油氣在開采以及運輸?shù)倪^程中，油氣管道經(jīng)常會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，如果不加以處理會造成管道破裂，從而引起油氣泄漏，更嚴重甚至會引發(fā)爆炸，這不僅會影響油氣的安全輸送，影響人們的使用，而且會引發(fā)安全事故，造成國家的經(jīng)濟損失。因此我們要分析油氣集輸管道的腐蝕原因，使用科學的防腐措施來防止管道發(fā)生腐蝕，保證油氣的安全輸送，保障國家的經(jīng)濟利益不受損失。
一、油氣集輸管道的腐蝕機理
1.1 外腐蝕
油氣管道的外腐蝕是指金屬管道在與周圍物質的長期接觸之下，與它們發(fā)生化學變化、電化學變化或者物理溶解，從而對油氣管道外壁造成損害。對于埋在地下的管道來說主要是由于土壤造成的腐蝕。土壤是由液體、固體、氣體三類物質組成的，土壤里含有大量的水和空氣，水能夠讓土壤成為導體，空氣中的氧氣發(fā)生運動會造成氧氣的濃度不均衡，進而形成氧濃差電池，這種類型的腐蝕對管道造成的損害會更加嚴重。土壤腐蝕管道除了微電池腐蝕，還有許多其他類型的腐蝕現(xiàn)象。例如：宏觀電池腐蝕、不同種類金屬產(chǎn)生的宏觀電池腐蝕以及微生物腐蝕。在海底的油氣管道腐蝕主要是由海水所造成的電化學類型腐蝕。海底管道長期浸泡在海水里面，再加上海水是一種電解質溶液，管道是金屬材料，管道的表面不同部位的材料、化學成分不一樣，這就使得管道外表面上形成了不同的電位。這些電位連接在一起，在有導電能力的海水中形成了一個完整的閉合回路，從而形成原電池。這樣造成的腐蝕現(xiàn)象，我們將它命名原電池腐蝕。這種類型的腐蝕會對管道表面造成全面或者局部腐蝕，例如：坑蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等[1]。
1.2 內(nèi)腐蝕
油氣在運輸?shù)倪^程當中，油氣里含有的H2S、CO2、SO2、O2等氣體以及氣田鹵水等，這些氣體遇到管道內(nèi)壁會發(fā)生化學反應從而造成管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕。同時多相流對管道的沖擊也會造成金屬管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕。
(1)H2S腐蝕。硫化氫在遇到水時容易發(fā)生分解，在水中形成電離反應（H2S→H++HS-、HS-→H++S2-），在與金屬管道接觸時會發(fā)生化學反應（H2S+Fe→Fe2++H2↑），讓管道發(fā)生腐蝕，在有氧氣存在時，還會產(chǎn)生硫酸（H2S+O2=H2SO4），這樣就會再一次對管道造成電化學腐蝕。硫化氫還有一定的可能造成金屬管道發(fā)生氫脆現(xiàn)象（H2S+Fe→Fe2++H2↑）。有研究結果表明，當鋼材的缺陷處存在大量的氫離子時，便會產(chǎn)生出氫氣。通過大概計算，產(chǎn)生的氫氣的強度大概能夠達到300 MPa，這就造成了管道的脆化，引起管道的部分區(qū)域發(fā)生塑性變形，最終引發(fā)管道產(chǎn)生裂紋并可能導致管道裂開。
(2)CO2腐蝕。二氧化碳會與水發(fā)生反應產(chǎn)生碳酸（CO2+H2O=H2CO3），碳酸會使PH值下降，造成金屬管道發(fā)生氫氣極化反應（Fe+H2CO3→FeCO3+H2），從而造成金屬管道發(fā)生坑點腐蝕、片狀腐蝕等局部腐蝕現(xiàn)象。
(3)SO2腐蝕。二氧化硫和金屬管道鐵在氧氣的作用下發(fā)生化學反應形成硫酸亞鐵（SO2+O2+Fe→FeSO4），硫酸亞鐵發(fā)生水解反應形成氧化物和游離酸（2FeSO4+3H2O→Fe2O3+6H++2SO42-），游離酸又加劇了金屬鐵的腐蝕，形成新的硫酸亞鐵（Fe+SO42-+2H+→FeSO4+H2↑），硫酸亞鐵遇到水再次分解，這樣就形成一個往復循環(huán)，造成管道的腐蝕進一步加速。
