埋地输油管道腐蚀机理及减缓对策

李逢兰

摘  要：油品的长距离输送主要依靠输油管道，在长期的输送作业过程中管道可能会出现腐蚀现象。输油管道腐蚀后容易造成油品泄漏污染土壤环境，甚至可能引发爆炸、火灾等安全事故。因此，必须重视管道防腐工作。本文主要介绍了埋地输油管道的内、外腐蚀形式及机理，并提出相应的管道腐蚀减缓措施，对管道的腐蚀防护具有一定的指导意义。

关键词：输油管道  腐蚀机理  减缓对策  油品泄漏

中图分类号：TE988                           文献标识码：A                文章编号：1674-098X（2020）09（b）-0068-04

Abstract： The long-distance transportation of oil mainly depends on the oil pipeline， which may cause corrosion during the long-term transportation operation. The corrosion of oil pipeline is easy to cause oil leakage， pollute soil environment， and even lead to explosion， fire and other safety accidents. Therefore， it is necessary to pay attention to the pipeline anti-corrosion work. This paper mainly introduces the internal and external corrosion forms and mechanisms of buried oil pipeline， and puts forward corresponding pipeline corrosion mitigation measures， which has certain guiding significance for pipeline corrosion protection.

Key Words： Oil pipeline;Corrosion mechanism; Mitigation measures; Oil leakage

石油作为重要的能源和战略物资，关系着国民经济的正常运行和国家安全。随着社会经济的快速发展，人们对石油的需求量不断增大。与铁路运输、公路运输等陆上运输方相比，管道输油具有运量大、密闭性好、成本低等优点，因而管道成为了石油产品最主要的输送设备。

由于输油管道掩埋在地下，在不同的土壤环境、水环境等因素影响下，输油管道在使用一定时间后会出现不同程度的腐蚀，容易造成油品泄漏，不仅会污染土壤，造成巨大的经济损失，严重时还会发生爆炸，危及人身安全。影响管道腐蚀严重程度的因素有很多，如油品温度、管道压力、介质成分和浓度、管道周围土壤环境等，其中一些因素对金属管道材料或部件的腐蚀起主导作用，对管道的使用寿命影响很大。因此，分析埋地输油管道不同类型的腐蚀机理并提出相应减缓对策是非常有必要的。

1  埋地输油管道腐蚀机理

管道在油品输送过程中，同时也含有多种化学物质，包括二氧化碳、硫化氢、有机酸、细菌、沙子和水，这些成分是管道腐蚀的主要原因之一。输油管道内含有一定浓度的二氧化碳和水时，会形成一种能与钢铁发生反应的酸性氧化物。这种腐蚀类型被称为二氧化碳腐蚀，也是造成输油管道普遍腐蚀的主要原因。二氧化碳腐蚀破坏多为膜破损处的点蚀。二氧化碳与硫化氢共存时会增大其腐蚀速率，并增大金属氢致开裂和硫化物应力开裂的敏感性。石油中的二氧化碳会溶解在水中生成碳酸（H2CO3），这种酸溶解铁生成碳酸铁和氢气，如式（1）所示。

这种反应发生在阴极：

Fe + H2CO3 → FeCO3 + H2（g）                            （1）

尽管碳酸的酸性很弱，但它对碳钢有极强的腐蚀性。上述化学反应形成碳酸铁薄膜。CO2的存在起到催化剂的作用，促进了氢的析出，从而提高了碳钢在水溶液中的腐蚀速率。碳酸（H2CO3）可作为H+的额外来源，或根据式（2）和（3）直接还原：

当Fe2+与FeCO3的沉淀速率相同时，溶解铁的浓度会增加。当腐蚀过程中释放出Fe2+时，根据式（3）形成双倍量的碳酸氢盐：

pH值升高，当碳酸氢盐和碳酸盐浓度变得很高时，则生成FeCO3沉淀，如式（4）所示：

当腐蚀产生的铁离子全部沉淀为碳酸铁（FeCO3）时，pH值保持不變，整个反应变成式（1）中的状态。

为了控制管道的腐蚀速率，应采取钝化处理措施。钝化是使金属表面转化为不易被氧化的状态，从而延缓金属的腐蚀速度的方法。当在金属表面形成保护膜时，它会形成一层涂层，阻止对材料的进一步腐蚀作用。

1.1 管道内部腐蚀

管道内部含水率增加以及细菌活动增加，容易造成管道内部腐蚀，且已成为大多数油气管道中日益严重的问题。内腐蚀是油气工业管道失效的主要原因，其腐蚀形式有冲蚀腐蚀、微生物影响腐蚀、应力腐蚀裂纹等。

