长输管道的腐蚀与防护

长输管道的腐蚀与防护目前，我国石油、天然气资源的输送主要依靠长距离埋地管道来实现,管材一般为钢制螺旋焊管。由于长输管道均采用埋地方式铺设,穿越地段地形复杂,土壤性质各异,土壤对管道有着不同程度且很强的腐蚀性,漏损处也不易及时发现，且地下管道的维修要进行大量的土方工程，比新建管线还要费工。因此,长期、安全、平稳的运行是长输管道首要的任务。如何防止埋地管道的腐蚀破坏长期以来一直是管道工程中的一个重要环节。1埋地钢质管道腐蚀因素分析埋地钢质管道发生腐蚀有四大影响因素：环境、腐蚀防护效果、钢管材质及制造工艺、应力水平。管道的腐蚀破坏是上述诸因素相互影响的结果。1.1埋地管道所处的环境埋地管道在工作环境下,受着多种腐蚀,主要腐蚀情况有：土壤腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀。土壤是具有固、液、气三相的毛细管多孔性的胶质体，土壤的空隙为空气和水所充满,水中含有一定的盐使土壤具有离子导电性；土壤物理化学性质的不均匀性和金属材质的电化学不均匀性，构成了埋地管道的电化学腐蚀条件，从而产生土壤腐蚀。在一些缺氧的土壤中有细菌(硫酸盐还原菌)参加了腐蚀过程，细菌的作用是参加电极反应将可溶硫酸盐转化为硫化氢与铁作用，产生细菌腐蚀。此种反应因需具备缺氧条件，在低水位、强盐碱的滨海地区，细菌腐蚀不占主导地位。杂散电流是在地下流动的防护系统设计之外对金属管道产生腐蚀破坏作用的电流，杂散电流腐蚀包括直流杂散电流腐蚀和交流杂散电流腐蚀。直流杂散电流腐蚀原理与电解腐蚀类似；交流杂散电流是管道附近高压电力线产生的二次感应交流电叠加在管道上形成电化学电池产生的腐蚀，其腐蚀量较小，但集中腐蚀性强。1.2腐蚀防护效果腐蚀防护是控制管道是否会发生腐蚀破坏的关键因素。目前管道的腐蚀防护采用了双重措施，即防腐覆盖层与阴极保护(外加电流或牺牲阳极、排流)。防腐覆盖层至关重要的是能抵御现场环境腐蚀，保证与钢管牢固粘结，尽可能不出现阴极剥离，造成阴保死区。一旦发生局部剥离，就必须调整外加电流阴极保护系统运行参数，有效控制死区腐蚀，以达到防护效果。1.3钢管的材质与制造因素钢管的材质与制造因素是管道腐蚀的内因，特别是钢材的化学组分与微晶结构，非金属组分含量高，如S、P易发生腐蚀，C、Si易造成脆性开裂。微晶细度等级低，裂纹沿晶粒扩展，易发生开裂，加入微量镍、铜、铬可提高抗腐蚀性。在钢管制造过程中，表面存在缺陷如划痕、凹坑、微裂等，也易造成腐蚀开裂。1.4管道运行过程中的使用应力管道运行时，输送压力与压力波动是应力腐蚀开裂的又一重要因素。过高的压力使管壁产生过大的使用应力，易使腐蚀裂纹扩展；压力循环波动也易使裂纹扩展。当裂纹扩展达到临界状态时，管道就会发生断裂破坏，甚至引起爆炸(如输气管道)。2管道防腐蚀措施目前,国内采用的管道防护方法主要有：涂层保护、电化学保护、杂散电流排流保护。2.1涂层保护管道外防腐蚀层的选择要求外防腐蚀层的选择应遵守以下原则（1）技术可靠，防腐蚀性能好，具有较好的机械性能和绝缘性能，水渗透率低，耐阴极剥离性好，耐植物根穿刺，耐微生物侵蚀，与钢管粘接力强，易于补口、补伤等；（2）经济合理，既能达到防腐蚀效果，又能节约费用；（3）根据现有的技术设备及施工水平，能达到设计的要求，满足工程的需要。目前国内外适用于长输管道的防腐蚀涂层主要有煤焦油瓷漆、PE二层结构、PE三层结构、熔结环氧粉末（FBE）、双层熔结环氧粉末（双层FBE）覆盖层等。下面将各种防腐蚀材料的主要优缺点、国内外应用状况及评价简述如下:（1）煤焦油瓷漆。具有绝缘性能好、吸水率低、耐细菌腐蚀和植物根茎穿透、国内材料充足及使用寿命长、价格低（约55～60元/ｍ2）等优点。主要缺点是机械强度较低,适宜温度范围窄，低温易变脆，生产施工过程中可能会逸出有毒气体，需要严格的烟雾处理措施。国外使用已有70多年历史，近年来因受环保的限制逐渐被其他覆盖层代替。我国已研制出达到国际标准的煤焦油瓷漆产品，分3种型号，以适应不同的温度需要。（2）PE两层结构。具有绝缘性能好、吸水率低、机械强度高、坚韧耐磨、耐酸碱盐和细菌腐蚀、耐温度变化、国内材料充足等优点，价格较低（约60～65元/ｍ2）。缺点是耐紫外线性能差，阳光下过久暴露易老化，与钢管表面结合力较差，抗阴极剥离性能差。PE层的静电屏蔽作用不利于外加电流阴极保护。国外采用聚乙烯防腐蚀有40多年历史，目前仍有一定的使用量，其中,在中小管径上的用量占第一位，中等管径应用上仅次于熔结环氧粉末。