油氣管線腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)研究

陳亞頤 趙黎 李兵元 木塔里甫·木拉提 羅李黎

[摘 要]近些年，管道泄漏事故頻繁發(fā)生，不僅損失油氣和污染環(huán)境，還有可能導(dǎo)致重大的人員傷亡。為確保管道安全運(yùn)行及盡可能減少泄漏事故引發(fā)的不良影響，就需要加大對(duì)泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究力度，以便研究出準(zhǔn)確性與靈敏性更高的泄漏檢測(cè)技術(shù)。本文對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行了介紹與分析，并結(jié)合油氣管道的特點(diǎn)，提出了不同油氣管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的思路，并總結(jié)了通用的油氣管線腐蝕防護(hù)方法，希望能為油氣管道腐蝕防護(hù)控制提供參考。

[關(guān)鍵詞]油氣管線；腐蝕監(jiān)測(cè)；腐蝕防護(hù)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.04.027

[中圖分類號(hào)]F273；TE988.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2018）04-00-02

0 引 言

油氣管道指的是石油及天然氣的輸送管道，是國(guó)家公共安全管理的重要內(nèi)容，屬于八大類特種設(shè)備之一，普遍存在于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。截至2016年12月，我國(guó)油氣管線總里程累計(jì)約為12.6萬千米，其中天然氣管道約7.43萬千米，原油管道約2.62萬千米，成品油管道約2.55萬千米。其中大部分管線已使用20多年，正逐步進(jìn)入后期事故多發(fā)階段。由于管線的老化及管線外部環(huán)境的影響，管線腐蝕情況嚴(yán)重，管道因腐蝕破壞而造成的穿孔泄漏事故時(shí)有發(fā)生。如果油氣管線被損壞的話，就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的泄漏事故，這就會(huì)浪費(fèi)大量的石油和天然氣，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)出現(xiàn)環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題，進(jìn)而會(huì)造成材料和人力浪費(fèi)，甚至還可能因腐蝕引起火災(zāi)和爆炸，造成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。因此，研究油氣管線的腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 油氣管線的腐蝕機(jī)理

油氣管道，尤其是長(zhǎng)距離運(yùn)輸管道在制造中所選用的材質(zhì)通常是合金鋼或碳鋼。一般情況下，管道腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕中的一種，在電解質(zhì)中，陽極金屬發(fā)生溶解，并且放出電子，這些電子會(huì)被陰極發(fā)生反應(yīng)時(shí)吸收，從而造成金屬的持續(xù)溶解。電化學(xué)腐蝕過程如下所示。

陽極反應(yīng)：→（氧化反應(yīng)）

陰極反應(yīng)：→H或→（還原反應(yīng)）

電子的定向轉(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生腐蝕電流，加速了金屬溶解，因此腐蝕監(jiān)測(cè)主要是根據(jù)金屬腐蝕情況、電位、電流及電阻的變化等因素，推導(dǎo)計(jì)算出金屬腐蝕的速率等參數(shù)，從而直觀地顯示出金屬的保護(hù)狀態(tài)。

2 油氣管線腐蝕的監(jiān)測(cè)方法

油氣管線的腐蝕監(jiān)測(cè)通常分為內(nèi)腐蝕監(jiān)測(cè)、外腐蝕監(jiān)測(cè)與腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)。這三類監(jiān)測(cè)方法有其各自關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)，單獨(dú)使用其中一種監(jiān)測(cè)方法很難全面、客觀地反映出管道整體的腐蝕情況。只有將這三類監(jiān)測(cè)方法有機(jī)地、系統(tǒng)地結(jié)合在一起，才能準(zhǔn)確、高效地完成油氣管線腐蝕的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2.1 內(nèi)腐蝕監(jiān)測(cè)

引起油氣管道的內(nèi)腐蝕的因素包括：輸送介質(zhì)的水、硫化氫、二氧化碳、無機(jī)鹽的含量、輸送介質(zhì)的流動(dòng)、輸送的壓力、介質(zhì)溫度，土壤的含鹽量、含水量和溫度等。這些因素會(huì)造成油氣管道出現(xiàn)多種腐蝕現(xiàn)象，如均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力作用下的部分腐蝕（磨損腐蝕、氫損傷、應(yīng)力腐蝕開裂）等。管道出現(xiàn)腐蝕之后，典型表現(xiàn)是管壁變薄、出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋、蝕損斑及腐蝕點(diǎn)坑等。管道中的腐蝕檢測(cè)技術(shù)主要是分析管壁的實(shí)際變化情況，獲得管道被腐蝕的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外都十分重視油氣管線內(nèi)腐蝕問題，均做了大量的研究工作，并研發(fā)出了多元化的檢測(cè)技術(shù)，其中一些先進(jìn)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用并取得了顯著的效果，比如超聲波檢測(cè)及漏磁檢測(cè)等技術(shù)。