1.1.1 冲蚀腐蚀

冲蚀腐蚀机理是通过不断地从管壁去除腐蚀产物的钝化层来提高腐蚀反应速率。钝化层是一层腐蚀产物薄膜，实际上起到稳定腐蚀反应和减缓腐蚀反应的作用。由于管线中油品的湍流和高剪切应力作用，可以移除该钝化层，从而导致腐蚀速率增加。在高湍流度的情况下，通常会发生冲蚀腐蚀。在湍流充分发展的多相流模型中，气泡的形成和溃灭是由于传质系数的变化和管道中CO2腐蚀的最终加剧造成的。

1.1.2 微生物腐蚀

微生物腐蚀是由微生物细胞新陈代谢活动引起的。微生物会产生二氧化碳、硫化氢和有机酸等废物，加剧管道腐蚀。一些细菌如硫酸盐还原菌（SRB）的生长代谢会在管道金属表面形成生物膜，改变生物膜内微环境，其代谢产物与管道金属基体相互作用，进而加速管道的腐蚀过程。细菌也会聚集在管壁上，形成沉积物和沉积腐蚀。微生物引起的腐蚀可通过在管道表面出现的黑色粘液或结瘤以及这些沉积物下的管壁点蚀来识别。

1.1.3 点状腐蚀

点蚀（又称孔蚀、小孔腐蚀等）是在金属上产生小孔的一种极为局部的腐蚀形态，而其他地方几乎不腐蚀或腐蚀轻微。当电化学或化学分解使金属表面的一个小的局部区域暴露在诸如氯离子之类的有害物质中时，就产生了凹坑。与整个金属表面相比，发生点蚀的位置随环境变化而变化。

1.1.4 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是指在腐蚀介质中的金属表面上，在缝隙和其他隐蔽的区域内发生的局部腐蚀。这样的周围环境含有破坏性的腐蚀物质，通常是氯离子。缝隙腐蚀的一个典型例子是在两个与垫圈或另一个金属表面紧密接触的金属表面之间的区域形成的缝隙腐蚀。最终在缝隙中形成的环境与覆盖在坑上的沉淀腐蚀形成的环境相似。与周围介质相比，暴露在氧浓度较低的环境中的非屏蔽表面和缝隙内部之间的耦合形成电化学腐蚀电池。作为腐蚀电池阳极的浓度，存在于酸性、高氯化物环境中，在这种环境中很难再沉积，使缝隙内部受到腐蚀侵蚀。

1.1.5 应力腐蚀裂纹

應力腐蚀裂纹是局部腐蚀的一种形式，通过腐蚀剂和拉伸应力的同时作用，在金属中产生裂纹。它在10-3～10 mm/h的速度范围内扩展，这取决于所涉及的合金和环境的组合。当裂纹扩大到临界尺寸，将会导致从与应力腐蚀相关的相对缓慢的裂纹扩展速率过渡到与机械性能相关的快速裂纹扩展速率。当应力强度（包括裂纹尺寸在内的构件几何结构的函数）达到相关材料的断裂值时，就会发生这种转变。管道应力腐蚀裂纹是一种环境相关裂纹。这是因为裂纹是多种因素结合管道周围环境造成的。管道应力腐蚀开裂最明显的识别特征是周围环境pH值高，在管道外部出现斑块或平行裂纹集。

1.2 管道外部腐蚀

输油管道外部腐蚀通常是指管道与外部土壤、空气、水等介质接触，发生物理、化学或者电化学变化，导致管道外壁产生局部腐蚀。化学腐蚀一般发生在管道壁表面，使得管壁整体变薄，作用过程相对缓慢，对管壁整体破坏力较小。输油管道埋在地下时容易发生电化学腐蚀，电化学腐蚀对管道破坏力较大。金属管道浸泡在土壤电解质溶液中，由于管道不同部位接触的溶液离子种类、浓度、温度等存在差异，在管道表面形成宏观电池或者局部电池，如溶液中氧气在不同地方会存在浓度差，在浓度较小的地方形成阳极，管道表面温度也会存在差异，在温度较高的地方同样也会形成阳极。电化学腐蚀一般不易发现或识别，但其对管道破坏力较大，会导致管道穿孔，甚至发生断裂，使得管道发生严重泄漏。