国内1985年后广泛应用，到目前为止油田和各地中小管径采用此种覆盖层的防腐蚀管道已超过上万公里。（3）PE三层结构。PE三层结构防腐蚀层结合了高密度聚乙烯包覆、熔结环氧粉末的优点。它利用环氧粉末与钢管表面牢固结合，利用高密度聚乙烯耐机械损伤，两层之间特殊的胶层使三者形成分子键结合的复合结构，实现防腐蚀性能、机械性能的良好结合，是目前我国大型管道工程首选的涂层。PE三层结构防腐蚀层从1995年在库鄯线、陕京线应用以来，防腐蚀效果很好。PE三层结构防腐蚀层造价相对较高（约100元/ｍ2），是其缺点之一。（4）熔结环氧粉末（FBE）具有与钢管表面结合牢固、绝缘性能好、机械强度高、耐温度变化、耐化学腐蚀等优点，可适用于各种恶劣自然环境。主要缺点是耐紫外线性能差；由于覆盖层较薄（0.35～0.50mm），耐划伤和磕碰性能较厚覆盖层要差。国外从20世纪60年代开始应用于管道防腐蚀，发展很快，是目前国际管道防腐蚀上采用量最多的覆盖层。价格约在65～70元/m2。国内的大型新建长输管道也多采用此涂层。（5）双层熔结环氧粉末（双层FBE）与PE三层结构类似，具有和PE三层相同的综合性能，机械性能尤其高，补口也用双层FBE，相容性好，覆盖层表面光滑。另外可避免阴极屏蔽问题，与阴极保护系统的匹配性比PE三层结构更好。这是国际上新研制出的一种覆盖层，最适于穿越段及石方山区使用。缺点是价格较高，约在95～100元/m2。管道外防腐蚀补口：PE三层结构防腐蚀层段采用加强级（三层）辐射交联聚乙烯热收缩带补口，FBE段采用液体环氧现场喷涂或辐射交联聚乙烯热收缩带补口，双层FBE采用同种材料及结构补口。长输管道所处外界条件及其重要性不是完全一样的，供选择的防腐层种类很多。为某一具体工程选择一种合适的防腐层，则需要根据具体情况论证比较。2.2电化学保护电化学保护包括阴极保护和阳极保护。阳极保护是使被保护金属处于稳定的钝性状态的一种防护方法,可通过外加电源进行极化或添加氧化剂的方法达到防护目的。阴极保护是在金属表面通过足够的阴极电流，使金属表面阴极极化，成为电化学腐蚀电池中电位均一的阴极，从而防止管道腐蚀。对于大口径的长输管道，国内多采用强制电流为主、牺牲阳极为辅的阴极保护方法。由于防蚀层性能优良，使得保护距离加长，两阴极保护站间距可达110km。为防止阴极保护电流的流失，在工艺站场的管道进、出口处设置电绝缘装置。为防止管道防腐层或绝缘接头遭受雷击或电力故障而引起破坏，在绝缘接头位置安装锌接地电池。在大型河流穿越段的两岸边各安装一组锌合金牺牲阳极以加强保护。2.3杂散电流排流保护管道沿线与高压输电线路近距离平行时，高压输电线、电气化铁路会对管道造成干扰，加剧管道的腐蚀，因此，管道应尽量远离交、直流干扰源。管线的排流保护，依据被干扰管道阳极区有无正负极性交变采用不同的排流方式，不变时采用直流排流，交变时采用极性排流，比较复杂时采用强制排流。待管道埋地后根据杂散电流的实测结果有针对性地采取有效排流措施，在杂散电流流出点安装成组锌阳极，通过玻璃钢测试桩与管道相连，以达到排流、减轻干扰的目的。3长输管道防腐蚀技术发展方向（1）外防腐涂料的研制开发仍是我国亟待解决的问题，尽管多数材料已实现国产化，但与国外比较仍存在较大差距，如聚乙烯仍有环境应力开裂问题，环向大分子取向引发的非取向方向开裂问题，热收缩套温控与收缩不同步问题等。（2）补口技术的开发热点集中在现场小型化补口设备及工艺技术开发上，使得现场补口小区域实现喷砂处理，环氧底漆涂覆、胶带缠绕、加热控制、缠绕预紧力控制、胶体固体或塑化、冷固控制实现自动化规范控制，以避免人工操作发生的各种偶然失误。（3）对腐蚀管道进行快速、准确的定位，是管道防腐的一个重要环节。近年来使用的地面清长输管道腐蚀检测监控技术与国外比目前差距比较大。特别是远程在线通讯自动监测技术，现虽已有研究报导，但距离实际应用尚有一段距离，应加快研究步伐，以满足我国经济发展战略要求。（4）防腐管理的计算机网络化。将防腐设施及相关资料与管网的地理信息相结合形成独立的体系，实现计算机网络化管理，以便捕捉、分析、统计管网的各种数据，及时准确预报，防止各种隐患发生。其内容包括建立图档管理系统，管网现代监测系统和仿真模拟计算系统，然后将它们有机地联系起来，就可随时查询管道是否处于最佳运行状态，一旦发生异常亦能准确定性和定位，及时制定最佳的排除方法，把损失减少到最小程度。