天然氣集輸管網(wǎng)腐蝕類型及特征研究*

艾昕宇，同 航，梁裕如，胡耀強，何 鵬

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司 研究院，陜西 西安710065；2.延長油田股份有限公司 勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安716000）

集輸管道的腐蝕不僅會造成管線破壞、氣體泄漏，進而引發(fā)安全事故、環(huán)境污染，造成巨大的財產(chǎn)損失，危及人身安全。比如美國輸氣管道發(fā)生的事故中，腐蝕造成的事故占7.8%，俄羅斯占8.9%。而我國也經(jīng)常發(fā)生管道腐蝕造成的人員及財產(chǎn)損害事件，勝利油田東辛輸氣管道因腐蝕穿孔造成的損失高達1200萬元，因腐蝕引發(fā)的安全事故在四川威遠-成都輸氣管道更是高達75%。集輸管網(wǎng)腐蝕環(huán)境十分復雜，并且很多腐蝕事故具有很強的隱蔽性，往往具有突發(fā)性，容易造成不可挽回的損失[1，2]。

川東地區(qū)主要包括川東部氣礦、重慶氣礦，普遍含硫高，開江-梁平海槽中三疊系飛仙關(guān)組H2S含量＞10%，大池干井飛仙關(guān)組、威遠氣田威基井震旦系燈影組、鐵山氣田鐵2井石炭系黃龍組等等均為高硫化氫型氣層，從震旦紀到二疊、三疊紀均可見H2S[3]。H2S對于集輸管道具有極強的破壞性、腐蝕性、劇毒性，會加速管道腐蝕，縮短管道使用壽命，增加集輸管線事故風險。管道腐蝕類型通常分為內(nèi)腐蝕、外腐蝕，不同腐蝕類型的影響因素是不同的，卓苗等（2016）進一步將腐蝕分為酸性氣體腐蝕、氧腐蝕、微生物腐蝕、無機鹽腐蝕、多相流腐蝕，冉海波等（2015）將腐蝕分為全面腐蝕、局部腐蝕、環(huán)境敏感開裂腐蝕[4-6]。只有明確集輸管網(wǎng)的腐蝕類型及腐蝕特征，才能有針對性的采取方法措施，降低管道泄漏風險[7]。因此，明確集輸管道的腐蝕類型、腐蝕特征，為下一步防腐做好理論指導尤為重要。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

HH80型數(shù)顯恒溫水浴鍋（江蘇常州國華電器有限公司）；SEM掃描電子顯微鏡（北京天耀科技優(yōu)有限公司）；XRD（上海澤權(quán)儀器設(shè)備有限公司）；TG328S型電子分析天平（上海錦流源電子儀器有限公司）；研磨器（廣州伯奇生物科技有限公司）；脫脂棉（山東博通醫(yī)療器材有限公司）；定性濾紙（山東博通醫(yī)療器材有限公司）。

APIX52鋼（江蘇恒智材料有限公司），規(guī)格50mm×25mm。

1.2 實驗方法

首先，將試片放在60～90℃石油醚中，用無水乙醇沖洗，并用吹風機吹干，在此過程中保持試片的干凈、無污染，待試片干燥后，放在電子天平稱取重量；將試片放在介質(zhì)溶液中，反應(yīng)7d，觀察試片，記錄腐蝕情況，去除試片上的腐蝕物，用清水清洗后稱取重量，比較前后的重量?，F(xiàn)場工藝參數(shù)見表1。

表1 現(xiàn)場工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters on-site

1.3 實驗原理

利用腐蝕速率來表明腐蝕程度，腐蝕速率快，說明腐蝕程度大；腐蝕速率慢，說明腐蝕程度小。

式中V：腐蝕速度，mm·a-1；K：常數(shù)，7.86×104；m：腐蝕前質(zhì)量，g；m1：腐蝕后質(zhì)量，g；s：碳鋼表面積，cm2；t：碳鋼腐蝕時間，h；d：常數(shù)，7.8g·cm-3。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕因素