2  埋地输油管道腐蚀减缓对策

2.1 管道内部腐蚀减缓对策

2.1.1 内涂层保护

在管道内表面增设一层内涂层是防止管道发生内腐蚀的有效手段之一。管道内表面增加内涂层后不仅可以对其起到保护作用，而且可以使管壁粗糙度降低，从而使油品流动的摩擦系数大幅降低，降低油品的输送成本。目前常见的内涂层技术主要有两种，分别是环氧粉末涂敷技术和液体环氧涂料技术。环氧粉末涂料具有优良的防腐性、绝缘性和可靠的、耐久的使用寿命，是钢质管道内涂层的优选材料。其应用温度为-30～100℃，适用于各种油品，在国内外得到了普遍的应用，取得了理想的效果。在钢管内壁涂敷液体环氧涂料可使钢管内壁与原油、污水隔离起来而免受腐蚀，同时又能提高内壁的光滑程度，起到减阻作用。

2.1.2 缓蚀剂

在油品中加入一定量的缓蚀剂可以在管道内表面形成一层保护膜，从而减缓输油管道内表面的腐蚀速率。缓蚀剂有以下优点：（1）使用量较少，较为经济，且对环境无污染;（2）操作较为简单，不需要对管道增设额外的设备;（3）同一种缓蚀剂可以在不同的油品环境中得到应用。因此向油品中加入缓蚀剂成为了主要的管道内部防腐措施。目前，国内外使用的缓蚀剂主要成分为有机物，常见的缓蚀剂有咪唑啉、有机胺以及炔醇类等[1]。

2.2 管道外部腐蚀减缓对策

2.2.1 外防腐涂层

在输油管道外表面增加外涂层是防止管道外壁腐蚀最有效的手段之一。管道外壁增加外涂层后，管道将与周围的环境相隔离，此时的管道基体将无法和土壤及空气产生直接接触。采用不同的外涂层技术，所产生的保护作用也将不同。外涂层材料的选择必须具有以下特点：（1）力学性能强，可以抵消管道在土壤中的偏移，且在环境出现热胀冷缩时，外涂层不易脱落;（2）外涂层材料具有较强的耐腐蚀性，可以抵抗微生物、酸碱物质以及大气的腐蚀。常见的防腐涂层技术有环氧涂层、聚乙烯等技术[2]。环氧涂层作为一种热固性材料，由固化剂与环氧树脂组成，其具有表面光滑、粘结力强以及涂层致密等优点，能够较好的应对碱、盐物质的腐蚀。三层结构聚乙烯防腐层也称三层PE或3PE，其底层为环氧粉末涂料，中间层为共聚物胶粘剂，面层为聚乙烯。三层PE具有双层熔结环氧涂层的粘结性以及防腐蚀性能，且具备聚烯烃材料的较好机械性能以及高抗渗性，各方面性能较为稳定，且产品使用不存在污染，近年来深受我国管线防腐蚀工作者的青睐。

2.2.2 阴极保护

阴极保护技术主要分为两种，一种是外加电流的阴极保护法，另一种是牺牲阳极的阴极保护法，其保护原理示意图如图1所示[3]。外加电流的阴极保护法即在管道中通入电流，使得被保护金属的电位低于周围环境，从而防止管道被腐蚀。该方法对保护管道的长度无限制，适用于长距离输送管道的保护;牺牲阳极的阴极保护法是将具有较强还原性能的金属材料与管道进行连接，使之形成回路，并用来替代金属管道被腐蚀。这种方法的优点在于无需外加电流作用，对外界干扰少、操作较为简单，适合于城市范围内埋地管道的防腐。

3  结语

随着人们对石油需求量的日益增长，输油管道防腐工作显得尤其重要。本文对埋地输油管道的腐蚀机理及相应的减缓措施进行了探讨，通过采取防腐涂层、阴极保护等方式减缓管道腐蚀，确保输油管道平稳运行。

参考文献

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[2] 任雲.油田油气长输管道腐蚀现状分析及对策研究[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（6）：30-31.

[3] 李雪，朱庆杰，周宁，等.油气管道腐蚀与防护研究进展[J].表面技术，2017，46（12）：206-217.

[4] 戴巧红，舒丽娜，潘霞青，等.油气长输管道腐蚀与防护研究进展[J].金属热处理，2019，44（12）：198-204.

[5] 李勇，曹哲.油气管道腐蚀及防护技术研究进展[J].化工管理，2019（19）：150-151.

[6] 郭立勇.油气管道腐蚀及防护技术研究进展[J].全面腐蚀控制，2019，33（3）：87-89.

[7] 李亚芹.埋地管道腐蚀机理及应对措施[J].环球市场，2016（29）：67-68.