输气管道缓蚀剂预膜机理与工艺的研究现状及发展趋势

熊昊天 吕纯玮 赖浩然 孙昌皓 李冰玉 邱伊婕

摘      要：近年来，随着国内外天然气的开采力度和利用程度的不断加大，对输气管道防腐蚀能力的要求也随之提高。缓蚀剂预膜工艺技术可有效提升输气管道的抗腐蚀能力，避免因管道内腐蚀穿孔而造成天然气泄漏爆炸等一系列安全问题，从而达到安全、高效运行的目的。因此，研究并分析缓蚀剂预膜的机理，分析影响预膜质量的多种因素，并提出一种高效合理的缓蚀剂预膜工艺显得尤为关键。论述了国内外常用的缓蚀剂预膜工艺和预膜机理，对各工艺的原理进行详细阐述，并对目前的发展现状做出总结，对未来的发展趋势做出展望。

关  键  词：缓蚀剂;预膜机理;预膜工艺;预膜质量

中图分类号：U177.2       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）10-2362-04

Abstract： In recent years， with the increasing of exploitation intensity and utilization of natural gas at home and abroad， the requirement of anti-corrosion ability of pipeline is also increasing. Corrosion inhibitor pre-membrane technology can effectively improve the corrosion resistance of the gas pipeline， to avoid the corrosion perforation in the pipeline to cause a series of safety problems， such as leakage and explosion， so as to achieve the goal of safe and efficient operation. Therefore， it is very important to study and analyze the mechanism of corrosion inhibitor pre-filming， the various factors affecting the quality of pre-film， and put forward an efficient and reasonable process of corrosion inhibitor pre-filming. In this paper， common pre-membrane technologies and pre-membrane mechanism of corrosion inhibitors at home and abroad were mainly discussed， the principle of each process was expounded in detail， and the present development situation was summarized， and the future development trend was prospected.

Key words： Corrosion inhibitor; Pre-filming mechanism; Pre-filming process; Corrosion protection

目前，我国大部分油气田采出气内均含有硫化物和二氧化碳等腐蚀性气体，加之在天然气输送的过程中会析出水并在管内形成积水管段，积水与管内二氧化碳结合生成碳酸等造成化学腐蚀，严重损坏管线和设备，影响整个管线的正常运营甚至造成巨大的经济损失和人员伤亡，尤其在运行使用时间较长且人口稠密地区的管线中，若出现因腐蚀而造成的输气管道泄漏爆炸会对社会和环境造成难以估量的影响。据不完全统计：目前在役油气管道腐蚀事故频次约为0.875～1.375次/1 000 km/a，高于国外0.08～0.16次/1 000 km/a[1]。因此，对管道内采取相应的防护措施，防止输气管道穿孔泄漏，以延长管道寿命，对确保输气管道的正常安全运行具有非常重要的意义。

提高管道抗腐蚀的能力有多种方法，目前国内外对于新建管道多采用抗腐蚀材料和安全化设计，而对于已建管道则采用缓蚀剂预膜的方法来实现对输气管道的防护作用。由于我国天然气开采年限较早，大多数已建管道使用的时间较长，缓蚀剂预膜工艺有着广泛的应用前景。因此，通过对前人研究成果的总结，可为以后深入研究缓蚀剂预膜机理和研发新型缓蚀剂以及相应的加注工艺提供借鉴思路，丰富理论基础和研究途径。本文根据国内外相关研究进展，给出了缓蚀剂预膜机理，总结了目前使用广泛的预膜工艺及其应用情况，并对预膜工艺的发展趋势给出展望。

1  输气管道缓蚀剂预膜机理和工艺国内外研究现状

影响预膜质量的因素众多，如缓蚀剂类型、管内介质的流动情况、缓蚀剂加注工艺等。针对已建输气管道的缓蚀剂预膜机理和工艺，国内外学者通过实验研究、理论分析、现场试验等方法，从缓蚀剂优选、缓蚀剂加注量、成膜理论、预膜质量评价、有效保护距离、预膜工艺优化等多方面进行了大量研究，并取得了一定的研究成果。

