用文丘里管使清管器在行進(jìn)過(guò)程中對(duì)管道進(jìn)行預(yù)膜。但是該裝置同時(shí)存在著預(yù)膜范圍較小，不能實(shí)現(xiàn)將管道內(nèi)壁完全預(yù)膜覆蓋的缺陷（如圖2）。

1.2? 國(guó)內(nèi)緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理及工藝研究發(fā)展?fàn)顩r

雖然我國(guó)對(duì)天然氣的開(kāi)采使用時(shí)間較早，但對(duì)輸氣管道防腐蝕問(wèn)題以及緩蝕劑的研究起步較晚。近年來(lái)隨著我國(guó)逐漸加大對(duì)天然氣的開(kāi)發(fā)和利用，對(duì)輸氣管道緩蝕劑預(yù)膜的研究也隨之較為迅速。并且以原來(lái)的對(duì)于輸氣管道進(jìn)行外涂層或采用陰極保護(hù)的方法到現(xiàn)階段對(duì)管道的內(nèi)外進(jìn)行防腐蝕處理并且采取不同工藝手法，使得管道的防腐蝕程度在近年來(lái)得到了較大的提升。

在緩蝕劑優(yōu)選方面，1992年，劉惟[10]對(duì)四川輸氣干線情況進(jìn)行分析，研究管線內(nèi)含介質(zhì)的占比情況，通過(guò)管內(nèi)腐蝕機(jī)理分析在不同因素的影響下管內(nèi)壁的腐蝕情況。并總結(jié)出具有良好預(yù)膜效果的緩蝕劑如CT2-2型等。

1993年，彭年橞[11]對(duì)CT2—2緩蝕劑在四川輸氣干線上進(jìn)行相關(guān)技術(shù)上的研究。提出了采用放射性同位素示蹤技術(shù)研究緩蝕劑在輸氣管道內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律和有效保護(hù)加注量的方法。

1995年，楊懷玉[12]通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)防腐緩蝕劑進(jìn)行篩選評(píng)價(jià)，確定了多種影響因素如管內(nèi)溫度情況、硫化物濃度對(duì)預(yù)膜后緩蝕效果的影響。得出選取的緩蝕劑無(wú)論隨著溫度或硫化物的濃度變化，在一定添加濃度下都會(huì)控制介質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕的結(jié)論。

2018年，劉忠運(yùn)[13]以頁(yè)巖氣輸送過(guò)程中H2S和CO2共存的前提下對(duì)當(dāng)今常用的緩蝕劑進(jìn)行分析調(diào)研，得出氣液雙相類緩蝕劑所具有的緩蝕效果更大且具有更廣闊的應(yīng)用前景。

在理論研究方面，1997年，鄭永剛等[14]利用液體霧化理論，對(duì)緩蝕劑在輸氣管道內(nèi)的霧化過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行了研究。對(duì)緩蝕劑的霧化后在管內(nèi)的分布等評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算。提出了采用霧化工藝對(duì)輸氣管道預(yù)膜時(shí)的緩蝕劑加注量以及保護(hù)管道的最小加注量等計(jì)算公式。

1999年，殷朋[15]通過(guò)理論上的研究，分析出多種對(duì)緩蝕劑在輸氣管道中殘余量的監(jiān)測(cè)方法，為以后對(duì)緩蝕劑的加注量、加注周期和保護(hù)距離的計(jì)算上奠定了理論上的依據(jù)。

2006年，劉永康[16]在實(shí)驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)輸氣管道緩蝕劑的加注濃度和保護(hù)距離進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)空氣幾何尺寸和壓力等多方面因素對(duì)緩蝕劑的霧化機(jī)理進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式并加以修正。使得緩蝕劑的霧化機(jī)理相關(guān)理念和相關(guān)加注濃度等影響因素有了較完善的體系和科學(xué)的算法模型。

2013年和2014年，吳東容等[17]為了深入的研究緩蝕劑的預(yù)膜新方法和工藝，基于以往成膜的主要機(jī)理對(duì)現(xiàn)今緩蝕劑加注方式、加注量以及管內(nèi)流型的因素對(duì)預(yù)膜質(zhì)量的影響做出分析和總結(jié)，指出了緩蝕劑的主要控制因素，使得緩蝕劑預(yù)膜機(jī)理和工藝有了相對(duì)完善的理論基礎(chǔ)。

