石油管道综述防腐

油气管道的腐蚀与防护摘要：随着我国经济的不断发展，输油管道的使用优点日益突出，但埋地管道的腐蚀严重影响其使用寿命和所输油品质量，甚至造成泄漏污染环境。文章通过对金属管道的腐蚀机理分析，了解腐蚀发生的原因，提出有效的防护措施。关键词：输油管道；腐蚀；防护1.引言管道是随着石油生产而产生的一种特殊的运输方式，作为五大运输方式之一，已经有了100多年的历史。随着国民经济的发展，管道输油的优点日益突显出来。输油管道基本上都采用碳素钢无缝钢管、直缝电阻焊钢管和螺旋焊缝钢管。输油管道的铺设设一般采用地上架空或埋地两种方式。但无论采用哪种方式，当金属管道和四周介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起其表面锈蚀，腐蚀是引起管道系统可靠性和使用寿命的关键因素。金属管道遭到腐蚀后，在外形、色泽以及机械性能方面都将发生变化，影响所输油品的质量，缩短输油管道的使用寿命，严重可能造成泄漏污染环境，甚至不能使用。随着原油开发进入中后期，越来越多的腐蚀问题已显现出来，由于腐蚀而引起的恶性突发事故，往往造成巨大的经济损失和严重的社会后果。因此，了解腐蚀发生的原因，油气管道的腐蚀机理、影响因素和控制方法，从而采取有效的防护措施，有着十分重大的意义。由于腐蚀的复杂性和多变性，任何防腐技术都不是万能的，腐蚀是绝对的，防腐是相对的，所以我们需要更全面深入地了解腐蚀的环境特点，并通过合理的选材和设计预防腐蚀；同时采取适宜的防腐技术与措施来控制石油管道中的腐蚀。这样才能将石油管道的腐蚀损失降到最低程度。2、金属腐蚀的定义和本质腐蚀是金属和周围的环境起化学或电化学反应而导致的破坏性侵蚀。国际标准化组织ISO6044―1999和我国国标GB/T10123将腐蚀定义为“金属与环境间的物理作用-化学相互作用，其结果是使金属性能发生变化，导致金属、环境及其构成的技术体系功能受到损伤”。广义的腐蚀是指材料与环境间发生的化学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象；狭义的腐蚀是指金属的腐蚀。其本质是金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化合物。1.1金属腐蚀金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。美国1975年因金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元，占当年国民经济生产总值的4.2%.据统计，每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10~20%.金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算。1.2金属腐蚀的途径这种腐蚀过程一般通过两种途径进行，分别为化学腐蚀和电化学腐蚀：化学腐蚀：金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。电化学腐蚀：金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触,通过电极反应产生的腐蚀。1.3金属材料腐蚀的分类及特点1.3.1点蚀点蚀又称坑蚀和小孔腐蚀。点蚀有大有小，一般情况下，点蚀的深度要比其直径大的多。点蚀经常发生在表面有钝化膜或保护膜的金属上由于金属材料中存在缺陷、杂质和溶质等的不均一性，当介质中含有某些活性阴离子（如Cl－）时，这些活性阴离子首先被吸附在金属表面某些点上，从而使金属表面钝化膜发生破坏。一旦这层钝化膜被破坏又缺乏自钝化能力时，金属表面就发生腐蚀。这是因为在金属表面缺陷处易漏出机体金属，使其呈活化状态，而钝化膜处仍为钝态，这样就形成了活性—钝性腐蚀电池，由于阳极面积比阴极面积小得多，阳极电流密度很大，所以腐蚀往深处发展，金属表面很快就被腐蚀成小孔，这种现象被称为点蚀.在石油、化工的腐蚀失效类型统计中，点蚀约占20%～25%。流动不畅的含活性阴离子的介质中容易形成活性阴离子的积聚和浓缩的条件，促使点蚀的生成。粗糙的表面比光滑的表面更容易发生点蚀PH值降低、温度升高都会增加点蚀的倾向。