1.1  国外缓蚀剂预膜机理及工艺研究现状

在输气管道防腐蚀问题上，国外学者在前人的研究理论基础上做了大量研究，并对缓蚀剂预膜机理和工艺的理论基础不断进行了完善和补充。

J.E.O.Mayne和A.D.Mercer等[2]对缓蚀剂做出的定義是缓蚀剂在腐蚀环境中加入很少量便能在金属表面或表面附近发生作用而显著降低金属腐蚀速率的物质。并且A.D.Mercer[3]归纳总结了关于缓蚀剂的多种不同的分类方法。G.Schmitt[4]等人通过实验提出缓蚀剂的吸附模式可分为竞争吸附和协同吸附，以及Lorenz和Mansfeld[5]提出界面缓蚀和相面缓蚀的新观念，该两种观念的提出丰富了缓蚀剂预膜吸附机理在微观层面上的理解。Evans和Hoar提出了Fe2O3膜的保护历程，确定出其钝化成膜理论，为缓蚀剂预膜机理的钝化成膜打下了理论基础[6]。Hackerman提出了在缓蚀剂吸附成膜时物理吸附与化学吸附共存的综合吸附特点的看法，在理论上解释了缓蚀剂在金属表面上吸附过程[6]。

基于传统的预膜方式和相关工艺手法James H.Coulter等人[7]在前人的研究基础上，提出了一种适合于输气管道内涂膜的旋转型装置，该装置在理论上推翻了普通清管器的地位，但由于该装置与缓管道的内摩擦较大在管内行进困难，使得在实际生产上难以使用（如图1）。为解决预膜效果在实际生产应用中不理想的问题RickD.Pruett等人[8]提出了一种喷射型管道预膜装置，利用文丘里管使清管器在行进过程中对管道进行预膜。但是该装置同时存在着预膜范围较小，不能实现将管道内壁完全预膜覆盖的缺陷（如图2）。

1.2  国内缓蚀剂预膜机理及工艺研究发展状况

虽然我国对天然气的开采使用时间较早，但对输气管道防腐蚀问题以及缓蚀剂的研究起步较晚。近年来随着我国逐渐加大对天然气的开发和利用，对输气管道缓蚀剂预膜的研究也随之较为迅速。并且以原来的对于输气管道进行外涂层或采用阴极保护的方法到现阶段对管道的内外进行防腐蚀处理并且采取不同工艺手法，使得管道的防腐蚀程度在近年来得到了较大的提升。

在缓蚀剂优选方面，1992年，刘惟[10]对四川输气干线情况进行分析，研究管线内含介质的占比情况，通过管内腐蚀机理分析在不同因素的影响下管内壁的腐蚀情况。并总结出具有良好预膜效果的缓蚀剂如CT2-2型等。

1993年，彭年橞[11]对CT2—2缓蚀剂在四川输气干线上进行相关技术上的研究。提出了采用放射性同位素示踪技术研究缓蚀剂在输气管道内的扩散规律和有效保护加注量的方法。

1995年，杨怀玉[12]通过多种实验方法对防腐缓蚀剂进行筛选评价，确定了多种影响因素如管内温度情况、硫化物浓度对预膜后缓蚀效果的影响。得出选取的缓蚀剂无论随着温度或硫化物的浓度变化，在一定添加浓度下都会控制介质对金属的腐蚀的结论。

2018年，刘忠运[13]以页岩气输送过程中H2S和CO2共存的前提下对当今常用的缓蚀剂进行分析调研，得出气液双相类缓蚀剂所具有的缓蚀效果更大且具有更广阔的应用前景。

在理论研究方面，1997年，郑永刚等[14]利用液体雾化理论，对缓蚀剂在输气管道内的雾化过程和机理进行了研究。对缓蚀剂的雾化后在管内的分布等评定指标进行了计算。提出了采用雾化工艺对输气管道预膜时的缓蚀剂加注量以及保护管道的最小加注量等计算公式。

