馬文賀，劉元東，潘永強(qiáng)，李京

(1.克拉瑪依市富城能源集團(tuán)有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100009；3.克拉瑪依市富城能源集團(tuán)有限公司(金戈壁公司)，新疆 克拉瑪依 834000； 4.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西非分公司，北京 100101)

0 引言

作為我國(guó)最主要的能源之一，油氣在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所發(fā)揮的作用不可或缺。與其他可以通過水路、鐵路以及汽車完成運(yùn)輸?shù)馁Y源相比，油氣資源輸送更加依賴于管道輸送方式[1]。作為一種新型的運(yùn)輸手段，因其具有安全性高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但值得注意的是，在不斷擴(kuò)展應(yīng)用范圍的過程中，其存在的問題也逐漸顯現(xiàn)。在21 世紀(jì)初，以油氣管道為載體的輸送方式逐漸興起，在提高輸送效率的同時(shí)，管道腐蝕現(xiàn)象成為了影響油氣輸送的重要因素之一[2]。這不僅大大降低了油氣輸送工作的效率，同時(shí)也降低了管道的利用率，在一定程度上增加了資源的開發(fā)成本。由于油氣輸送管道本身所處的環(huán)境具有較大的差異性，且運(yùn)輸油氣的品質(zhì)也有所不同，導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行過程中，在腐蝕性物質(zhì)、油氣流速、沖刷磨損、顆粒沉積等因素的共同作用下，油氣輸送管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕，誘發(fā)油氣管道輸送的安全問題[3]。

在此基礎(chǔ)上，本文提出油氣輸送管道腐蝕原因及防治措施，在明確了油氣輸送管道腐蝕危害的基礎(chǔ)上，深入研究分析了影響油氣輸送管道腐蝕的因素，并針對(duì)分析結(jié)果，提出具有針對(duì)性的防治措施。通過本文的研究，以期為油氣的安全輸送提供保障，最大限度延長(zhǎng)油氣輸送管道的使用壽命。

1 油氣輸送管道腐蝕危害分析

油氣管道作為現(xiàn)階段應(yīng)用程度較高的一種輸送裝置，其穩(wěn)定性和可靠性是關(guān)系到油氣資源安全以及環(huán)境安全的重要基礎(chǔ)。而在實(shí)際的運(yùn)行過程中，由于受到各種腐蝕作用的影響，油氣管道的穩(wěn)定性受到了極大的影響。本文統(tǒng)計(jì)了在不同腐蝕作用下，管道參數(shù)的變化情況，具體如表1 所示。

從表1 中可以看出，隨著腐蝕深度的增加，油氣管道的最大抗沖擊力對(duì)應(yīng)位移明顯降低，對(duì)應(yīng)的屈服力和屈服力應(yīng)力位移也隨之下降，裂紋擴(kuò)展功由152.93 J 下降至47.71 J，這將大大降低管道的安全性。不僅如此，腐蝕部位裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也會(huì)隨著腐蝕深度的增加而逐漸降低，這就意味著其承載管道內(nèi)、外部沖擊的能力降低，在原有的運(yùn)輸荷載下，出現(xiàn)安全問題的概率將大大增加[4]。由此不難看出，管道腐蝕是影響其穩(wěn)定安全執(zhí)行油氣輸送任務(wù)的關(guān)鍵因素。

表1 在不同腐蝕作用下管道參數(shù)發(fā)展情況統(tǒng)計(jì)表

2 油氣輸送管道腐蝕原因

為了有效防治油氣輸送管道腐蝕問題，對(duì)該類問題的形成原因進(jìn)行詳細(xì)分析是十分必要的。結(jié)合管道所處環(huán)境，本文對(duì)其的分析按照如圖1 所示的方式進(jìn)行。

圖1 油氣輸送管道腐蝕原因構(gòu)成

按照?qǐng)D1 所示的方式，本文對(duì)油氣輸送管道腐蝕原因的分析分別從內(nèi)壁腐蝕原因、外壁腐蝕原因以及防腐措施原因3 個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 油氣輸送管道內(nèi)壁腐蝕原因

