天然气管道阴极保护技术及应用

技术讲座天然气管道阴极保护技术及应用李琼玮长庆油田公司油气工艺研究院2012年3月油气工艺研究院油化与防腐室腐蚀在建筑、工业、文物等各方面，到日常生活中都普遍存在。油气生产中，腐蚀可能带来严重危害。雅可拉凝析气田因P110油管的腐蚀引起井喷，导致直接损失8000万元兵马俑坑挖掘发现的青铜剑油气工艺研究院油化与防腐室前前言言钻钻井井采油、气采油、气集集输输炼油、化工炼油、化工9海、陆地超深井9高含H2S、CO2井9高产量油气井9含大段水层井¾含H2S、CO2¾高速流体冲刷¾产层出水、细菌¾复合增产措施¾外水层‹管道内外腐蚀‹场站环境腐蚀z新疆、沿海炼油企业的高硫、高酸进口原油加工；z炼化工艺的复杂性¾¾腐蚀腐蚀————严重的影响着油气田的正常生产严重的影响着油气田的正常生产¾¾腐蚀腐蚀————造成大量的经济损失造成大量的经济损失¾¾腐蚀腐蚀————潜在的安全隐患潜在的安全隐患腐蚀存在于油气田生产的全过程腐蚀存在于油气田生产的全过程油气工艺研究院油化与防腐室气田气田腐蚀腐蚀治理途径治理途径腐蚀检测与监测腐蚀综合治理防腐投入与管理腐蚀失效原因、腐蚀机理与规律研究防治措施筛选、开发及应用耐蚀材料缓蚀剂涂镀层阴极保护现场调研与测试室内模拟研究文献查阅与研究腐蚀评估与预测腐蚀风险与经济分析前前言言油气工艺研究院油化与防腐室材料的使用性能固有性能（物理、化学和机械）成分/组成（原子结构、键、排列和组织）制备合成/加工工艺腐蚀技术研究的特点¾明显的交叉学科的性质¾无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学、¾电化学¾物理，表面工程等¾金属材料、非金属材料、¾高分子材料、复合材料前前言言油气工艺研究院油化与防腐室国内外比较有影响力的腐蚀专业学会：NACE、EFC和中国腐蚀与防护学会阴极保护方面的国际培训主要是CP-1/2/3。目前国内持有CP证书的约300人。前前言言油气工艺研究院油化与防腐室关于本人的讲座系列内容：一、天然气管道阴极保护技术及应用主要涉及阴极保护CP相关基础知识和相关的测试、简单应用。二、天然气管道检测、防腐技术及应用实践常见的内外腐蚀检测技术，近几年油气工艺研究院在管道外腐蚀防治方面的应用。三、气田管道的ICDA技术分析和展望内腐蚀直接评价技术前前言言油气工艺研究院油化与防腐室¾讲座资料涉及油气工艺研究院近年来的研究项目、国内外相关标准、技术报告和相关公司的产品介绍。¾特别感谢我的领导和同事、同行在其中所做的贡献！¾感谢在座的气田各位同行——希望在下面的讲座中保持轻松和清醒！前前言言油气工艺研究院油化与防腐室气田防腐工作涉及面很广，由于本人学识浅薄，讲座仅仅涉及了当前部分问题、个人的肤浅看法及研究方向的设想，难免有谬误，仅供参考。不妥之处欢迎批评！油气工艺研究院油化与防腐室讲座提纲一、背景知识（电学及电化学）二、气田主要防腐措施三、阴极保护系统概要介绍四、腐蚀测试操作实践油气工艺研究院油化与防腐室腐蚀（Corrosion）：材料与环境作用引起的材料破坏与变质。工业发达国家腐蚀造成的损失约占国民经济生产总值的2－4％。据《中国腐蚀调查报告》：2000年腐蚀损失为5000多亿元，占当年GDP6％。化学腐蚀——金属与非电解质的纯化学作用。特点：电子传递直接、无电流。Al、Mg、Na在甲醇、CHCl3物理腐蚀——单纯的物理溶解。Fe在熔融Zn中的变薄电化学腐蚀——金属与导电介质的电化学作用。特点：最为普遍。背景知识油气工艺研究院油化与防腐室电化学腐蚀:金属在电解质溶液中由于电化学作用所发生的腐蚀。电化学腐蚀的基本知识：电化学腐蚀过程：金属电化学腐蚀基本上由阳极过程、电子转移过程、阴极过程等三个过程组成。背景知识油气工艺研究院油化与防腐室电化学是化学的一个分支，研究化学反应中的电荷的传输。电化学反应氧化反应原子或者分子失去电子时发生原子或者分子的负电荷减少还原反应原子或者分子得到电子时发生原子或者分子的负电荷增加在腐蚀电池中，氧化和还原反应同时发生。