天然气长输管道的腐蚀与防护措施

天然气长输管道的腐蚀与防护措施

摘要

天然气使用量的急剧增加，而管网设施是天然气发展的基本条件之一,也是国家现代化的重要标志，特别是城市燃气管网设施的建设，它是一个城市生存和发展的必要保障和国家重要的基础设施。

天然气管道从天然气供应场所到其使用地方，经过各种各样复杂的地形，管道所处环境千变万化，且天然气中往往含有硫化氢、二氧化碳等酸性气体，它们对天然气管道造成腐蚀威胁，影响天然气管道的平安运行，因此天然气管道在运营中必须实施防腐蚀保护。

目录

1引言 (1)

1.1腐蚀的定义 (1)

1.2腐蚀危害性 (1)

1.3腐蚀对天然气管道的危害 (2)

2天然气管道的腐蚀特点 (4)

2.1天然气管道的内腐蚀 (4)

2.2天然气管道的外腐蚀 (4)

2.2.1土壤腐蚀 (4)

2.2.1.1土壤腐蚀特点 (5)

2.2.1.2土壤腐蚀的影响因素 (5)

2.2.1.3土壤腐蚀常见的几种形式 (6)

2.2.2大气腐蚀 (8)

2.2.2.1大气腐蚀特征 (8)

2.2.2.2大气腐蚀的影响因素 (8)

3.天然气埋地钢管的防腐方法 (10)

3.1内腐蚀防护 (10)

3.1.1防腐涂层的结构 (10)

3.1.2防腐涂层的选择 (11)

3.2外壁腐蚀及防护 (12)

3.2.1阴极保护的两种方法 (13)

3.2.2阴极保护的参数 (14)

结束语 (15)

参考文献 (16)

1引言

1.1腐蚀的定义

“腐蚀”这个术语起源于拉丁文“Corrdere”，意即“损坏”，“腐烂”。五十年代前腐蚀的定义只局限于金属的腐蚀，它是指金属在别的介质（最常见的液体和气体）作用下，由于化学变化、电化学变化或物理溶解而产生的破坏，这个定义明确指出了金属腐蚀是包括金属材料和环境介质两种在内的一个具有反应作用的体系，金属要发生腐蚀必须有外部介质的作用，而且这种作用是发生在金属与介质的相界上，它不包括因单纯机械作用引起的金属磨损破坏。

随着非金属材料（特别是合成材料）的迅速发展，它的破坏引起了人们的重视，从五十年代以后，许多权威的腐蚀学者或者研究机构倾向于把腐蚀的定义扩大到所有材料，即材料腐蚀是指材料受环境介质的化学作用（包括电化学作用）而破坏的现象。

从热力学观点看，绝大多数金属都具有与周围介质发生作用而转入氧化（离子）状态的倾向，因此金属发生腐蚀是一种自然的趋势，且到处可见，例如金属构件在大气中因腐蚀而生锈，埋于地下的金属管道因腐蚀发生穿孔，钢铁在轧制过程中因高温下与空气中的氧作用产生了大量的氧化皮，在化工生产中金属机械和设备常与强腐蚀性介质（如酸，碱，盐等）接触，尤其在高温高压和高流速的工艺条件下，腐蚀问题更显得突出和严重。

1.2腐蚀危害性

腐蚀给金属材料造成的直接损失是巨大的，据估计全世界每年因腐蚀而报废的钢铁设备约相当于每年产量的30%，假如其中2/3可回炉再生，仍有10%的钢铁将由于腐蚀而一去不复返了；同时金属构件的损坏，其价值远比金属材料的价值大得多。例如飞机，舰船，锅炉等，其造价远超过原材料的价格，至于因腐蚀所造成的间接损失，有时是难以统计的，例如发电厂的锅炉管爆裂，更换一根不过几百元，但引起许多工厂停产，其损失则是十分惊人的，英国在1969年发表了著名的“赫尔（Hoar）报告”估计每年最少损失13.65亿英镑。据美国国家标准局（NBS）调查，1975年美国因腐蚀而损失竟高达700亿美元，我国虽然至今还没有完整的统计数字，但妩媚的事例清楚表明，各行业均普遍存在金属腐蚀的问题。

1.3腐蚀对天然气管道的危害

天然气是石油的气态烃类的采出物质, 天然气分为伴生气和非伴生气两种。我国很多城市目前应用天然气,或用于民用燃气,或用于化工原料,或用于工业燃料。随着我国国民经济较快发展，改善能源结构的要求日趋迫切,加上环保要求的日益严格和消费者环保意识的增强，从而对清洁能源天然气的需求会有较快增长。天然气的地位随着上升[1]。