受管道輸送介質(zhì)屬性的影響，硫化氫等具有腐蝕性氣體雜質(zhì)在長(zhǎng)期作用下會(huì)誘發(fā)管道內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。不僅如此，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，管道內(nèi)部的溫度、壓力、流速都會(huì)對(duì)管道材料的屬性參數(shù)造成一定的影響，加劇腐蝕情況的發(fā)展。本文具體將其分為油氣沖刷的腐蝕作用、高溫高壓的腐蝕作用以及酸性氣體的腐蝕作用[5]。

首先，沖刷的腐蝕作用主要是指管道內(nèi)部液固兩相流動(dòng)時(shí)，由于流體的流動(dòng)速度較快，對(duì)管道材料的表面施加一定強(qiáng)度的沖擊力，使得管道內(nèi)壁發(fā)展出腐蝕點(diǎn)。其中液相不局限于油類物質(zhì)的輸送中，還包括在低壓環(huán)境下的飽和天然氣，對(duì)管道的腐蝕性一般較低，深度較淺，面積較小。但是流體中的固相對(duì)管道表面的沖擊作用是伴隨著油氣輸送持續(xù)存在的，這種沖擊作用對(duì)管道表面出現(xiàn)腐蝕的部分產(chǎn)生剝離效果，受到高速流體的沖刷作用，剝離的部分會(huì)直接隨著管道內(nèi)油氣的流動(dòng)脫離管道。在這樣的腐蝕作用模式下，出現(xiàn)腐蝕的部位會(huì)不斷暴露出的新金屬表面，并不斷重復(fù)上述過程，對(duì)應(yīng)的腐蝕程度也隨之逐漸加重。需要注意的是，管道內(nèi)輸送物質(zhì)的沖刷作用與管道本身的腐蝕情況之間的關(guān)系是以同向發(fā)展的關(guān)系存在的。管道腐蝕情況越嚴(yán)重，相同強(qiáng)度沖刷作用的腐蝕效果就越明顯。部分管道中也會(huì)存在氣、液、固三相流動(dòng)的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的腐蝕機(jī)制與上述形式相同。

其次是高溫高壓的腐蝕作用，該類腐蝕主要存在于采油采氣井附近的管道。在實(shí)際油氣開采過程中，隨著鉆進(jìn)深度逐漸變深，地層深度帶來的最直接的變化就是地層壓力和溫度都會(huì)表現(xiàn)出明顯的升高趨勢(shì)。此時(shí)的油氣管道運(yùn)行環(huán)境具備高溫高壓的特點(diǎn)。在這樣的環(huán)境條件下，雖然管道材料的抗腐蝕破裂能力會(huì)在一定程度上有所提升，但是酸性物質(zhì)腐蝕管道材料的速度將會(huì)明顯加快，管道的腐蝕問題也更加嚴(yán)重。

最后就是酸性氣體的腐蝕作用。油氣輸送管道運(yùn)輸?shù)奶烊粴赓Y源中，難免存在一些酸性物質(zhì)，會(huì)使得管道內(nèi)部出現(xiàn)酸性空間，并表現(xiàn)出一定的腐蝕性。在酸性環(huán)境內(nèi)，酸性物質(zhì)與管道保護(hù)膜長(zhǎng)時(shí)間地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得管道遭到破壞，缺少保護(hù)的管道在酸性環(huán)境下的腐蝕速度將大大加快。不僅如此，管道上的金屬材料與酸性物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)形成原電池，使得管道中有限的氧氣資源被進(jìn)一步消耗，加劇環(huán)境中酸性的強(qiáng)度，使管道的腐蝕速率呈現(xiàn)逐漸上升的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 油氣輸送管道外壁腐蝕原因