背景知识油气工艺研究院油化与防腐室电化学回路ΑCe-金属线+ions-ionsElectrolyticPathConventionalCurrentFlowACe-+ions-ionsElectrolyticPath常规电流背景知识15油气工艺研究院油化与防腐室腐蚀电池的组成•阳极(氧化反应)–腐蚀•阴极(还原反应)–不腐蚀•电解质(阳离子[+]和阴离子[-])•外部回路(通常是金属)ΑCe-MetallicPath+ions-ionsElectrolyticPath背景知识油气工艺研究院油化与防腐室外部(金属)路径容许电子电荷从阳极流向阴极电解质路径阳离子移向阴极阴离子移向阳极电解质电离溶液具有导电性离子是电解质中的电荷载体背景知识油气工艺研究院油化与防腐室电子和离子的移动背景知识+++++CATHODEANODEe-e--e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-+CATHODEANODEe-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-+++++CATHODEANODEe-e--e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-+电解液阴极阳极e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-电子流动方向e-e-e-e-e-e-油气工艺研究院油化与防腐室腐蚀电池e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-Fe++Fe++Fe++Fe++Fe++OH-OH-OH-Fe(OH)2Fe(OH)2Fe(OH)2H+H+H+H+H+H+H+HHH2阴极端阳极端e-Fe++微观图背景知识油气工艺研究院油化与防腐室碳棒锌负极电位差是腐蚀的驱动力背景知识碳和锰的二价氧化混合物Electrolytepaste(ammoniumchloride&zincchloride)腐蚀电池以石墨-锌电池为例，宏观图油气工艺研究院油化与防腐室电压表回路连接+_+_伏特并联RARBRCEI背景知识油气工艺研究院油化与防腐室电压测量•牺牲阳极系统的驱动电压•整流器的电压输出•结构对电解质的电位•管线全长的电压降•电流分流器两端的电压背景知识油气工艺研究院油化与防腐室极性现象电流+_电压测量值是正的20mV背景知识油气工艺研究院油化与防腐室不同种金属的电压表显示贵金属活泼金属+_电压测量值是正注意：±号的转换.600V背景知识油气工艺研究院油化与防腐室电压表连接.900v+_PipeElectrolyteReferenceCellVoltmeterMeterdisplayisapostivereading.RecordanegativeP/SPotential.-.900v+_PipeElectrolyteReferenceCellVoltmeterMeterdisplayisanegativereading.RecordanegativeP/SPotential.背景知识油气工艺研究院油化与防腐室法拉第第一定律在阴极上沉积（或由阳极上游离出来）的任何材料的重量与通过回路中的电荷量呈正比Wt=KIT其中Wt=重量损失,kgK=电化学当量,kg/A-yrI=安培T=年背景知识油气工艺研究院油化与防腐室各种金属材料的电化学消耗率金属Kg/A-Yr碳1.3铝3.0镁4.0铁9.1硅铸铁0.5镍9.6铜20.8锌10.7锡19.4铅33.9背景知识油气工艺研究院油化与防腐室极化¾由于电流通过电极/电解质界面使电位偏离开路电位¾极化增加，腐蚀速率降低背景知识+logI电位ICORREOAEMEOCEPCEPA_腐蚀电池的Evans极化图油气工艺研究院油化与防腐室影响腐蚀速率的因素集中在小面积上的电流的作用要比同样数量的电流在大面积上的作用大环境对腐蚀速率的影响¾含水量¾电解质的电导率¾pH¾氧浓度¾温度¾应力¾充气程度¾搅拌阳极/阴极比背景知识油气工艺研究院油化与防