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内蒙古石油化工 2012年第2期
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油气管道腐蚀检测技术与防腐措施初探
祝 春1,张 昕2,刘万元1
(1.西南油气田分公司川东北气矿宣汉采气作业区,四川,达州636165;
2.长江大学石油工程学院,湖北荆州 434023)
摘 要:管道运输以其成本低、收益高在油气输送中得到了广泛的应用。由于受到环境中腐蚀介质的作用,石油、天然气管道的腐蚀难以避免。管道腐蚀的机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种,针对这两个机理,人们发展出了很多腐蚀的检测技术和防腐措施。针对不同的管道特性和腐蚀环境,采用合适的检测技术,能有效的确定腐蚀位置;选择合适的防腐措施,能有效的缓解油气管道的腐蚀。关键词:油气管道;腐蚀;化学腐蚀;电化学腐蚀;防腐措施
中图分类号:TE988.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)02—0104—04 管道运输在世界上已经具有了140多年的历史,在这140多年中管道建设的相关施工技术、施工机具以及防腐技术等方面的改变都很大[1]。建国以后,从1970年以前的仅有3条长输管线到现在“西气东输”和“川气东送”两大工程的实施,我国的管道技术方面也有了长足的发展。
由于受到土壤中酸、碱、盐以及地下水等的作用,石油、天然气埋地管道的腐蚀难以避免。管道防腐层的破损、剥离和老化等,会造成管道的腐蚀、穿孔、泄露,给企业带来严重的财产损失,给公众和环境带来危害[2]。我国的地下油气管线投产1～2年后即发生腐蚀穿孔的情况屡见不鲜,它不仅造成因穿孔而引起的油、气损失,以及由于维修带来的材料、人力上的浪费和停工停产造成的损失,而且还可能因腐蚀引起火灾。为防止此类事故的发生,管道防腐技术越来越受到人们的重视。1 油气管道腐蚀机理
埋地管道,由于受到土壤中酸、碱、盐以及地下水的作用,会发生化学腐蚀;同时,在地下电位差的作用下,还将受到电化学腐蚀的影响。1.1 化学腐蚀
化学腐蚀指的是金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。在一定的条件下,非电解质直接与金属表面发生氧化还原反应。在化学腐蚀过程中,电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行,无电流产生。化学腐蚀可以分为以下两种:气体腐蚀。一般是指金属在干燥的气体中发生的腐蚀。例如,用氧气切割和焊接管道时在金属表面产生氧
[3]
化皮;在非电解质溶液中的腐蚀,例如金属在某些有机液体(如苯、汽油)中的腐蚀。1.2 电化学腐蚀
电化学腐蚀指金属与电解质因发生电化学反应而产生的破坏。此类反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应,并与流过金属内部的电子流和介质中离子的定向迁移联系在一起。其中阳极反应(氧化反应)是金属原子失去电子并转移入介质中的过程;阴极反应(还原反应)是介质中的氧化剂得到电子发生还原反应的过程。
电化学腐蚀的特点是:介质是含有带点离子的电解质;金属/电解质界面发生的反应是有电荷转移的电化学过程,必须有电子和离子在界面上的转移;界面上的电化学过程可以被分为两个相互的氧化和还原过程,金属/电解质界面上有电荷转移的化学反应(电极反应);电化学腐蚀过程中伴随有电子的流动,产生电流。
电化学腐蚀其实是一个短路的原电池电极反应的结果,这种原电池称为腐蚀原电池。腐蚀原电池只能导致材料的破坏,不对外界作有用功。当管道金属表面受到外界的交、直流杂散电流的干扰,产生电解电池的作用时,腐蚀金属电极的阳极溶解,即发生“杂散电流腐蚀”。
2 管道腐蚀检测与评价技术
目前油田埋地管道常用的外防腐检测方法有以下几种[4-5]:
2.1 变频-选频法
这种检测方法优点是现场应用方便,不受测量