(4）多相流腐蝕。多向流腐蝕按腐蝕環(huán)境劃分為清潔環(huán)境（無固體、無腐蝕）、沖蝕環(huán)境（有固體、無腐蝕）、腐蝕環(huán)境（無固體、有腐蝕）以及沖蝕和腐蝕環(huán)境（有固體、有腐蝕）。流動形態(tài)也對腐蝕有著很大的影響，例如在油田中存在油、水、氣多相流，按照流動形態(tài)可以劃分為分層流、波狀流、段塞流、環(huán)狀流和環(huán)霧流等類型。分層流和環(huán)霧流會造成管道頂部產(chǎn)生凝析水從而引起結露腐蝕。當氣相和液相速度都比較低時，經(jīng)常會出現(xiàn)平滑或波狀的層狀流，尤其是在水平和稍微有點傾斜的管流中，由于重力的作用，相態(tài)趨于分層，水層出現(xiàn)在管道底部，油流在它的上面；當氣相速度較低而液相速度較高時，會產(chǎn)生段塞流；當氣相和液相速度都比較高時，會產(chǎn)生間歇流態(tài)的段塞流。在這些多相流形態(tài)中，段塞流對管道的腐蝕最為嚴重，這是因為在段塞流的前面經(jīng)常會形成高紊流復合區(qū)，高速的紊流會造成管道壁出現(xiàn)很大的剪應力，在流體的沖擊力和剪應力的共同作用下，緩蝕劑膜和腐蝕沉淀物發(fā)生掉落，這樣不僅會造成流體直接沖擊管道表面造成磨損，而且加劇了管道的腐蝕力度[2]。
二、油氣集輸管道的防腐措施
2.1 外防腐措施
2.1.1 管道外使用防腐涂層
在管道的外壁上涂上防腐涂層，讓管道和腐蝕介質分隔開來，從而能夠保護管道不受腐蝕。目前我國使用的涂層一般都是環(huán)氧涂層，它是當今國際普遍使用的一種防腐涂層，它的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的瀝青涂層和煤焦油涂層。它是一種熱固性類型的材料，成分含有環(huán)氧樹脂以及固化劑等各種材料，黏結力強，涂層致密，表面光滑并且耐鹽堿腐蝕。除了環(huán)氧涂層之外，管道外壁防腐有時也會使用三層聚乙烯涂層。它的結構是：底層為FBE，約50～127?m，中間層為共聚物膠，約200?m，外層為聚乙烯，約3 mm。這一結構使它擁有高黏結性、抗氧性、耐化學腐蝕、電絕緣性、耐沖擊等特點，而且陰極保護電流密度小，只有1～3?A/m2，降低了陰極保護的成本和規(guī)模。有調(diào)查研究數(shù)據(jù)表明三層聚乙烯涂層的使用壽命大概達到40年以上，但是由于它的價格比較昂貴，工藝比較復雜，目前還沒有被廣泛使用。
2.1.2 應用陰極保護技術
陰極保護技術一種為了防止金屬在電介質中發(fā)生腐蝕的電化學保護技術。這種技術是將金屬當做成陰極，并給它接通陰極電流，使它的陰極極化，從而讓金屬電位低于設定的電位，這樣就會消除金屬表面的不均勻性，從而減緩陰極的腐蝕，以此來保護金屬。陰極保護技術不僅能防止金屬腐蝕，還能夠提高經(jīng)濟效益。它的費用約為被保護金屬結構物造價的1%～5%，是涂層費用的10%左右，但它卻可以延長金屬結構物的使用壽命高達幾十倍。關于這方面曾經(jīng)有過報道，海上石油開采平臺的建造費用一般都達到上億資金，如果它不采用陰極保護技術，它的使用年限只有5年，而在使用陰極保護技術的情況下，它的使用年限能夠達到20年，然而陰極保護技術的費用才只需要一兩百萬，大大提升了經(jīng)濟效益。因此陰極保護技術目前在全世界得到了非常廣泛的應用，例如：地下輸油管道、海底油氣管道以及海洋平臺都采用了陰極保護技術來提高它們的抗腐蝕能力。
陰極保護經(jīng)常使用的方法有兩種：外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護。外加電流陰極保護是利用陰極保護原理，將外部使用的直流電源作為陰極保護的極化電源，將電源的負極和被保護的金屬管道連接在一起，將電源的正極和輔助陽極連接在一起。通過電流作用，使管道的對地電位向負的方向移動，從而達到陰極保護。犧牲陽極陰極保護是把電極電位比較負的金屬材料和電極電位比較正的金屬管道連接在一起，將被保護的管道當做腐蝕電池的陰極，以此來實現(xiàn)對金屬管道的保護作用，在實際應用中經(jīng)常使用的犧牲陽極材料有鎂、鎂合金、鋅以及鋅合金等。