氧化性金属离子（如Fe3+、Cu2+、Hg2+等）能促进点蚀的产生。但某些含氧阴离子（如氢氧化物、铬酸盐、硝酸盐和硫酸盐等）能防止点蚀.点蚀虽然失重不大，但由于阳极面积很小，所以腐蚀速率很快，严重时可造成设备穿孔，使大量的油、水、气泄漏，有时甚至造成火灾、爆炸等严重事故，危险性很大。点蚀会使晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等加剧，在很多情况下点蚀是这些类型腐蚀的起源.1.2缝隙腐蚀在电解液中，金属与金属或金属与非金属表面之间构成狭窄的缝隙，缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而产生局部腐蚀，这种腐蚀被称为缝隙腐蚀。缝隙腐蚀常发生在设备中法兰的连接处，垫圈、衬板、缠绕与金属重叠处，它可以在不同的金属和不同的腐蚀介质中出现，从而给生产设备的正常运行造成严重障碍，甚至发生破坏事故。对钛及钛合金来说，缝隙腐蚀是最应关注的腐蚀现象。介质中，氧气浓度增加，缝隙腐蚀量增加；PH值减小，阳极溶解速度增加，缝隙腐蚀量也增加；活性阴离子的浓度增加，缝隙腐蚀敏感性升高。但是，某些含氧阴离子的增加会减小缝隙腐蚀量.1.3应力腐蚀材料在特定的腐蚀介质中和在静拉伸应力（包括外加载荷、热应力、冷加工、热加工、焊接等所引起的残余应力，以及裂缝锈蚀产物的楔入应力等）下，所出现的低于强度极限的脆性开裂现象，称为应力腐蚀开裂.金属腐蚀应力腐蚀开裂是先在金属的腐蚀敏感部位形成微小凹坑，产生细长的裂缝，且裂缝扩展很快，能在短时间内发生严重的破坏。应力腐蚀开裂在石油、化工腐蚀失效类型中所占比例最高，可达50%.应力腐蚀的产生有两个基本条件：一是材料对介质具有一定的应力腐蚀开裂敏感性；二是存在足够高的拉应力。导致应力腐蚀开裂的应力可以来自工作应力，也可以来自制造过程中产生的残余应力。据统计，在应力腐蚀开裂事故中，由残余应力所引起的占80%以上，而由工作应力引起的则不足20%.|应力腐蚀过程一般可分为三个阶段。第一阶段为孕育期，在这一阶段内，因腐蚀过程局部化和拉应力作用的结果，使裂纹生核；第二阶段为腐蚀裂纹发展时期，当裂纹生核后，在腐蚀介质和金属中拉应力的共同作用下，裂纹扩展；第三阶段中，由于拉应力的局部集中，裂纹急剧生长导致零件的破坏.在发生应力腐蚀破裂时，并不发生明显的均匀腐蚀，甚至腐蚀产物极少，有时肉眼也难以发现，因此，应力腐蚀是一种非常危险的破坏.一般来说，介质中氯化物浓度的增加，会缩短应力腐蚀开裂所需的时间。不同氯化物的腐蚀作用是按Mg2+、Fe3+、Ca2+、Na1+、Li1+等离子的顺序递减的。发生应力腐蚀的温度一般在50℃～300℃之间.防止应力腐蚀应从减少腐蚀和消除拉应力两方面来采取措施。主要是：一要尽量避免使用对应力腐蚀敏感的材料；二在设计设备结构时要力求合理，尽量减少应力集中和积存腐蚀介质；三在加工制造设备时，要注意消除残余应力.1.4腐蚀疲劳腐蚀疲劳是在腐蚀介质与循环应力的联合作用下产生的。这种由于腐蚀介质而引起的抗腐蚀疲劳性能的降低，称为腐蚀疲劳。疲劳破坏的应力值低于屈服点，在一定的临界循环应力值（疲劳极限或称疲劳寿命）以上时，才会发生疲劳破坏。而腐蚀疲劳却可能在很低的应力条件下就发生破断，因而它是很危险的.影响材料腐蚀疲劳的因素主要有应力交变速度、介质温度、介质成分、材料尺寸、加工和热处理等。增加载荷循环速度、降低介质的PH值或升高介质的温度，都会使腐蚀疲劳强度下降。材料表面的损伤或较低的粗糙度所产生的应力集中，会使疲劳极限下降，从而也会降低疲劳强度.1.5晶间腐蚀晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中，沿着材料的晶粒间界受到腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部腐蚀破坏现象。受这种腐蚀的设备或零件，有时从外表看仍是完好光亮，但由于晶金属腐蚀粒之间的结合力被破坏，材料几乎丧失了强度，严重者会失去金属声音，轻轻敲击便成为粉末.据统计，在石油、化工设备腐蚀失效事故中，晶间腐蚀约占4%～9%，主要发生在用轧材焊接的容器及热交换器上.一般认为，晶界合金元素的贫化是产生晶间腐蚀的主要原因。