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收稿日期:2011-12-17
作者简介:张昕(1986—),男,长江大学石油工程学院09级硕士研究生,研究方向为油藏工程。
2012年第2期 祝春等 油气管道腐蚀检测技术与防腐措施初探管段外时候有分支或者绝缘法兰的印象,不需要断开阴极保护电源,而且能够测试很长距离内管道的腐蚀情况,能够对测量管段进行绝缘层电阻的综合评价。缺点就是只能的测有限距离管线的防腐层绝缘电阻值,无法准确对破损点的位置进行定位。2.2 人体电容法
这种检测方法的优点是检测速度快,能准确检测到破损点,是否有阴极保护对测试没有影响,测试效率较高。缺点是对测试人员的检测经验要求较高,并且因信号传输距离有限,需要不断更换发射点的105
电阻探针灵敏探头的电阻由探头的几何尺寸(长度和截面积)以及探头材料的电阻率决定。金属的腐蚀
损耗是时间的函数,称为腐蚀速率。该方法利用在探头长度和材料的电阻率保持不变的情况下,探头电阻的变化只能为其横截面积的变化引起这一原理来测定金属探头的腐蚀率。
(2)渗氢监测法。在酸性环境中产生的腐蚀往往伴随有原子氢,可以用阴极反应中的析氢反应这一现象来测量腐蚀速度。在此类反应中,钢构件吸收腐蚀产生的原子氢或在高温下吸收了工艺介质中的氢位置。
2.3 DCVG-CIPS法
[6]
DCVG(DirectCurrentVoltageGradient)是直流电位梯度的英文简称,通常用于管道防腐层完整性评价。其原理为:一个直流信号如阴极保护信号,加载到管道之上后,当管道的防腐层存在破损时,电流通过管道破损点向土壤中流去。由于土壤的电阻存在,在破损点周围的土壤中电位梯度就随之形成,在接近破损点的部位电位梯度增大,电流密度也随之增大,一般情况下,破损面积越大,电流密度也越大,电压梯度也就越大;CIPS(CloseIntervalPotentialSurvey)是近间距管对地电位测量的英文简称,其原理为在管道上测量埋地管道的管地电位沿管道的变化(一般是每隔1～3m测量一个点),在有阴极保护的管道上,测量时能得到两种管地电位:一是阴极保护系统电源开时的管地电位(Von电位);一是阴极保护电源瞬时关时的管地电位(Voff电位)。通过对全线管地电位数据处理与变化趋势分析,了解管道防腐层的总体质量状况,判断出防腐层的状况和阴极保护是否有效,确定管线阴极区、阳极区的分布及可能正在发生腐蚀的位置,评估阳极区的腐蚀状态,测定杂散电流分布情况,判定杂散电流干扰的区域及杂散电流干扰源。这种方法的有点是检测准确,受外界干扰小。缺点是需要阴极保护电流,只有在有阴极保护设施的管线上才能达到较好的检测效果。2.4 PCM法
PCM(PipelineCurrentMapping)的意思是管中电流绘制。这种方法的优点是检测方法简单,需要人员少,不受管线中是否有支管的影响。缺点就是测试距离段,而且受到季节的影响,在冻土季节难于检测。
管道内腐蚀在线检测技术有电阻法(ER)、渗氢
监测法、线性极化法等[7]
。
(1)电阻法。电阻法测量的是暴露在气液流介质中、处于腐蚀状态下探头的金属元件电阻值的变化。
原子,能导致生产设备的破坏,如氢脆、应力破裂和氢鼓泡。渗氢监测法所测量的是生成氢的渗入倾向,从而反映出结构材料的对渗氢的敏感性和腐蚀反应的剧烈程度。
(3)线性极化法。通过在探针电极加载一低电压,使探针的电极电位发生偏移,测量其电流而计算其腐蚀速度,使其他方法更有效。此方法适合于导电介质腐蚀体系快速腐蚀监测。还有有超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、声发射探伤等无损探伤方法。目前此类方法中比较成熟的为超声波探伤和射线探伤[8]
。
此外,为了对管道的腐蚀状况进行预测,掌握管道腐蚀的基本规律,在已知的关于管道腐蚀方面资料的基础上,可以利用灰色系统的方法,建立从过去引伸到将来的GM(GreyModel)模型[9-11],对管道的腐蚀速度和腐蚀深度进行预测,为管道防腐的规划决策提供依据。
3 油气管道防腐措施