腐室•异种金属(电偶腐蚀)•合金的脱成分•应力•湿度差异•金属或者电解质中的温度差异•异种土壤•氧浓差电池•金属离子浓度电池•微生物影响背景知识腐蚀的原因合金的脱成分铸铁的石墨化黄铜脱锌（黄铜脱锌7：3由黄→红）应力影响冷加工¾螺纹¾弯曲¾焊接¾残余应力¾热影响区油气工艺研究院油化与防腐室阳极阴极阳极阴极阴极湿度差异背景知识油气工艺研究院油化与防腐室温度差异压缩机站热气体冷气体阳极阴极背景知识油气工艺研究院油化与防腐室阳极阳极阴极高矿化度土壤低矿化度土壤电导率和矿化度背景知识油气工艺研究院油化与防腐室氧浓差电池(缝隙氧腐蚀)氧气渗入氧气渗入路面极少甚至没有氧气阳极阴极阳极阴极背景知识油气工艺研究院油化与防腐室腐蚀细菌好氧菌（铁、硫）和厌氧菌（SRB）两大类。SRB一般的适宜生长温度为25－30℃，pH值7.2－7.5，但实际情况差异大。磨溪气田的SRB实际存活温度可高于70℃。背景知识油气工艺研究院油化与防腐室腐蚀分类：以破坏形式1、全面腐蚀（均匀腐蚀、不均匀腐蚀）2、局部腐蚀•应力腐蚀破裂•点蚀（孔蚀）金属表面活性点•晶界腐蚀•氢腐蚀•选择性腐蚀•电偶腐蚀异种金属有电位差，如热交换器、船舰推进器•缝隙腐蚀0.025—0.1mm范围、滞流，如法兰连接面、锈层等•磨蚀流体中含固相、气相物，如推进器等•微生物腐蚀或海洋生物腐蚀等以腐蚀环境化学介质中的腐蚀（酸、碱、盐等），大气、海水、土壤腐蚀。，背景知识油气工艺研究院油化与防腐室油气田常见的腐蚀类型水罐的穿孔腐蚀铁铆钉铜牙哈牙哈2323--11--H26H26井集气管暴管井集气管暴管冲刷腐蚀油气工艺研究院油化与防腐室讲座提纲一、背景知识（电学及电化学）二、气田主要防腐措施三、阴极保护系统概要介绍四、腐蚀测试操作实践油气工艺研究院油化与防腐室长庆气田腐蚀环境主力产层气藏埋深m地层温度℃井底压力MPaCO2%H2Smg/m3靖边气田马五1、2、43150－3765105.131.44.6824.3榆林气田山22650-30508626.71.84上古5.3子洲气田山2270076.623.392.481.98苏里格(苏14)盒83431108.631.71.03基本不含苏里格东区盒832009725.81.28上古1.42二、腐蚀机理及影响因素酸性气体特征《SY/T6168—1995天然气行业标准气藏分类表》分类微含硫低含硫中含硫高含硫特高含硫硫化氢H2S（g/m3）＜0.020.02～＜5.05.0～＜30.030～＜150150～＜770≥770分类微含CO2低含CO2中含CO2高含CO2特高含CO2CO2CO2（%）＜0.010.01～＜2.02.0～＜10.010.0～＜50.050.0～＜70.0≥70.0油气工艺研究院油化与防腐室内涂层防腐将防腐涂料涂抹在输气管线内壁，使其形成一层内壁涂层，可起到防止管道内壁腐蚀的作用。内涂层不仅可以防腐蚀，而且改变了管道内壁粗糙度，减小管内气体与管内壁摩擦，从而减小流动阻力，达到提高输气量的效果一般选用胺固化环氧树脂和聚酰胺固化环氧树脂。地面系统的防腐措施油气工艺研究院油化与防腐室外腐蚀防护：管道外壁防腐蚀的基本方法a、选用耐腐蚀材料制管（如不锈钢、玻璃钢、塑料等）b、加金属防腐层（如镀锌、喷铝）c、涂层防腐（如涂油漆、有机化合物、无机化合物）d、电法保护（如外加强制电流法、牺牲阳极法、排流保护等）e、工艺设计防腐蚀（如防止残留水分的结构存在、避免异种金属管道的连接、回填管沟时注意直接和管道接触的土层的均匀性等）地面系统的防腐措施油气工艺研究院油化与防腐室防腐绝缘层对于埋地的集输气管线，用防腐绝缘层防止管子外壁土壤腐蚀。防腐绝缘层是用以加大土壤与管道间的过渡电阻，降低腐蚀电流的方法，达到防腐的目的。防腐绝缘层的材料要求与金属的粘结性好，能与管线保持连续完整性，绝缘性能好，有足够的击穿电压和电阻率，具有良好的防水性能和对土壤的化学稳定性，具有足够的机械强度和韧性，并且具有一定的塑性。防腐绝缘层的材料常用石油沥青、聚氯乙烯塑料布、玻璃布、底漆、橡胶粉等。地面系统的防腐措施油气工艺研究院油化与防腐室防腐涂