2014年，龍星岑[18]采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立緩蝕劑預(yù)膜的實(shí)用物理模型，得出了緩蝕劑加注量、清管器速度、介質(zhì)粘度等因素對(duì)預(yù)膜厚度和持久性影響較大，而管徑則對(duì)其影響較小的結(jié)論。并對(duì)傳統(tǒng)的沾滴預(yù)膜質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)。

2016年，沈雅欣等[19]在微生物腐蝕、垢下腐蝕和管道頂部腐蝕機(jī)理的條件下分析能夠緩解此3種腐蝕的緩蝕劑，并得出添加的緩蝕劑在接近臨界膠束濃度時(shí)，其緩蝕效果能夠達(dá)到最佳的結(jié)論。

2017年，高雪琦等[20]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)緩蝕劑在輸氣管道的預(yù)膜在管內(nèi)壁上的分布情況進(jìn)行了研究和分析。得出的結(jié)果表明緩蝕劑液膜會(huì)在重力的作用下向管底沉降，并且緩蝕劑分布均勻情況與其表面張力成正比。

2018年，汪楓等[21]利用電化學(xué)方法，研究了高含硫體系中利用清管器預(yù)膜作業(yè)時(shí)緩蝕劑的成膜時(shí)間，由此推導(dǎo)出作業(yè)過(guò)程中預(yù)膜球控制速度的計(jì)算方法，并將其方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)后所得預(yù)膜質(zhì)量良好。

在預(yù)膜設(shè)備及工藝的改進(jìn)方面，1995年，安貴林等[22]基于前人的不同緩蝕劑加注方法，對(duì)噴霧加注裝置進(jìn)行研究，改進(jìn)出新型緩蝕劑噴霧加注裝置工藝流程并引入了緩蝕劑噴入量以及采用相對(duì)較合適的霧滴粒徑等理論計(jì)算公式。結(jié)束了三十年來(lái)四川氣田所使用的平衡罐加注緩蝕劑的歷史，更提高了緩蝕劑作用在輸氣管道上的技術(shù)水平。

2007年，董紹華[23]等人研制出新型適用用于長(zhǎng)距離輸油氣管道的清管器收發(fā)裝置，實(shí)現(xiàn)了清管器的機(jī)械化作業(yè)，使其具備能夠在危險(xiǎn)爆炸區(qū)作業(yè)的條件。

同年，劉熠[24]等根據(jù)以往的緩蝕劑加注理論為基礎(chǔ)對(duì)現(xiàn)階段的管內(nèi)腐蝕控制技術(shù)做出改進(jìn)，提出了可采用GP-1新型緩蝕劑的方案以及采用壓力霧化法對(duì)以往的緩蝕劑壓力平衡罐加注方法替代的可行性。

2014年，張智瑯等[25]基于現(xiàn)有緩蝕劑預(yù)膜的工藝并結(jié)合現(xiàn)今科技成果，研制出一款用于輸氣管道的智能式清管器，可根據(jù)管內(nèi)壓力的變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智能化，可大大提高輸氣管道的運(yùn)輸安全。

同年，朱冬銀等[26]結(jié)合實(shí)踐對(duì)緩蝕劑預(yù)膜工藝中的清管器預(yù)膜方式做出運(yùn)行時(shí)間、緩蝕劑的用量等多方面的總結(jié)并得出了利用清管器進(jìn)行的緩蝕劑預(yù)膜作業(yè)具有更好的預(yù)膜質(zhì)量和施工方便等特點(diǎn)。

2017年，李博等[27]基于GPS系統(tǒng)和GSM通信系統(tǒng)與清管器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了清管器智能跟蹤和定位，提高了清管器在施工的過(guò)程中的精度與可靠性。

目前，在緩蝕劑成膜機(jī)理方面，研究主要集中在緩蝕劑與金屬管壁的物理化學(xué)作用機(jī)理方面。在預(yù)膜工藝方面，清管式預(yù)膜技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低，目前應(yīng)用最為廣泛。在預(yù)膜質(zhì)量控制方面，主要通過(guò)控制管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)狀況、加注量、清管器速度等方法來(lái)控制預(yù)膜厚度。因此，今后有必要進(jìn)一步深入探討不同類型緩蝕劑在管內(nèi)復(fù)雜湍流狀態(tài)的成膜機(jī)理，研究輸氣管道內(nèi)液膜的分布狀況，提出緩蝕劑的加注量計(jì)算模型，優(yōu)化預(yù)膜工藝，為緩蝕劑預(yù)膜的新工藝和新方法的研究提供理論和技術(shù)支撐。