漏磁檢測(cè)技術(shù)，指的是基于鋼棒、鋼管等材料高磁導(dǎo)率特性上的一種檢測(cè)技術(shù)。如果鋼管中不存在缺陷的話，絕大部分磁力線就會(huì)通過鋼管，而磁力線就會(huì)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)；如果鋼管內(nèi)部存在缺陷的話，磁力線在傳播過程中就會(huì)發(fā)生彎曲，同時(shí)有些磁力線還會(huì)從鋼管表面泄漏出來。通過對(duì)磁敏傳感器獲得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，就可精準(zhǔn)了解管線中的缺陷信息。通常情況下，漏磁檢測(cè)方法適用于檢測(cè)中小型管道中的細(xì)小缺陷。該檢測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)成本低、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波檢測(cè)是借助靈敏性很高的儀器對(duì)采集到的各種聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行接受及分析，通過分析及研究聲發(fā)射源具體的特征參數(shù)，對(duì)油氣管線的結(jié)構(gòu)內(nèi)部或材料缺陷的發(fā)展趨勢(shì)、狀態(tài)變化位置及程度進(jìn)行科學(xué)判斷。該方法是借助超聲波的脈沖反射原理對(duì)管壁被腐蝕后的具體厚度進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)過程中應(yīng)將探頭垂直向管道內(nèi)壁發(fā)射超聲脈沖，首先探頭應(yīng)接受到從管壁內(nèi)表面反射過來的脈沖，接著超聲探頭接收到從管壁外表面反射回來的反射脈沖，而這兩個(gè)反射脈沖的間距就是對(duì)管壁厚度的具體反映。超聲檢測(cè)是直接檢測(cè)管道腐蝕缺陷位置與深度的方法，具有很高的測(cè)量精度，適用范圍較大、檢測(cè)操作簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確，為檢測(cè)后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便。同時(shí)，超聲檢測(cè)還適用于大直徑、厚管壁管道的檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出管道的應(yīng)力腐蝕破裂和管壁內(nèi)的缺陷，如夾雜等。因此，超聲檢測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻度最高、發(fā)展最快的一種無損檢測(cè)技術(shù)。

2.2 外腐蝕監(jiān)測(cè)

外防腐層的破壞主要有兩種形式：一是破損，二是剝離。針對(duì)外防腐層破損檢測(cè)的技術(shù)已相對(duì)成熟，非開挖檢測(cè)的常用技術(shù)包括交流電流衰減技術(shù)、密間隔電位測(cè)試（CIPS）、人體電容法（Pearson）、直流電流電壓法、直流電位梯度法（DCVG）等。目前，研究的重點(diǎn)在于防腐層剝離的檢測(cè)評(píng)價(jià)。另外，電阻法也是一種成熟且常用的檢測(cè)方法，該方法也被稱為可自動(dòng)測(cè)量的掛片法，其測(cè)定金屬腐蝕速度是根據(jù)金屬試樣由于腐蝕作用使橫截面積減小，從而導(dǎo)致電阻增大的原理。金屬橫截面積與電阻的關(guān)系如下。

R=e·L/A（1）

式（1）中R表示電阻，L表示金屬管線的長(zhǎng)度，e表示金屬的電阻系數(shù)，A表示金屬橫截面積。

國(guó)內(nèi)外利用該原理已經(jīng)研制出較多的電阻探針用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的腐蝕情況，是一種研究設(shè)備腐蝕的有效工具。其不僅能在液相（電解質(zhì)或非電解質(zhì)）中測(cè)定，也能在氣相中測(cè)定，能準(zhǔn)確地反映出設(shè)備運(yùn)行各階段的腐蝕率及其變化。

2.3 腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)管道所處環(huán)境，包括對(duì)土壤或空氣中的濕度、鹽分含量、酸堿度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和度量，并用來輔助分析管道發(fā)生腐蝕泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。另外，也可以在管線所處環(huán)境中放入與管道相同材質(zhì)的材料，通過對(duì)材料腐蝕的情況分析，判斷管道腐蝕的情況，該方法被稱為現(xiàn)場(chǎng)掛片法。具體來說，是將一定材質(zhì)和規(guī)格的試片暴露在腐蝕環(huán)境中，經(jīng)過某個(gè)特定的時(shí)間后對(duì)試片的質(zhì)量變化進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，并對(duì)試片表面進(jìn)行檢查的一種方法。腐蝕試片法是腐蝕監(jiān)測(cè)中最基本的方法之一，雖然是較為傳統(tǒng)的方法，但被認(rèn)為是腐蝕的最可信證據(jù)。腐蝕試片法采取重量法——增重法和失重法，根據(jù)試片腐蝕的前后重量變化計(jì)算腐蝕速率。腐蝕試片法測(cè)試的腐蝕速率是監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的平均腐蝕速率，通過測(cè)量已知時(shí)期內(nèi)金屬試樣的失重或增重得到腐蝕信息，并根據(jù)試樣的質(zhì)量變化測(cè)出平均腐蝕速率。其計(jì)算方法如下。