鉴于中国政府为解决城市雾霾问题而推动使用更清洁的能源，国际能源署（IEA）发布年度中期天然气市场报告预计，到2019年，中国天然气需求将增至3150亿立方米，比2013年需求量增长90%。今年中国官方预计到2020年天然气年消耗4200亿立方米。下图可见，2000年以来，中国天然气需求增长六倍多。

天然气使用量的急剧增加，推动了天然气工业的发展，管网设施是天然气发展的基本条件之一,也是国家现代化的重要标志。因此城市燃气管网设施大力建设迅速发展，成为了城市生存和发展的必要保障和国家重要的基础设施。天然气管道是连接上游资源和下游用户的纽带,是天然气运输和消费的必备手段。2007年已完成基本骨干管道（约4000 km）的西气东输工程，配套建设支干线和区域性管道11000～17000km，形成基本覆盖长江三角洲地区及华东、华北、中部地区的天然气管网。

目前输气管道使用最多的是钢管,包括无缝管、直缝管等, 敷设方式一般为埋地。有实验表明,埋地钢管若不加防腐,一年即可能腐蚀穿孔,而若采取合理的防腐措施,

使用寿命可达

25年以上。天然气管道从油气供应点到油气使用场所，经过各种各样复杂的地

形，管道所处环境千变万化，输送介质中往往含有H

2S、CO

2

等酸性腐蚀介质，它们溶

于管道中的水形成酸，与管道内壁发生电化学反应，同时管道外壁与土壤还可能发生土壤腐蚀。腐蚀会造成天然气井套的断裂、集输管线爆破等管线故障。它的发生将严重制约天然气集输能力的提高, 导致维修改造费用增大。另外由于天然气具有易燃、易爆等特性, 一旦管道泄漏很可能引起火灾爆炸事故，这给输气管道的安全运行造成威胁，一旦发生腐蚀穿孔还将产生巨大的财产损失和人员伤亡，例如：据调查, 天津燃气管线38公里，近十年来，管线多次被腐蚀穿孔已更换6公里。按管道投产时间与壁厚资料计算，穿孔年限5-17年，腐蚀速度0.30-1.22毫米/年。我国东部九个油气田各类管道因腐蚀穿孔达2 万次/年, 更换管道数量达400km/年, 因腐蚀造成的年直接经济损失约为数亿元；1971年5月20日深夜，我国四川威成输气管道的越溪段，正常运行中管线突然爆管，该管道为Φ630mm×8mm，工作压力为2.1Mpa，爆炸中，气流将管子沿焊缝平行方向撕裂，重达201Kg的管子碎片飞出151m远，气流冲断10m外的输电线导致起火，使50m以外的两栋宿舍着火，伤26人，死亡4人，停输两天，抢修后换上新管段，运行7个多月后，1972年1月13日，同一部位第二次爆管，经查明以上两次爆管均有严重的内腐蚀引起，腐蚀速度达到了2.6-10.4mm/a，这是由于投产一年后，沿线接入了含H

2

S天然气；1995年7月29日，横贯加拿大管道公司的一条1067mm天然气管道在Rapid市附近破裂起火，50多分钟后据爆破口7m 远的另一条914mm气管也爆裂着火，两条管道分别停输了15天、4天，后来查明第一条管道是外部腐蚀裂纹引起的延性断裂，后一事故是因火灾没有及时扑灭引发的次生灾害；2000年8月，美国新墨西哥州卡尔斯巴市El Paso公司的一条天然气管线突然爆炸，造成12人死亡。事故调查报告显示，造成此次爆炸的直接原因是管线内壁长期受到腐蚀，管壁变薄所致，因此对天然气管道进行防腐蚀保护是很有必要的。

2天然气管道的腐蚀特点

长输天然气管道在运行中与输送介质发生内腐蚀，同时外壁与土壤大气分别发生土壤腐蚀和大气腐蚀。天然气管道腐蚀的破坏形态包括全面腐蚀和局部腐蚀, 全面腐

蚀是一种常见的腐蚀形态, 包括均匀全面腐蚀和不

均匀全面腐蚀。局部腐蚀又可以分为点腐蚀（孔蚀）、缝隙腐蚀和疲劳腐蚀等。因为腐蚀类型不同对应的防护措施也不一样。

2.1天然气管道的内腐蚀

内壁腐蚀是由于天然气中残存的水分、和、等酸性气体造成的类似原电池的电化学反应和破坏金属晶格的化学反应。这两种反应都造成管壁疏松、脱落以致穿孔,不能再承受压力和输送天然气。

金属的电化学腐蚀是指金属表面与导电离子的介质因发生电化学作用而产生的破坏，任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包含一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流联系在一起。阳极反应是金属离子从金属转移到介质中和放出电子的过程，即阳极氧化过程。相对应的阴极反应便是介