2? 緩蝕劑和預(yù)膜工藝對(duì)輸氣管道防腐蝕問(wèn)題的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

2.1? 緩蝕劑的未來(lái)研制方向?qū)⑹黔h(huán)境友好型

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類保護(hù)環(huán)境的意識(shí)提升，最初對(duì)管道進(jìn)行預(yù)膜處理的無(wú)機(jī)緩蝕劑如亞硝酸鹽等成膜緩蝕劑存在用量較大，易揮發(fā)等缺點(diǎn)且若處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染等負(fù)面作用，現(xiàn)已被有機(jī)緩蝕劑如鏈狀有機(jī)胺及其衍生物或咪唑啉衍生物季胺鹽類吸附型緩蝕劑所替代。在近幾年出現(xiàn)了植物提取物類緩蝕劑之類的研究，使得緩蝕劑向環(huán)境更加友好，更加無(wú)毒無(wú)害方面靠攏的趨勢(shì)。所以高效環(huán)保緩蝕劑是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的需要，也是其研究的永恒方向[28]。

2.2? 輸氣管道預(yù)膜工藝加注式轉(zhuǎn)向清管器預(yù)膜方式

傳統(tǒng)的預(yù)膜工藝會(huì)受到地形以及管道長(zhǎng)度等多種因素影響，且預(yù)膜質(zhì)量不夠理想。從目前的研究現(xiàn)狀和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用效果來(lái)看，采用清管器式預(yù)膜方式對(duì)輸氣管道進(jìn)行預(yù)膜，具有成本低預(yù)膜效果較為優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，且可開(kāi)發(fā)程度較高。所以在對(duì)輸氣管道進(jìn)行長(zhǎng)距離的預(yù)膜處理時(shí)，清管器預(yù)膜方式不失為一種更好的選擇，也是今后輸氣管道預(yù)膜工藝的主要研究方向。

2.3? 輸氣管道緩蝕劑預(yù)膜工藝將與現(xiàn)今先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)預(yù)膜智能化

隨著高新技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來(lái)有著緩蝕劑預(yù)膜工藝與GPS或相關(guān)控制軟件相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)清管器的跟蹤定位，更有將機(jī)械自動(dòng)化與清管器結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合的相關(guān)專利和研究，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)清管器在輸氣管線內(nèi)速度和傾角等多方面的自我調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)清管器的智能化，達(dá)到降低清管器作業(yè)成本提升可靠性的目的。所以實(shí)現(xiàn)清管器預(yù)膜智能化，提高預(yù)膜質(zhì)量是未來(lái)預(yù)膜工藝技術(shù)的主要方向。

3? 結(jié)束語(yǔ)

為防止輸氣管道因腐蝕而穿孔泄漏而造成環(huán)境污染以及輸氣效率的降低，需對(duì)其采取相應(yīng)的防腐措施，以保證管道的正常運(yùn)行。而對(duì)已建管道采用緩蝕劑預(yù)膜來(lái)提高管道的抗腐蝕能力是最為可行的方法。但緩蝕劑預(yù)膜的機(jī)理和影響因素眾多，難以控制預(yù)膜質(zhì)量，并且現(xiàn)今常用的清管器預(yù)膜工藝存在著技術(shù)不成熟等缺陷問(wèn)題，使得緩蝕劑預(yù)膜技術(shù)難以得到更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用。因此，為提升預(yù)膜質(zhì)量需從緩蝕劑預(yù)膜的機(jī)理和影響因素、預(yù)膜工藝等多個(gè)方面進(jìn)行深入研究。同時(shí)，只有對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改進(jìn)，提出預(yù)膜質(zhì)量控制和檢測(cè)的新技術(shù)，才能使緩蝕劑預(yù)膜技術(shù)得到更好地推廣與應(yīng)用，這也是今后提升輸氣管道防腐能力的研究重點(diǎn)。

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