CR=W×1000×365/A×T×D（2）

其中，CR表示平均腐蝕速率（mm/a）；W表示腐蝕失重（g）；A表示試樣暴露面積（m2）；T表示暴露天數(shù)（d）；D表示金屬試樣的密度（g/m2）。

現(xiàn)場(chǎng)掛片法可用于任何環(huán)境，當(dāng)腐蝕速度穩(wěn)定時(shí)最適用。它可以測(cè)出腐蝕的具體類型，對(duì)相關(guān)技術(shù)要求不高，且費(fèi)用不高等。然而其處理、安裝和取卸較為繁瑣，測(cè)試周期長(zhǎng)，對(duì)腐蝕狀態(tài)變化的反應(yīng)速度慢，并且掛片也不能完全等同于油氣管道及設(shè)備本身。

綜上可見，對(duì)于管線不同部位腐蝕的檢測(cè)方法，其側(cè)重點(diǎn)以及技術(shù)手段具有較大的區(qū)別。為了增強(qiáng)不同方法之間的互補(bǔ)性能，提升管道腐蝕監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性，檢測(cè)人員需要根據(jù)腐蝕情況選擇合適的檢測(cè)方法，只有將這三類監(jiān)測(cè)方法有機(jī)地、系統(tǒng)地結(jié)合在一起，才能準(zhǔn)確、高效地完成油氣管線腐蝕的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3 油氣管線防腐蝕措施

3.1 預(yù)防管道外部防腐的措施

在預(yù)防油氣管道外壁出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的過程中，工作人員需要采取兩次防腐措施：先采用的是防腐絕緣層，后采用的是陰極保護(hù)。①防腐絕緣層。對(duì)埋藏于地下的所有油氣管道采取防腐絕緣措施，這也是當(dāng)前預(yù)防油氣管道出現(xiàn)腐蝕問題的重要環(huán)節(jié)。該防腐方式能夠有效將油氣管道和周圍土壤較好分離，以降低管道外壁與土壤接觸的機(jī)會(huì)，從而對(duì)油氣管道進(jìn)行有效防護(hù)。②陰極保護(hù)。保護(hù)油氣管道中陰極的主要措施，是借助外加電流或外加犧牲陽極的形式，消除土壤中管道的原電池陽極區(qū)，把管道變成陰極區(qū)，以實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)的目的。

3.2 保護(hù)油氣管道內(nèi)壁的措施

與油氣管道外壁經(jīng)常接觸土壤不同，油氣管道內(nèi)壁接觸的物質(zhì)主要是天然氣等，這些物質(zhì)包含有大量的腐蝕雜質(zhì)，如二氧化碳等，再加上物質(zhì)的壓力、溫度等因素的綜合影響，都會(huì)導(dǎo)致油氣管道的內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕。①保護(hù)管道內(nèi)壁界面的方法。在防護(hù)油氣管道內(nèi)壁出現(xiàn)腐蝕問題的過程中，首先需要采取措施保護(hù)好油氣管道內(nèi)壁界面。該保護(hù)措施包括電化學(xué)保護(hù)或涂抹防腐層。②降解運(yùn)輸物質(zhì)的方法。在對(duì)油氣管道采取有效的保護(hù)措施后，還需要對(duì)運(yùn)輸物質(zhì)進(jìn)行必要的降解處理，以便降低天然氣、石油等物質(zhì)的雜質(zhì)，也可降低這些物質(zhì)的濃度，在確保經(jīng)濟(jì)性的前提下，還可以合理提高其流速，盡可能減少其與內(nèi)壁層的接觸機(jī)率。③選用耐腐性能強(qiáng)的材料。無論是保護(hù)內(nèi)壁界面還是降低天然氣、石油濃度，都可以應(yīng)用到普通的油氣管道保護(hù)上，特別是油氣的短途運(yùn)輸中。然而，對(duì)于長(zhǎng)途油氣管道來講，由于這些管道分量比較輕，不便于在內(nèi)壁面做防腐處理，這就需要把防腐處理放置在材質(zhì)上，從而選用耐腐蝕能力強(qiáng)的材料生產(chǎn)油氣管道。

4 結(jié) 語

隨著油氣管線向著長(zhǎng)距離、大口徑、高壓力、厚壁化發(fā)展，管道腐蝕監(jiān)測(cè)和防護(hù)均是管道腐蝕控制過程中的重要環(huán)節(jié)。單一腐蝕參數(shù)監(jiān)測(cè)已難以滿足腐蝕控制的更高要求，而各種在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合建立腐蝕在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，就能將數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、預(yù)測(cè)及反饋命令一體化，從而實(shí)現(xiàn)油氣管道腐蝕狀態(tài)的全面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于對(duì)城市輸油氣管網(wǎng)及偏遠(yuǎn)復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)輸管道腐蝕狀態(tài)相關(guān)情況進(jìn)行安全監(jiān)控。

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