S、质中氧化剂组分吸收来自阳极的电子的还原过程。天然气管道输送的介质中含有H

2溶于水，生成酸，碳钢在酸中发生电化学反应腐蚀，在阳极区铁被氧化为Fe2+离CO

2

C）上被H+吸收而被还原成氢气，子，所放出的电子自阳极（Fe）流至钢中的阴极（Fe

3

即

阳极氧化反应：Fe → Fe2+ + 2e

阴极还原反应：2H + 2e → H2↑

总的反应：Fe + 2H+ → Fe2+ + H

↑

2

2.2天然气管道的外腐蚀

2.2.1土壤腐蚀

运输管道的排放，大多数在土壤之中。而天然气在开采和输送中大量地应用了钢质管道, 一般埋地钢质管道在土壤作用下常发生严重的腐蚀穿孔, 造成油气的跑、冒、滴、漏。不但造成经济损失, 而且可以引起爆炸、起火、污染环境等。正确地评价土壤的腐蚀性, 对正确地选择防腐措施有着十分重要的意义。

2.2.1.1土壤腐蚀特点

由于土壤具有多相性和不均匀性, 并且具有很多微孔可以渗透水及气体,

因此不同土壤具有不同的腐蚀性, 又由于土壤具有相对的稳定性, 使得土壤腐蚀和其他电化学腐蚀过程不同。在土壤中, 氧的传递通过土壤孔隙输送, 其传送速度取决于土壤的结构和湿度, 在不同的土壤中氧的渗透率会有很大差别。在土壤中除具有可能生成的多相组织不均性有关的腐蚀微电池外, 还会因土壤介质的宏观差别而造成宏腐蚀电池[2]。宏腐蚀电池的种类有:

(1) 长距离输油管道穿越不同土壤形成的宏腐蚀电池。

(2) 管体不同材料差异埋在土壤中产生的宏腐蚀电池。

(3) 由于管道埋深不同, 上、下部土壤的密实性, 含氧等差别造成管道上下部电极电位不同形成宏腐蚀电池。

2.2.1.2土壤腐蚀的影响因素

(1) 土壤性质：土壤的固体颗粒含有砂子，灰，泥渣和植物腐烂后形成的腐殖土，土壤有各种不同的形状：粒状，块状，和片状，事实上，多数土壤是无机的和有机的胶质混合颗粒的集合，在这个集合体中还具有许多弯弯曲曲的微孔（毛细管），土壤中的水分和空气可以通过这些微孔到达土壤的深处，并且土壤还具有生物学的活性。土壤的孔隙度、含水量、含氧量、电阻率、pH 值以及含盐量、所含微生物等对土壤的腐蚀性有极大影响。

(a) 孔隙度的影响：土壤的孔隙有利于氧气的渗入和水分保存, 孔隙度越大管道腐蚀越严重。

(b) 土壤中含水量的影响：土壤中的水分有些与土壤的组分结合在一起，有些紧紧粘附在固体颗粒的周围，有些可以在微孔中流动，盐类溶解在这些水中，土壤就成了电解质，土壤的导电性与土壤的干湿程度及含盐量有关，土壤愈干燥，含盐量愈少，其电阻就愈大，土壤愈潮湿，含盐量愈多，电阻就愈小，干燥和少盐的土壤电阻率往往高于10000欧姆·厘米，而潮湿含盐的土壤，电阻率能低于500欧姆·厘米，土壤的腐蚀往往与电阻率有密切的关系。

(c) 土壤中的氧：土壤中的氧气，有一些溶解在水中，有些存在于土壤的毛细管和缝隙内，两者对金属在土壤中的腐蚀都有影响，土壤中的氧含量与土壤的湿度和结构都有密切的关系，在干燥的砂土中，因为氧比较容易通过，所以氧含量较多，在潮湿的砂土中，因为氧较难通过，氧量较少，而在潮湿密实的粘土中，因为氧通过非常

困难，所以氧量最少，湿度不同和结构不同的土壤中，氧量相差可达几万倍，这种充气不均匀，正是造成氧浓差电池腐蚀的原因。

(d)电阻率的影响：土壤电阻率与土壤的含水量、含盐量、孔隙度等很多因素有关, 土壤电阻率越小腐蚀速率越高。

(e) pH 值的影响：大多数土壤是中性的，pH值在6-7，有的土壤是碱性的，如碱性的砂质粘土和盐碱土，PH值在7.5-9.5，也有一些土壤是酸性的，如腐植土和沼泽土，pH值在3-6。我国大部分土壤属中性, pH 值在6～ 8 之间, 随着pH 值的降低腐蚀速率增加[3]。