2.1.1 溫度因素 在一定范圍內(nèi)，腐蝕速率與溫度呈正相關(guān)，隨溫度的上升腐蝕速率增大。結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對腐蝕速率的影響曲線Fig.1 Curve of influence of temperature on corrosion rate

由圖1可以看出，在40～70℃間，樣品腐蝕速率是逐漸增大的，當溫度高于70℃后，速率仍然增大，但增大的幅度變小。溫度升高，導致溶液內(nèi)離子活躍度的增加，溶液導電率增高，進而導致腐蝕速率的增加[8]。

2.1.2 Cl-因素 針對Cl-的影響，進行了同一溫度下和不同溫度下Cl-對腐蝕速率的影響實驗。結(jié)果見圖2。

圖2 Cl-對腐蝕速率的影響曲線Fig.2 Cl-influence curve on corrosion rate

由圖2可見，同一溫度下，隨著Cl-濃度的增加，腐蝕速率先增大后減小，尤其當溫度達到80℃時，效果更明顯。Cl-的存在增加了溶液的導電性，介質(zhì)的電導率增加，加快了腐蝕，當Cl-濃度繼續(xù)增加時，會在金屬表面富集，由于Cl-具有較強的吸附能力，會取代離子，進而阻礙腐蝕的進行，降低腐蝕速率[9]。

圖3 對腐蝕速率的影響曲線Fig.3 influence curve on corrosion rate

2.1.4 礦化度因素 當溶液中離子含量增多，礦化度增大，溶液的導電率變大。按照礦化度大小，可以將腐蝕性分為3類：（1）礦化度小于1.2g·L-1，稱為輕腐蝕采出水；（2）類礦化度介于1.2~2.0g·L-1，稱為中腐蝕采出水；（3）類礦化度大于2.0g·L-1，稱為重腐蝕采出水。礦化度對腐蝕速率的影響見圖4。

圖4 礦化度對腐蝕速率的影響曲線Fig.4 Curve of influence of salinity on corrosion rate

由圖4可知，研究區(qū)內(nèi)當?shù)V化度小于2.0g·L-1，腐蝕速率逐漸增大，當?shù)V化度大于2.0g·L-1，腐蝕速率逐漸變小。隨著礦化度的增大，溶液的導電率增大，但離子結(jié)垢能力增強，Ca2+、Mg2+等更加容易在樣品表面形成保護膜，阻礙腐蝕速率。

2.1.5 pH值因素

pH值對腐蝕速率的影響見圖5。

圖5 pH值對腐蝕速率的影響曲線Fig.5 Influence curve of pH value on corrosion rate

由圖5可以看出，當氧的質(zhì)量濃度為0時，pH值小于8時，隨著pH值的增加，腐蝕速率逐漸減少；當pH值大于8時，隨著pH值的增加，腐蝕速率幾乎不變。當氧的質(zhì)量濃度為0.5mg·L-1時，pH值小于9時，隨著pH值的增加，腐蝕速率逐漸變??；當pH值大于9時，隨著pH值的增加，腐蝕速率幾乎不變。pH值增加，代表水中酸的減少，進而導致溶蝕速率變低，當?shù)竭_一定極限以后，pH值增加，但腐蝕產(chǎn)物的溶解度很低，從而導致溶蝕速率變小。

2.2 腐蝕類型

2.2.1 內(nèi)腐蝕 內(nèi)腐蝕分為3類：應(yīng)力腐蝕開裂、坑蝕、微生物作用加速腐蝕。天然氣集輸管道富含H2S、CO2，其應(yīng)力腐蝕主要是H2S應(yīng)力腐蝕開裂和CO2應(yīng)力腐蝕開裂?？游g是由于CO2與水反應(yīng)生成H2CO3，促使鐵腐蝕，坑蝕是一種優(yōu)先腐蝕，集中發(fā)育在材料缺陷、表面不均一的地方，具有極強的隱蔽性和破壞性。微生物內(nèi)腐蝕具有不可見性、難預(yù)測性，硫酸鹽還原細菌易產(chǎn)生H2S、厭氧細菌易產(chǎn)生HAc，這些都會導致腐蝕。