提高管道防腐技术,延长管道使用寿命是全球化的技术难点之一,是科学技术与工程设计广泛关注的热点,具有很重要的技术经济意义。目前使用的防腐技术主要分为防腐涂层技术和电化学防腐技术两种[12]。
3.1 防腐涂层技术
国内长输管道的外防腐早期采用石油沥青、煤焦油瓷漆及溶剂型环氧煤沥青。随着对环境污染以及施工环境的不断重视,熔结环氧粉末(FBE)和聚乙烯三层复合结构(3PE)防腐已取代了原来的石油沥青、煤焦油瓷漆及溶剂型环氧煤沥青防腐方式[13]。目前,被广泛研究和使用的涂层有以下几种:3.1.1 三层聚乙烯(三层PE)。聚乙烯防腐层三层结构的底层为环氧涂料,中间层位交粘剂,面层为聚烯烃,三层结构中的环氧涂料可以是液体环氧涂料,也可以是环氧粉末涂料[14]
。这一结构将环氧涂料的高黏结性、抗氧性、耐化学腐蚀及耐阴极剥离性能和
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为缓蚀剂在管道内壁形成保护膜,可以达到抑制管道腐蚀的效果[18]。3.2 电化学防腐技术
针对电化学腐蚀,人们用相应的技术来对管道进行防腐[19]。电化学保护是利用外部电流使金属(包含合金)腐蚀电位发生改变以降低其腐蚀率的防腐蚀技术。按照电位改变方向,电化学保护可分为阴极保护和阳极保护。前者靠电位的负移使金属处于热力学稳定状态免遭腐蚀,后者电位的正移虽使金属在热力学上处于更不稳定状态,但在动力学上极高密度聚乙烯的抗潮气、电绝缘及抗机械损伤的性能有机结合,使其具有管道表面黏结力强、电绝缘性能好、耐冲击、寿命长等突出特点,而且所需的阴极保护电流密度小[15-17]。这一技术自1995年被引进后在国内得到了广泛的应用,连西气东输管道工程也使用了该技术。
3.1.2 液态聚氨脂防腐涂料(PU)。此为双组份涂料,一为多元醇化合物,一为异氰酸酯溶液,黏度用低相对分子质量树脂调节。它通常处于液态,没有任何挥发性溶剂,两个组分完全混合后全部转化成固体厚膜型涂料;能涂刷、浇注和喷涂,一次成膜,低温下也能快速固化,能与熔接环氧粉末和三层聚乙烯黏结,具有很好的化学稳定性和较宽的适用温度范围(可高达109℃);性能优越,可以满足任何地质状况和腐蚀环境的要求,抗装卸运输过程中的损伤;具有较高的硬度,耐磨性能、耐划伤能力、耐拖拉性能、抗阴极剥离能力均较好,且具有一定的韧性,有一定的吸水率,年久失效后仍具有导通阴极保护电流的能力,保证管体被阴极电流的保护;抗紫外线,使用寿命长,成本低且有利于环保。3.1.3 无机非金属防腐层。有机涂层始终不可能从根本上消除老化变质、耐热抗寒的问题,从而影响到管道的使用寿命,于是能避免这一缺点的无机防腐技术应运而生。现在的无机非金属防腐层主要为陶瓷涂层、搪瓷涂层和玻璃涂层三种。
陶瓷涂层具有高化学稳定性,耐腐蚀,耐氧化,耐高温的优点。搪瓷涂层具有较强的耐腐蚀性能,用它来进行防腐可以极大的提高钢质管道的防腐水平。玻璃涂层具有优异的致密性、耐蚀性、耐磨性,涂层表面光滑,作为内涂层除了防腐还有减阻作用。
无机涂层虽然相比于有机涂层在某些方面特性优异,但依然有几个亟待解决的问题:陶瓷涂层的封孔处理方法、搪瓷涂层成本的降低、玻璃涂层结合型和韧性的提高等。
3.1.4 纳米改性材料涂层。腐蚀防护所涉及的表面材料的性质由其微观结构决定,随着纳米技术的成熟,给腐蚀控制技术的发展带来了巨大的机遇:利用纳米材料对有机涂层防腐材料进行改性,可有效的提高其综合性能,特别是对材料的机械强度、硬度、附着力、耐光性及耐老化性等能有进行效的提高。另外,通过向材料中加入一些颗粒很小的纳米粒子,能增加材料的密封性,达到更好的防水、防腐效果。对于无机涂料,对其结构用纳米材料进行优化,能明显改善其塑性和韧性。
此外对于输送含有H2S,CO2及水等腐蚀介质的天然气的管道,利用三甘醇的粘稠性和稳定性作