1999年，殷朋[15]通过理论上的研究，分析出多种对缓蚀剂在输气管道中残余量的监测方法，为以后对缓蚀剂的加注量、加注周期和保护距离的计算上奠定了理论上的依据。

2006年，刘永康[16]在实验和理论研究的基础上，对输气管道缓蚀剂的加注浓度和保护距离进行了研究。通过对空气几何尺寸和压力等多方面因素对缓蚀剂的雾化机理进行分析，得出相应的关联式并加以修正。使得缓蚀剂的雾化机理相关理念和相关加注浓度等影响因素有了较完善的体系和科学的算法模型。

2013年和2014年，吴东容等[17]为了深入的研究缓蚀剂的预膜新方法和工艺，基于以往成膜的主要机理对现今缓蚀剂加注方式、加注量以及管内流型的因素对预膜质量的影响做出分析和总结，指出了缓蚀剂的主要控制因素，使得缓蚀剂预膜机理和工艺有了相对完善的理论基础。

2014年，龙星岑[18]采用实验模拟和数值模拟相结合的方法，建立缓蚀剂预膜的实用物理模型，得出了缓蚀剂加注量、清管器速度、介质粘度等因素对预膜厚度和持久性影响较大，而管径则对其影响较小的结论。并对传统的沾滴预膜质量评价方法进行改进。

2016年，沈雅欣等[19]在微生物腐蚀、垢下腐蚀和管道顶部腐蚀机理的条件下分析能够缓解此3种腐蚀的缓蚀剂，并得出添加的缓蚀剂在接近临界胶束浓度时，其缓蚀效果能够达到最佳的结论。

2017年，高雪琦等[20]利用数值模拟软件对缓蚀剂在输气管道的预膜在管内壁上的分布情况进行了研究和分析。得出的结果表明缓蚀剂液膜会在重力的作用下向管底沉降，并且缓蚀剂分布均匀情况与其表面张力成正比。

2018年，汪枫等[21]利用电化学方法，研究了高含硫体系中利用清管器预膜作业时缓蚀剂的成膜时间，由此推导出作业过程中预膜球控制速度的计算方法，并将其方法应用于现场实验后所得预膜质量良好。

在预膜设备及工艺的改进方面，1995年，安贵林等[22]基于前人的不同缓蚀剂加注方法，对喷雾加注装置进行研究，改进出新型缓蚀剂喷雾加注装置工艺流程并引入了缓蚀剂喷入量以及采用相对较合适的雾滴粒径等理论计算公式。結束了三十年来四川气田所使用的平衡罐加注缓蚀剂的历史，更提高了缓蚀剂作用在输气管道上的技术水平。

2007年，董绍华[23]等人研制出新型适用用于长距离输油气管道的清管器收发装置，实现了清管器的机械化作业，使其具备能够在危险爆炸区作业的条件。

同年，刘熠[24]等根据以往的缓蚀剂加注理论为基础对现阶段的管内腐蚀控制技术做出改进，提出了可采用GP-1新型缓蚀剂的方案以及采用压力雾化法对以往的缓蚀剂压力平衡罐加注方法替代的可行性。

2014年，张智琅等[25]基于现有缓蚀剂预膜的工艺并结合现今科技成果，研制出一款用于输气管道的智能式清管器，可根据管内压力的变化进行自我调节，实现智能化，可大大提高输气管道的运输安全。

同年，朱冬银等[26]结合实践对缓蚀剂预膜工艺中的清管器预膜方式做出运行时间、缓蚀剂的用量等多方面的总结并得出了利用清管器进行的缓蚀剂预膜作业具有更好的预膜质量和施工方便等特点。

