城市天然气管道的腐蚀与防护

材料保护技术及其工程设计课报告题目城市天然气管道的腐蚀与防护论文作者及内容：李金凤07120105：第一、五部分研究背景和意义和结论；文章摘要，关键字，全文修改整理、排版连接。陆宏杰071201：第二部分腐蚀类型及机理施渊吉07120107：第三腐蚀的防护措施概述洪晓露07120104：第四防护措施的设计城市天然气管道的腐蚀与防护李金凤陆宏杰施渊吉洪晓露上海大学材料科学与工程学院摘要天然气使用量的急剧增加，而管网设施是天然气发展的基本条件之一,也是国家现代化的重要标志。因此城市燃气管网设施大力建设迅速发展，成为了城市生存和发展的必要保障和国家重要的基础设施。本文对城市天然气管道的腐蚀包括大气、土壤腐蚀的特点及其影响因素进行了分析,并概括介绍了目前的一些防护措施。关键词城市天然气管道大气土壤腐蚀防护一、研究背景和意义天然气是石油的气态烃类的采出物质,天然气分为伴生气和非伴生气两种。我国很多城市目前应用天然气,或用于民用燃气,或用于化工原料,或用于工业燃料。随着我国国民经济较快发展，改善能源结构的要求日趋迫切,加上环保要求的日益严格和消费者环保意识的增强，从而对清洁能源天然气的需求会有较快增长。天然气的地位随着上升。根据我国国民经济发展对能源的需求和能源结构的变化,采用能源弹性系数法预测我国天然气需求,结果为2005年~2010年天然气总需求是600×108~1010×108m3，见表1。天然气使用量的急剧增加，推动了天然气工业的发展，管网设施是天然气发展的基本条件之一,也是国家现代化的重要标志。因此城市燃气管网设施大力建设迅速发展，成为了城市生存和发展的必要保障和国家重要的基础设施。天然气管道是连接上游资源和下游用户的纽带,是天然气运输和消费的必备手段。全国城市燃气行业，到１９９９年管道长度为４．６２万km。其中人工煤气管道２．９５万km，液化石油气管道０．２万km，天然气管道１．４７万km。而全国天然气管道总长度约10638km。管径426mm以上的输气管道共45条，长度为6873km。2007年已完成基本骨干管道（约4000km）的西气东输工程，配套建设支干线和区域性管道11000～17000km，形成基本覆盖长江三角洲地区及华东、华北、中部地区的天然气管网。，目前输气管道使用最多的是钢管,包括无缝管、直缝管、螺旋缝管,敷设方式一般为埋地。有实验表明,埋地钢管若不加防腐,一年即可能腐蚀穿孔,而若采取合理的防腐措施,使用寿命可达25年以上。天然气开采过程中,常常会有一些伴生气体如二氧化碳、硫化氢等,这些气体的存在，不但降低了天然气的热值,还会对管道、设备等有腐蚀作用。所以天然气输送设备由于长期与强腐蚀介质接触，特别在高温、高压盒高流速等条件下服役，腐蚀问题显得更为突出和严重。从热力学观点上来看，金属腐蚀是一种自由能降低的自发过程，天然气地下金属管道外壁所受的腐蚀是金属在所处的环境中受化学和电化学作用而引起的一种损坏。腐蚀会造成天然气井油(套)的断裂、集输管线爆破等管线故障。它的的发生将严重制约天然气集输能力的提高,导致维修改造费用增大。另外由于天然气具有易燃、易爆等特性,一旦管道泄漏很可能引起火灾爆炸事故。从而破坏正常平稳供气，影响用户的生产和生活以及生命财产安全。据调查,天津燃气管线38公里，近十年来，管线多次被腐蚀穿孔已更换6公里。按管道投产时间与壁厚资料计算，穿孔年限5-17年，腐蚀速度0.30-1.22毫米/年。我国东部九个油气田各类管道因腐蚀穿孔达2万次/年,更换管道数量达400km/年,因腐蚀造成的年直接经济损失约为数亿元。腐蚀带来的危害不仅威胁人们的生命安全，也给国家造成很大的经济损失。因此,加强对腐蚀及防腐问题的研究,具有重要的经济与实践意义。对天然气管道中的腐蚀及如何解决腐蚀的问题进行研究是非常有必要的。二、腐蚀类型及机理2.1大气腐蚀由大气中的水、氧、酸性污染物等物质的作用而引起的腐蚀,称为大气腐蚀。钢铁在大气自然环境中生锈,就是一种最常见的大气腐蚀现象。