2.2.2 埋地金屬腐蝕 埋地金屬腐蝕包括電化學腐蝕、土壤腐蝕、微生物腐蝕。電化學腐蝕是由于金屬管道與土壤相接觸導致的，金屬管道多為陽離子，大地多為陰離子，兩者接觸后，會導致金屬的陽離子發(fā)生溶解成為金屬離子，導致腐蝕。土壤腐蝕取決于土壤的溫度、含水量、電阻率等，土壤的電阻率越低、透氣性越高、含鹽量越大，以及土壤pH值（＜4或＞8）都會加快管道腐蝕。微生物作用主要是指土壤當中的微生物種類，與管道內(nèi)的微生物不同，該類微生物通常不直接作用于金屬管道，而是通過影響土壤的環(huán)境加快腐蝕。

2.2.3 大氣腐蝕 絕大多數(shù)的管網(wǎng)腐蝕都與大氣腐蝕相關(guān)。大氣中水會分離成H+和OH-，與金屬管道中的Na+、Fe2+等金屬離子發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕。套管是大氣腐蝕的高發(fā)區(qū)，當出現(xiàn)破損的時候易發(fā)生大氣腐蝕，而套管在使用過程中會不可避免的發(fā)生損壞，而這加大了大氣腐蝕的概率。包覆層指為了避免大氣腐蝕而包裹金屬的一種材料，通常指的涂料層、纏繞帶，當包覆層破壞后，金屬管道與大氣直接接觸，增加大氣腐蝕。

2.3 防腐措施

針對內(nèi)腐蝕類型，首先明確腐蝕機理，針對性選擇緩蝕劑注入輸送介質(zhì)中。防止內(nèi)腐蝕的關(guān)鍵在于緩蝕劑的選擇，錯選緩蝕劑起不到防腐的作用。此外緩蝕劑濃度的確立也十分重要，應(yīng)該選擇合適的緩蝕劑濃度，才能保證緩蝕劑與管壁充分接觸，形成保護膜。針對川東地區(qū)高含硫的特征，胡永碧等（2012）提出利用CT2-4水溶液環(huán)空緩蝕劑具有效果好、成本低的特點。在管道施工過程中，涂裝內(nèi)層防腐材料也起到防腐作用。

埋地金屬腐蝕的關(guān)鍵在于隔絕土壤與管道的接觸，大氣防腐的關(guān)鍵在于隔絕大氣與管道的接觸，包覆層可以實現(xiàn)將鋼管與電解質(zhì)隔離。目前，常用油漆、塑料和橡膠作為包覆層，在施工的過程中，注意包覆層的質(zhì)量，及時更換破損、剝落的包覆層，定期檢查包覆層的狀況。

3 結(jié)論

（1）川東地區(qū)天然氣管道腐蝕受溫度、Cl-濃度、濃度、礦化度、pH值等因素的影響，每種因素都有自己的影響規(guī)律。溫度與腐蝕速率呈正相關(guān)，溫度升高，腐蝕速率逐漸增大；而腐蝕速度隨著Cl-濃度、濃度、礦化度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；腐蝕速率隨pH值的增大，呈現(xiàn)先減小后不變的趨勢。

（2）根據(jù)腐蝕因素，結(jié)合腐蝕特征，將川東地區(qū)常見的腐蝕類型劃分為3類：內(nèi)腐蝕、埋地金屬腐蝕、大氣腐蝕，并對每一種腐蝕類型的腐蝕機理進行了闡述。

（3）根據(jù)腐蝕類型，每種腐蝕類型的主控因素，針對性提出防腐措施研究，對于內(nèi)腐蝕，應(yīng)該選擇合適的緩蝕劑；對于埋地金屬腐蝕、大氣腐蝕應(yīng)該增加包覆層的使用。當時增加腐蝕預(yù)測響應(yīng)機制，可以有效的預(yù)測危險。