通过提高材料的纯度，去除碳、氮、磷和硅等有害微量元素或加入少量稳定化元素（钛、铌），以控制晶界上析出的碳化物及采用适当的热处理制度和适当的加工工艺，可防止晶间腐蚀的产生.1.6均匀腐蚀均匀腐蚀是指在与环境接触的整个金属表面上几乎以相同速度进行的腐蚀。在应用耐蚀材料时，应以抗均匀腐蚀作为主要的耐蚀性能依据，在特殊情况下才考虑某些抗局部腐蚀的性能.1.7磨损腐蚀（冲蚀）由磨损和腐蚀联合作用而产生的材料破坏过程叫磨损腐蚀。磨损腐蚀可发生在高速流动的金属腐蚀流体管道及载有悬浮摩擦颗粒金属腐蚀流体的泵、管道等处。有的过流部件，如高压减压阀中的阀瓣（头）和阀座、离心泵的叶轮、风机中的叶片等，在这些部位腐蚀介质的相对流动速度很高，使钝化型耐蚀金属材料表面的钝化膜，因受到过分的机械冲刷作用而不易恢复，腐蚀率会明显加剧，如果腐蚀介质中存在着固相颗粒，会大大加剧磨损腐蚀.1.8氢脆;金属材料特别是钛材一旦吸氢，就会析出脆性氢化物，使机械强度劣化。在腐蚀介质中，金属因腐蚀反应析出的氢及制造过程中吸收的氢，是金属中氢的主要来源。金属的表面状态对吸氢有明显的影响，研究表明，钛材的研磨表面吸氢量最多，其次为原始表面，而真空退火和酸洗表面最难吸氢。钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢腐蚀是金属和周围的环境起化学或电化学反应而导致的破坏性侵蚀。国际标准化组织ISO6044―1999和我国国标GB/T10123将腐蚀定义为“金属与环境间的物理作用-化学相互作用，其结果是使金属性能发生变化，导致金属、环境及其构成的技术体系功能受到损伤”。广义的腐蚀是指材料与环境间发生的化学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象；狭义的腐蚀是指金属的腐蚀。其本质是金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化合物。2、油气管道防腐蚀的意义石油天然气工业是遭受腐蚀破坏严重的行业之一，隋着石油开发进入中后期，采出液综合含水率逐步上升，并且由于开采出来的液矿化度高，氯离子含量大、且还含有二氧化碳、硫化氢、溶解氧、泥沙和硫酸盐还原菌等微生物，加上高温、高压、流速以及流态变化等的相互作用，对油气管线、设备等造成严重的腐蚀，再加上土壤、杂散电流、微生物等对埋地管道造成的外腐蚀，油气管道腐蚀问题遍及油气开采、储运、炼化等油气田生产的各个环节，已成为制约油气田安全生产与降低成本、增加效益的重要因素之一。3、油气金属管道腐蚀的分类和类型3.1油气金属管道腐蚀的分类由于油气管道腐蚀的现象与机理比较复杂，故腐蚀分类方法也比较多。常用的分类方法如下：1.按照腐蚀环境分类，可分为化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀等。2.根据腐蚀过程的特点和机理分类，可分为如下的化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀。化学腐蚀：金属管道与非电解质直接发送纯化学作用而遭受破坏，叫做化学腐蚀。其特点是反应过程中没有电流产生，单纯化学腐蚀的过程是非常少的。化学腐蚀有以下两种：1）气体腐蚀金属管道在干燥的气体中，表面上没有湿气冷凝的腐蚀叫做气体腐蚀。2）非电解质溶解中的腐蚀金属管道在不导电的非电解质溶液中的腐蚀。电化学腐蚀：金属管道与介质发生反应过程中有电流产生而引起的腐蚀，叫做电化学腐蚀。其腐蚀反应有一个阳极反应和一个阴极反应。电化学腐蚀是最普遍和常见的腐蚀，金属在各种化学介质、大气、海水中的腐蚀皆属此类。物理腐蚀：金属由于单纯的物理溶解作用而引起的腐蚀，叫做物理腐蚀。如许多金属在高温熔盐、熔碱及液态金属中可发生物理腐蚀。3.2油气金属管道腐蚀的破坏形式按照腐蚀破坏形式，有均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。(1)均匀腐蚀整个金属管道表面均匀地发生腐蚀，均匀腐蚀一般危险性较个。(2)局部腐蚀整个金属管道仅局限于一定的区域腐蚀，而其他部位则几乎未被腐蚀，局部腐蚀可分为如下类型。①小孔腐蚀又称点蚀，在金属管道某些部位，被腐蚀成一些小而深的孔，严重时发生穿孔。②斑点腐浊腐蚀形态像魔点一样分布在金属管道表面上，所占面积较大，但不深。③电偶腐浊两种不同电极