2017年，李博等[27]基于GPS系统和GSM通信系统与清管器相结合，实现了清管器智能跟踪和定位，提高了清管器在施工的过程中的精度与可靠性。

目前，在缓蚀剂成膜机理方面，研究主要集中在缓蚀剂与金属管壁的物理化学作用机理方面。在预膜工艺方面，清管式预膜技术操作简单、成本低，目前应用最为广泛。在预膜质量控制方面，主要通过控制管内介质流动状况、加注量、清管器速度等方法来控制预膜厚度。因此，今后有必要进一步深入探讨不同类型缓蚀剂在管内复杂湍流状态的成膜机理，研究输气管道内液膜的分布状况，提出缓蚀剂的加注量计算模型，优化预膜工艺，为缓蚀剂预膜的新工艺和新方法的研究提供理论和技术支撑。

2  缓蚀剂和预膜工艺对输气管道防腐蚀问题的未来发展趋势

2.1  缓蚀剂的未来研制方向将是环境友好型

随着社会和经济的发展以及人类保护环境的意识提升，最初对管道进行预膜处理的无机缓蚀剂如亚硝酸盐等成膜缓蚀剂存在用量较大，易挥发等缺点且若处理不当会对环境造成较大的污染等负面作用，现已被有机缓蚀剂如链状有机胺及其衍生物或咪唑啉衍生物季胺盐类吸附型缓蚀剂所替代。在近几年出现了植物提取物类缓蚀剂之类的研究，使得缓蚀剂向环境更加友好，更加无毒无害方面靠拢的趋势。所以高效环保缓蚀剂是未来工业发展的需要，也是其研究的永恒方向[28]。

2.2  输气管道预膜工艺加注式转向清管器预膜方式

传统的预膜工艺会受到地形以及管道长度等多种因素影响，且预膜质量不够理想。从目前的研究现状和现场实用效果来看，采用清管器式预膜方式对输气管道进行预膜，具有成本低预膜效果较为优良的优点，且可开发程度较高。所以在对输气管道进行长距离的预膜处理时，清管器预膜方式不失为一种更好的选择，也是今后输气管道预膜工艺的主要研究方向。

2.3  输气管道缓蚀剂预膜工艺将与现今先进的科学技术结合实现预膜智能化

随着高新技术的飞速发展，近年来有着缓蚀剂预膜工艺与GPS或相关控制软件相结合来实现对清管器的跟踪定位，更有将机械自动化与清管器结构进行结合的相关专利和研究，来实现对清管器在输气管线内速度和倾角等多方面的自我调节，从而实现清管器的智能化，达到降低清管器作业成本提升可靠性的目的。所以实现清管器预膜智能化，提高预膜质量是未来预膜工艺技术的主要方向。

3  结束语

为防止输气管道因腐蚀而穿孔泄漏而造成环境污染以及输气效率的降低，需对其采取相应的防腐措施，以保证管道的正常运行。而对已建管道采用缓蚀剂预膜来提高管道的抗腐蚀能力是最为可行的方法。但缓蚀剂预膜的机理和影响因素众多，难以控制预膜质量，并且现今常用的清管器预膜工艺存在着技术不成熟等缺陷问题，使得缓蚀剂预膜技术难以得到更广阔的发展和应用。因此，为提升预膜质量需从缓蚀剂预膜的机理和影响因素、预膜工艺等多个方面进行深入研究。同时，只有对传统工艺进行改进，提出预膜质量控制和检测的新技术，才能使缓蚀剂预膜技术得到更好地推广与应用，这也是今后提升输气管道防腐能力的研究重点。

参考文献：

[1] 殷丽秋，吴明，修连强，曹彦青. 油气管道的腐蚀行为与防护技术[J]. 当代化工，2013，42（06）：832-835.

[2] Mayne J E O . The U. R. Evans award for 1986[J]. Corrosion Science， 1986， 26（12）：989，991-989，991.

[3]L.L. Shreir. Corrosion： Vol. 1， metal/environment reactions; vol. 2，corrosioncontrol.[J]. Surface Technology， 1977，6（2）：151-152.

[4] Schmitt G， Bedbur K. Investigations on structural and electronic effects in acid inhibitors by AC impedance[J]. Materials & Corrosion， 1985， 36（6）：273-278.

[5]Williams D E ， Asher J. Measurement of low corrosion rates： Comparison of A.C. impedance and thin layer activation methods[J]. Corrosion Science， 1984， 24（3）：185-196.