通常所说的大气腐蚀,就是指金属材料在常温下潮湿空气中的腐蚀。2.1.1大气腐蚀特征一般地讲,钢材在大气条件下,遭受大气腐蚀有三种类型。（1）干燥的大气腐蚀。此时大气中基本没有水汽,普通金属在室温下产生不可见的氧化膜,钢铁的表面将保持着光泽。（2）潮湿的大气腐蚀。是指金属在肉眼看不见的薄膜层下所发生的腐蚀。大气条件下钢材的腐蚀实质上是水膜下的电化学腐蚀。此时大气中存在着水汽,当水汽浓度超过临界湿度(铁的临界湿度约为65%,某些镍的腐蚀产物临界湿度约为85%,而铜的腐蚀产物临界湿度接近100%),相对湿度低于100%时,金属表面有很薄的一层水膜存在,就会发生均匀腐蚀。若大气中有酸性污染物CO2、H2S、SO2等,腐蚀显著加快。（3）可见液膜下的大气腐蚀。指空气中的相对湿度为100%左右或在雨中及其他水溶液中产生的腐蚀。此时,水分在金属表面上已成液滴凝聚,存在肉眼看得见的水膜。2.1.2大气腐蚀的影响因素(1)水的影响。在大气环境下对钢材起腐蚀作用的物质中,水是主要因素(一般地讲湿度越大,腐蚀性就越强)。其腐蚀原理概述如下:(a)水是一种电解质,而且还能溶解大量的离子,从而引起金属的腐蚀。(b)水可离解成H+和OH-,pH值的不同对金属和氧化物的溶解腐蚀具有明显的影响。(2)SO2的影响。SO2在大气中被氧化成SO3，与水结合生成H2SO4，与钢铁产生化学反应导致腐蚀。在受工业废气污染地区,SO2对钢材腐蚀的影响最为严重。以石油、天然气、煤为燃料的废气中含有大量的SO2,钢材的腐蚀速率随大气中的SO2含量的增加而增加。2土壤腐蚀运输管道的排放，大多数在土壤之中。而天然气在开采和输送中大量地应用了钢质管道,一般埋地钢质管道在土壤作用下常发生严重的腐蚀穿孔,造成油气的跑、冒、滴、漏。不但造成经济损失,而且可以引起爆炸、起火、污染环境等。正确地评价土壤的腐蚀性,对正确地选择防腐措施有着十分重要的意义。2.2.1土壤腐蚀特点由于土壤具有多相性和不均匀性,并且具有很多微孔可以渗透水及气体,因此不同土壤具有不同的腐蚀性,又由于土壤具有相对的稳定性,使得土壤腐蚀和其他电化学腐蚀过程不同。在土壤中,氧的传递通过土壤孔隙输送,其传送速度取决于土壤的结构和湿度,在不同的土壤中氧的渗透率会有很大差别。在土壤中除具有可能生成的多相组织不均性有关的腐蚀微电池外,还会因土壤介质的宏观差别而造成宏腐蚀电池。宏腐蚀电池的种类有:(1)长距离输油管道穿越不同土壤形成的宏腐蚀电池。(2)管体不同材料差异埋在土壤中产生的宏腐蚀电池。(3)由于管道埋深不同,上、下部土壤的密实性,含氧等差别造成管道上下部电极电位不同形成宏腐蚀电池。2.2.2土壤腐蚀的影响因素(1)土壤性质。土壤的孔隙度、含水量、电阻率、pH值以及含盐量等对土壤的腐蚀性有极大影响。(a)孔隙度的影响。土壤的孔隙有利于氧气的渗入和水分保存,孔隙度越大管道腐蚀越严重。(b)土壤中含水量的影响。随着含水量增加腐蚀速率增加,当含水量超过一定值以后,由于水量增加氧的扩散渗透受到阻碍,土壤中的可溶性盐已全部溶解,即尽管含水量增加,但不再有新的盐分溶解,从而使腐蚀速率减小。当土壤中含水在10%以下时,由于水分的短缺,土壤电阻加大,腐蚀速率急速降低。(c)电阻率的影响。土壤电阻率与土壤的含水量、含盐量、孔隙度等很多因素有关,土壤电阻率越小腐蚀速率越高。(d)pH值的影响。我国大部分土壤属中性,pH值在6～8之间,随着pH值的降低腐蚀速率增加。(e)含盐量的影响。一般土壤中的含盐量为0.0088%～0.15%,土壤中含盐量越大电导率也越大,从而提高土壤的腐蚀性。当土壤中含CaCO3时,其腐蚀速率随CaCO3含量的增加而降低。(2)杂散电流的影响。电车、电气化铁路、以接地为回路的输配电系统、电解装置等,在其规定的电路中流动的电流,其中一部分自回路中流出,流入大地、水等环境中,形成了杂散电流。当环境中存在埋地管线或金属构筑物时,杂散电流的一部分又可能流入、流出埋地管线或金属构筑物,产生干扰腐蚀。