由于油氣輸送管道的覆蓋范圍較為廣闊，對(duì)應(yīng)的地理經(jīng)緯度跨度也相對(duì)較大，管道經(jīng)過的地形地貌環(huán)境較為復(fù)雜，這就使得油氣輸送管道周邊的環(huán)境和地質(zhì)特征會(huì)存在較大差異，導(dǎo)致管道外部出現(xiàn)腐蝕。針對(duì)該問題，本文具體將其分為地質(zhì)特征的腐蝕作用、溫度條件的腐蝕作用以及施工技術(shù)的腐蝕作用。

首先是地質(zhì)特征的腐蝕作用主要取決于油氣輸送管道所處地下環(huán)境的土壤成分。土壤含水量、土壤酸堿度、土壤電阻率以及土質(zhì)的不同都會(huì)對(duì)具體的腐蝕強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。由于輸送管道在完成鋪設(shè)后，一般位置不會(huì)發(fā)生改變，因此，在長(zhǎng)期處于強(qiáng)腐蝕土壤、中腐蝕土壤環(huán)境中的管道外部極易出現(xiàn)腐蝕情況。

其次就是溫度條件的腐蝕作用，外界環(huán)境溫度主要受管道所處地層深度影響，深度越深，管道外部的溫度越低，也越穩(wěn)定。此時(shí)，管道內(nèi)部石油、天然氣的溫度與外部溫度之間會(huì)形成相對(duì)恒定的溫度差，導(dǎo)致管道金屬材料的屬性降低，抗腐蝕能力下降，誘發(fā)腐蝕情況的發(fā)展。另外一種情況管道所處地層深度較淺，導(dǎo)致管道外部的溫度波動(dòng)幅度較大，在這種劇烈的溫差作用下，管道金屬材料的屬性也會(huì)出現(xiàn)降低，加大腐蝕情況發(fā)生的概率。

最后就是施工時(shí)的建設(shè)質(zhì)量帶來的后期的腐蝕作用。由于油氣輸送管道施工的工期一般較長(zhǎng)，在復(fù)雜施工環(huán)境下，當(dāng)施工技術(shù)存在異常，導(dǎo)致管道的建設(shè)質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)，出現(xiàn)腐蝕問題的概率將大大增加。

2.3 油氣輸送管道防腐失效原因

針對(duì)油氣輸送管道腐蝕問題，在實(shí)際的建設(shè)過程中，工程公司也實(shí)施了具體的防治措施，其中，在管道表面構(gòu)建防腐層結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的手段之一。但是在長(zhǎng)期的使用過程中，隨著時(shí)間的推移，防腐層會(huì)出現(xiàn)磨損、老化、失效的情況。當(dāng)防腐層開始出現(xiàn)自動(dòng)脫離情況時(shí)，油氣輸送管道就難以抵抗腐蝕作用。此時(shí)油氣輸送管道與防腐層之間形成空隙，導(dǎo)致防腐層失去保護(hù)作用，誘發(fā)腐蝕問題的發(fā)生。

3 腐蝕防護(hù)措施

3.1 改進(jìn)陰極保護(hù)技術(shù)

針對(duì)油氣管道內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕情況的原因，可以通過改進(jìn)陰極保護(hù)技術(shù)遏制腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。在具體的實(shí)施過程中，可以從以下3 個(gè)角度進(jìn)行：

首先，采用外加電流陰極保護(hù)的方式對(duì)穿越管線套管內(nèi)的管道等小距離管段進(jìn)行腐蝕防護(hù)處理。通過在管道內(nèi)部表面涂刷固體電解質(zhì)，以此抑制管道與酸性組分之間的化學(xué)反應(yīng)，降低腐蝕發(fā)生的速度。

其次，可以通過在管道內(nèi)表面噴涂熱噴鋁涂層(TSA) 及冷噴鋁涂層(CSA) 等犧牲陽極涂層實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中輸送管道的防腐處理。這種處理方法不僅具有較長(zhǎng)的使用壽命，且所需的成本相對(duì)較低，可以有效降低管道在沖刷作用下出現(xiàn)有機(jī)涂層鼓泡、開裂的可能性，保障管道內(nèi)表面不受腐蝕。