2.2 內(nèi)防腐措施
2.2.1 緩蝕劑技術
緩蝕劑是用來延緩金屬或者合金被腐蝕并且改變它們的機械性能的化學藥劑。它憑借著高效、成本低并且操作簡單等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為防腐蝕技術中應用的方法之一，并且經(jīng)常被用在油田現(xiàn)場。但緩蝕劑的作用機理目前還沒有一個大家都認可的說法，現(xiàn)在主要有電化學理論、吸附理論、成膜理論等。緩蝕劑的防腐性能并不是通過改變腐蝕介質中含有的腐蝕成分，而是通過改變金屬材料的表面狀態(tài)或者當作催化劑使用，以此來改變陽極或者陰極的反應過程，使反應速率的常數(shù)減小，從而減緩腐蝕速度，以此來達到防腐蝕的目的。緩蝕劑的使用不僅可以提高設備的使用年限，減少金屬材料的浪費，而且可以幫助實現(xiàn)一些先進的工藝流程。隨著緩蝕劑技術的廣泛應用，緩蝕劑的種類也多種多樣。按照化學組成進行劃分可以分為無機緩蝕劑和有機緩蝕劑兩大類，按照電化學機理可以劃分為陽極緩蝕劑、陰極緩蝕劑以及混合型緩蝕劑，按照化學機理可以分為鈍化模型緩蝕劑、沉淀模型緩蝕劑以及吸附模型緩蝕劑[5]。
2.2.2 應用內(nèi)涂層及襯里防腐技術
內(nèi)涂層防腐技術是指在管道內(nèi)壁和腐蝕介質之間噴涂隔離層，以此來達到防腐功能。襯里防腐技術是在不同的介質條件下，在金屬設備以及管道內(nèi)襯金屬或者非金屬材料，將金屬表面與工藝介質隔離開來，從而達到防腐效果。對于溫度、壓力較高的地方，需要襯耐腐蝕金屬，如不銹鋼、鈦、銅等。此外，玻璃鋼復合材料也經(jīng)常用于內(nèi)襯防腐技術當中，它憑借著自身擁有玻璃鋼的耐腐蝕性能和鋼管的強度，經(jīng)常被應用在溫度和壓力較高的油氣集輸管道，例如，國內(nèi)已知的勝利油田就是利用該項技術來進行防腐措施的。內(nèi)涂層及襯里防腐技術能夠有效地防止內(nèi)腐蝕，因此它被廣泛應用于油氣集輸管道。這樣不僅能夠有效防止油氣管道的腐蝕，避免管道材料的浪費，減少管道的維護費用，而且能夠大幅提升油氣運輸效率，減少對管道的清洗次數(shù)，大大節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益[6]。
2.3 加強對管道腐蝕問題的檢查維護
加強對油氣集輸管道腐蝕問題的檢查維護能夠及時發(fā)現(xiàn)腐蝕對管道造成的危害，及時保護管道的安全，避免造成安全事故，保護國家的經(jīng)濟效益。首先，要制定管道防腐蝕計劃。例如：在管道建設的初期階段，就要針對管道的內(nèi)外腐蝕問題進行處理，利用涂層技術、陰極保護技術、緩蝕劑技術等來對管道內(nèi)外進行防腐措施，避免管道發(fā)生腐蝕。其次，要制定檢查、維修、保養(yǎng)計劃，根據(jù)計劃定期對管道進行檢查、維修、保養(yǎng)，如果檢查時發(fā)現(xiàn)管道有腐蝕問題，就要及時進行維修處理，避免由于腐蝕問題造成管道破裂，引起油氣泄漏，從而造成安全事故。最后，要制定緊急應急計劃，萬一遇到油氣泄漏，工作人員能夠根據(jù)應急計劃進行緊急處理，及時采取有效措施，降低油氣對環(huán)境的污染，避免油氣泄漏引發(fā)火災，造成安全事故[7]。
三、結語
綜上所述，在油氣的運輸過程中，油氣管道可能會發(fā)生外腐蝕和內(nèi)腐蝕這些問題，進而影響到油氣的安全輸送，造成國家經(jīng)濟損失。因此我們要重視油氣管道的腐蝕問題，定期對油氣管道進行檢查、維修、保養(yǎng)，通過應用涂層技術、陰極保護技術、緩蝕劑技術這些措施來解決管道的腐蝕問題，以此來保證油氣的安全輸送，保障國家的經(jīng)濟利益。
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