根据腐蚀干扰源的不同,可分为直流干扰和交流干扰。杂散电流腐蚀程度,要比一般的土壤腐蚀剧烈得多。(3)土壤中的微生物的影响。硫酸盐还原菌生存在土壤中是一种厌氧菌,它参加电极反应,将可溶的硫酸盐转化为硫化氢,加速了腐蚀作用。(4)温度的影响。温度对腐蚀速度有很大影响,一般来讲,温度每升高20℃,腐蚀速度加快一倍。2.3天然气管道的腐蚀破坏形态天然气管道腐蚀的破坏形态包括全面腐蚀和局部腐蚀,全面腐蚀是一种常见的腐蚀形态,包括均匀全面腐蚀和不均匀全面腐蚀。局部腐蚀又可以分为点腐蚀（孔蚀）、缝隙腐蚀和疲劳腐蚀等。某某管道的宏观腐蚀形貌三、腐蚀的防护措施概述及应用现状埋地管道的腐蚀可分为内壁腐蚀和外壁腐蚀两种类型。3.1内壁腐蚀及防护：内壁腐蚀是由于天然气中残存的水分、和、等酸性气体造成的类似原电池的电化学反应和破坏金属晶格的化学反应。这两种反应都造成管壁疏松、脱落以致穿孔,不能再承受压力和输送天然气。对于内壁的防腐蚀,主要可从以下两个方面入手①净化天然气通常在气源地,从地下开采出来的天然气先经过脱硫、脱水等一系列工艺,达到国家相关标准,才进人长输管线。②管道内壁涂敷对管道作内壁涂敷可减少腐蚀、输气阻力以及每年的清管次数。目前我国已开发了钢管内表面环氧树脂静电粉末喷涂技术及成套设备。有数据表明,对于大口径长输管线,大约一年即可收回内涂所花费的投资。3.2外壁腐蚀及防护管道的外壁腐蚀情况较为复杂,它与多种因素有关,如管道的材质、组织结构的均匀性、包含杂质的种类、数量、焊缝熔渣和机械加工残余应力等,还与土壤性质、电阻率、含水量、值、杂散电流、干扰电流、微生物等有关。如果用被腐蚀金属的质量来表示腐蚀速度,则有下列关系：W=i*t*k式中：W一被腐蚀金属损失的质量,gi一腐蚀电流强度,At一时间,sk一电化学当量上述因素都会影响到腐蚀电流,其中,土壤电阻率是反映土壤腐蚀性的主要指标,土壤电阻率越小,形成腐蚀电池的电流强度越大,腐蚀速度则越大,反之亦然。目前埋地钢管外壁防腐蚀较为常用的是绝缘层防腐蚀和电保护防腐蚀,两者通常同时使用。绝缘层防腐蚀要根据管道所处地域的地形、地貌、地质状况正确选择合理的防腐蚀材料,目前国内外常用的有石油沥青、环氧煤沥青、煤焦油瓷漆、聚乙烯熔结环氧粉末等。管道防腐蚀总成本应包括以下几项因素①材料、②施工、③修补、④安装、⑤阴极保护、⑥维修、⑦检验、⑧设计年限等,综合以上各因素,目前国内使用较多的是环氧煤沥青防腐蚀。它分三个等级见下表,可根据不同的要求进行选择。3.3对于管道腐蚀的具体防护措施有下面的办法3.3.1涂层防护防蚀涂层作为公认的防护方法已广泛用于埋地管道的腐蚀控制。涂层作为腐蚀控制的第一道防线，其作用是将管体金属基体与具有腐蚀性的土壤环境隔离，同时为附加阴极保护的实施提供必要的绝缘条件。此外，管道涂层在涂装、运转装卸、下沟回填以及投产运行后不可避免会出现缺陷。3.3.2防蚀涂层目前用于新建埋地管道的防蚀涂层主要有：复合涂层和环氧粉末。煤焦油瓷漆和石油沥青由于污染环境目前用的很少，用于老管道修复主要是缠带类和液体涂料。3.3.3复合涂层通过简单的物理叠合或化学粘结将各具特点的单一涂层材料联为一体，形成综合性能良好的多层涂层系统。包括二层聚乙烯/聚丙烯、三层聚乙烯、聚丙烯等。3.3.4三层聚乙烯/聚丙烯涂层三层系统是目前常用的复合涂层，由环氧粉末底层、粘结剂中间层和聚烯烃外护层组成。由于其兼有熔结环氧优异的防蚀性能、良好的粘结性与抗阴极剥离性能以及聚烯烃优良的机械性能、绝缘性能及强抗渗透性，从而成为综合性能优异的涂层，广泛用于施工及敷设环境均较苛刻的地带。如：陕-京输气管线、靖-西输气管线及兰-成-渝成品油管线等。三层涂层的主要缺点是施工工艺较复杂；由于中间胶粘剂和外层聚乙烯均采用挤出工艺，焊缝处易形成空鼓；涂层一旦失去粘结，涂层将出现层间分离，高度绝缘的聚乙烯外护层将屏蔽阴极保护电流，产生膜下腐蚀。3.3.5环氧粉末涂层环氧粉末由固态环氧