最后，在管道的保溫層內(nèi)安裝帶狀陽極和片狀陽極。帶狀陽極鋪設(shè)時(shí)，要按照與管線軸方向平行的方式實(shí)施，這樣不僅可以保護(hù)更長(zhǎng)距離的管道，同時(shí)也不會(huì)對(duì)防腐保溫管道后續(xù)的維修產(chǎn)生干擾。通過這樣的方式，保障油氣輸送管道可以在高溫、酸性環(huán)境下安全運(yùn)行。

3.2 合理選擇防腐層材料

針對(duì)油氣管道外部出現(xiàn)腐蝕情況的原因，可以對(duì)埋地管道實(shí)施陰極保護(hù)+涂層的聯(lián)合保護(hù)的方式進(jìn)行防腐處理。此時(shí)的涂層要能夠適應(yīng)環(huán)境溫度變化帶來的影響以及地層的腐蝕作用，因此可以選擇氯磺化聚乙烯作為有機(jī)涂層的涂料。與其他類型的防腐材料相比，其在耐火性、難燃性和耐腐蝕性方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。在-40～93 ℃環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道長(zhǎng)期穩(wěn)定的保護(hù)。不僅如此，溫度較高的環(huán)境下，其仍具有良好的耐濕熱老化性能。當(dāng)年平均溫度不超過30.30 ℃時(shí)，使用壽命達(dá)到20 年，因此可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的長(zhǎng)期防腐，可以很大程度地保護(hù)管道，延緩或避免了外界環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕作用。

3.3 優(yōu)化防腐技術(shù)

針對(duì)油氣管道防腐失效問題，本文提出通過優(yōu)化防腐技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道防腐的目的。在具體的實(shí)施過程中，可以使用緩蝕劑防腐技術(shù)對(duì)埋地輸送管道進(jìn)行備用保護(hù)，考慮到實(shí)際施工的難度以及后續(xù)管理的便捷性，將具有揮發(fā)性的氣相緩蝕劑作為常規(guī)管道的防腐技術(shù)是十分可行的。氣相緩蝕劑通過在管道金屬材料界面形成具有較高穩(wěn)定的聯(lián)合鍵，可以從源頭上避免腐蝕介質(zhì)在金屬表面的滲透作用。針對(duì)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高的補(bǔ)口位置，可以采用固體緩蝕劑防腐技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理。當(dāng)管道處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，固體緩蝕劑中慢速釋放組元會(huì)通過不間斷釋放緩蝕劑實(shí)現(xiàn)保護(hù)管道的作用；當(dāng)輸送管道的防腐保溫層被滲透后，固體緩蝕劑中快速釋放組元會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出能夠提供有效保護(hù)的緩蝕劑物質(zhì)，避免滲透物質(zhì)對(duì)管道金屬層的腐蝕作用。結(jié)合管道的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度，固體緩蝕劑添加量也可以適應(yīng)性調(diào)節(jié)，一般情況下，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境溫度低于80 ℃，固體緩蝕劑的使用量為5 000 mg/L 即可起到有效的緩蝕作用。當(dāng)運(yùn)行環(huán)境溫度高于80 ℃，固體緩蝕劑的使用量按照每10 ℃增加1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)添加即可，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣輸送管道的有效防腐處理。

4 結(jié)語

為了保障油氣輸送的安全性，針對(duì)管道腐蝕問題實(shí)施有針對(duì)性的防治措施是十分必要的。本文提出油氣輸送管道腐蝕原因及防治措施，詳細(xì)分析了腐蝕作用對(duì)油氣輸送管道的危害，并分別從管道內(nèi)部腐蝕，管道外部腐蝕以及防腐失效3 個(gè)方面對(duì)具體原因展開了研究，結(jié)合研究結(jié)果，提出了具有具體實(shí)施價(jià)值，并且在實(shí)際應(yīng)用中具有較高可行性的防治措施。通過本文的研究，希望可以為相關(guān)企業(yè)降低油氣輸送管道腐蝕問題的出現(xiàn)提供有價(jià)值的參考，使管道的使用壽命能夠達(dá)到預(yù)期，保障油氣資源輸送的安全。