[6] 黄魁元. 缓蚀剂的发展[J]. 陕西化工， 1986 （01）： 6-12.

[7] RICK D P. Inhibitor dispensing pipeline pig：USA，6874193B2[P]. 2005-04-05.

[8] JAMES H C， DAVID L L. Method for cleaning and coating pipeline walls：USA， 4425385[P]. 1984-01-10.

[9]吳东容. 输气管道缓蚀剂预膜技术现状[J]. 油气储运， 2014， 33（11）： 1235-1239.

[10] 刘惟. 四川气田输气干线内腐蚀及其控制[J]. 油气储运， 1992（06）： 40-44+5.

[11]彭年穗. CT2-2输气管道缓蚀剂的应用[J]. 石油与天然气化工， 1993（02）： 116-120.

[12] 杨怀玉. 海底输气管线内防腐缓蚀剂的筛选评价[A]. 中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会. 第九届全国缓蚀剂学术讨论会论文集[C]. 中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会： 1995： 5.

[13]刘忠运. CO2/H2S共存条件下页岩气管道缓蚀剂优选研究[J]. 当代化工研究， 2018（05）： 59-60.

[14]郑永刚， 安贵林， 彭荣， 侯胜. 输气管道中缓蚀剂雾化浓度分布及加注量计算[J]. 油气储运，1997（07）： 17-20+61-5.

[15] 殷朋. 缓蚀剂在输气管道中的监测技术[A]. 中国腐蚀与防护学会蚀剂专业委员会， 1999： 3.

[16] 刘永康. 输气干线缓蚀剂加注浓度及保护距离研究[D]. 西南石油大学，2006.

[17]吴东容， 敬加强， 杜磊. 输气管道缓蚀剂预膜及控制技术[J]. 油气储运， 2013， 32（05）： 485-488.

[18] 龙星岑. 輸气管道缓蚀剂预膜工艺与模拟研究[D]. 西南石油大学， 2015.

[19] 沈雅欣， 赵会军， 彭浩平， 张伟刚， 程雅雯. 几种不同管道腐蚀形态及其缓蚀剂研究进展[J]. 常州大学学报（自然科学版）， 2016， 28（03）： 60-64.

[20]高雪琦， 张笑笑， 王建军. 缓蚀剂液膜分布规律的数值模拟[J]. 排灌机械工程学报， 2017， 35（01）： 50-55.

[21]汪枫， 罗驰， 阳梓杰， 徐莹莹， 李珊. 清管预膜控制速度研究[J]. 石油与天然气化工，2018，47（02）：85-88.

[22] 安贵林. 输气管道缓蚀剂喷雾装置加注技术研究和应用[A]. 中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会.第九届全国缓蚀剂学术讨论会缓蚀剂专业委员会. 第十一届全国缓蚀剂学术讨论会论文集[C]. 中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会： 中国腐蚀与防护学会缓论文集[C].中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会：中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会，1995：6.

[23]北京华油天然气有限责任公司.输气管道清管器收发装置： CN，200620115844.1[P].2006-05-18.

[24]刘熠， 陈学峰. 西南油气田输气管道内壁腐蚀的控制[J]. 腐蚀与防护， 2007（05）： 256-258.

[25]张智琅.一种用于输气管道的智能式清管器： CN， 201420581837.5 [P]. 2015-03-04.

[26]朱冬银， 黄旭， 夏征， 李安军， 李燕， 王维诚. 管道清管器缓蚀剂预膜技术与应用[J]. 管道技术与设备， 2017（03）： 43-45+49.

[27]李博， 张琳， 赵晓利， 张新宇， 靳元章， 张家珲， 王学文， 杨文涛. 基于GPS和GSM的清管器智能跟踪系统[J]. 管道技术与设备， 2017（03）： 46-49.

[28] 冯丽娟， 李法君， 郑兴荣， 陈迪， 李美荣. 绿色植物缓蚀剂的发展与展望[J]. 北方园艺， 2018（18）： 157-164.