(f) 含盐量的影响。一般土壤中的含盐量为0.0088%～ 0.15% , 土壤中含盐量

时, 其腐蚀速率随

越大电导率也越大, 从而提高土壤的腐蚀性。当土壤中含CaCO

3

CaCO

含量的增加而降低。

3

(g)土壤中的微生物；微生物对金属的腐蚀也有很大的影响，其中最重要的是厌氧的硫酸盐还原菌，硫杆菌和铁杆菌（好氧的细菌）。

(2) 杂散电流的影响：电车、电气化铁路、以接地为回路的输配电系统、电解装置等, 在其规定的电路中流动的电流, 其中一部分自回路中流出, 流入大地、水等环境中, 形成了杂散电流。当环境中存在埋地管线或金属构筑物时, 杂散电流的一部分又可能流入、流出埋地管线或金属构筑物, 产生干扰腐蚀。根据腐蚀干扰源的不同, 可分为直流干扰和交流干扰。杂散电流腐蚀程度, 要比一般的土壤腐蚀剧烈得多。

(3) 温度的影响：温度对腐蚀速度有很大影响, 一般来讲, 温度每升高20℃, 腐蚀速度加快一倍。

2.2.1.3土壤腐蚀常见的几种形式

(1)由于充气不均匀引起的腐蚀

当管道埋设通过结构不同和潮湿程度不同的土壤时（如通过砂土时），由于充气不均形成氧浓差电池的腐蚀，处在砂土中的金属部分，由于氧容易渗入，电位高，成为阴极，而处在粘土中的金属部分，由于缺氧，成为阳极，它们之间构成氧浓差电池，而使粘土中的金属部分遭到腐蚀，同样，埋在地下的管道（特别是水平埋放直径较大的管子），由于各处深度不同，也会构成氧浓差电池，埋得较深的地方（如在管子的下部），由于氧到达困难，便成为阳极区，腐蚀就往往是发生在这个区域。必须注意的是：如果仅仅是微电池作用引起的腐蚀其结论则与上述情况完全相反，在粘土中，由于氧进入较为困难，氧去极化过程较难，所以腐蚀也就较慢，而在土壤中，氧容易

渗入，氧去极化过程容易，所以腐蚀就较快。

(2)由杂散电流引起的腐蚀

杂散电流是一种漏电现象，在土壤的腐蚀中，防止它引起的腐蚀有很大的实际意义，杂散电流是由直流电源（如电气火车，有轨电车，电焊机，点解槽，电化学保护等）设备漏失出来的电流，一些地下设备，地下管道，电缆和混凝土的钢筋等都容易因这种杂散电流引起腐蚀，直流电往往从路轨漏到地下，进入地下管道某处，再从管道的另一处流出而回到路轨，杂散电流从管道流出的地方，成为腐蚀电池的阳极区，腐蚀破坏就发生在这个地方，如下图所示，金属的损失量与流过的杂散电流的电量成正比，符合法拉第定律，经计算：一安培电流流过一年就相当于约九公斤的铁发生电化学腐蚀而被溶解掉了，可见杂散电流引起的腐蚀也是相当严重的。

(3)由于微生物引起的腐蚀

对于腐蚀有作用的细菌不多，其中最重要的是硫杆菌和硫酸盐还原菌（厌氧菌）。硫杆菌有排硫杆菌和氧化硫杆菌两种，这种细菌最适宜存在的温度为25-30度，当温度高到55度以上时，就无法生存，在地下管道附近，由于污物发酵结果产生硫代硫酸盐，排硫杆菌就在其上大量繁殖，产生元素硫，紧接着，氧化硫杆菌将元素硫氧化成硫酸，造成对金属的严重腐蚀。（2）硫酸盐还原菌（厌氧菌）如果土壤中非常缺氧，而且又不存在氧浓差电池及杂散电流等腐蚀大电池时，腐蚀过程是很难进行的，但是，对于含有硫酸盐的土壤，如果有硫酸盐还原菌存在，腐蚀不但能顺利进行，而且更加严重，主要是由于生物的催化作用，使腐蚀过程的阴极去极化反应得以进行，从而大大加速了腐蚀。

细菌腐蚀并非它本身对金属的侵蚀作用，而是细菌生命活动的结构间接地对金属腐蚀的电化学过程产生影响，主要以下述四种发生影响腐蚀过程：新城代谢产物的腐蚀作用细菌能产生某些具有腐蚀性的代谢产物，如硫酸，有机酸和硫化物等；生命活动影响电极反应的动力学过程；改变金属所处环境的状况；破坏金属表面有保护性的非金属覆盖层或缓蚀剂的稳定性。