大的阻滞了金属的阳极溶解过程。3.2.1 牺牲阳极法阴极保护。在被保护体上偶接电位更负的金属或合金作为阳极,利用其在腐蚀介质中不断溶解产生的阴极电流使得保护体阴极极化而阻滞其的腐蚀。牺牲阳极法阴极保护系统由牺牲阳极以及用于检测保护电位的参比电极组成。阳极性金属镀层是牺牲阳极法的另一种方法,即在被保护的金属表面利用热镀、喷镀等方法,覆盖一层比基体金属电位更负的金属涂层。如镀层出现破损,在镀层与基体金属之间组成原电池,镀层为阳极而基体金属的破损部位则得到了阴极保护。3.2.2 外加电流阴极保护。将被保护体与直流电源的负极连接,利用外部电流使得被保护体阴极极化。外加电流法阴极保护系统由辅助阳极、直流电源,以及用于控制和检测保护电位的参比电极组成。3.2.3 外加电源法阳极保护。讲被保护金属物体与外加直流电源的正极连接,在给定的电解质溶液中将进行阳极化至一定电位,如果在此电位下金属可以建立钝化状态并能维持,则阳极过程受到抑制,而有效的降低金属的腐蚀速度,使得该金属得到保护。3.2.4 原电池法。将被保护体与电位更正的金属或其他导体(阴极)偶接,所构成的原电池产生的电流使被保护体阳极极化从而得到保护。此方法即为原电池法。
3.2.5 联合保。阳极保护和涂料或缓蚀剂联合使用来防腐的方法称为联合保,它能有效地减小致钝电流密度,增大表面电阻,改善分散能力。4 结论
油气管道的防腐技术,基本上基于两点:利用隔层阻隔管道材料与腐蚀金属环境的接触来达到抑制腐蚀的效果;利用电化学的方法来抑制管道材料电化学反应的进行,从而对腐蚀进行抑制。随着科技的发展,防腐技术得到了长足的发展,但是基本上还是基于以上两点来进行优化改进。将以上两点进行综合使用,能够的达到更好的防腐效果。
针对不同的管道类型以及管道所处的环境,选
2012年第2期 祝春等 油气管道腐蚀检测技术与防腐措施初探择合适有效的检测方法对管道腐蚀进行检测和评价,能够准确的对腐蚀点进行定位,从而可以有效的达到管道防腐的效果,并对管道防腐的施工设计也
[20]
有很好的指导意义。
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PrimaryExplorationofOilandGasPipelineCorrosionDetectionTechnologyandAnti-corrosionMeasuresZHANGXin1,ZHUChun2,LIUWan-yuan2
(1.PetroleumEngineeringCollegeofYangtzeUniversity,Hubei,Jingzhou,434023;
2.XuanhanGasProductionOperationAreaofNortheastSichuanGasField,
SouthwestOilandGasFieldCompany,Sichuan,Dazhou,636165)
Abstract:Becauseofitslowcostandhighyield,thepipelineiswidelyusedinoilandgastransmission.Duetotheactionofthecorrosivemediumintheenvironment,thecorrosionofoilandgaspipelineisdifficulttoavoid.Themechanismofpipelinecorrosionaredividedintotwokinds:chemicalcorrosionandelectrochemicalcorrosion.Accordingtothetwomechanism,manykindsofcorrosiondetectiontechnologyandanti-corrosionmeasuresaredeveloped.Inviewofdifferentpipelinecharacteristicandcorrosiveenvironment,usingappropriatedetectiontechnology,thecorrosionpositioncanbeeffectivedetermined;choosingappropriateanti-corrosionmeasures,theoilandgaspipelinecorrosioncanbeeffectivealleviated.
Keywords:OilandGasPipeline;Corrosion;ChemicalCorrosion;ElectrochemicalCorrosion;Anti-corrosionMeasures.
