石油化工管道防腐蚀技术的应用和改进研究

易顶珍

（中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 210033）

当前，管道运输是石油资源最广泛的运输方式，石油运输管道通常由钢质构成，由于是钢铁质材料，所以在石油运输过程中会出现一系列的问题，特别是在运输中要采取适当的防腐措施，以保证在运输期间的安全、稳定，防止因管道的腐蚀而造成原油泄漏。针对石油化工管道管线的常见腐蚀问题，提出了采用相应的防腐蚀技术措施，保证管线在今后的使用中不会因为各种因素而产生腐蚀问题，从而导致严重的安全隐患。

1 石油化工管道防腐的必要性

目前，石油资源最多的运输方式是管道运输，因为管线一般都是用钢质材料制成，所以很容易在周围的各种因素下发生腐蚀。由于石油管线管道的腐蚀，不仅会影响原油的运输，而且会导致原油质量下降、输送效率降低、运输途中泄漏等问题，还会对周围的生态环境产生很大的影响。因此，在提高石油管线抗腐蚀能力的前提下，对其进行防腐处理是十分必要的。

2 在我国管道防腐技术的发展情况

2.1 在我国管道防腐层的发展情况

目前，通常采用阴极防护和涂层防腐措施，以延长管线的使用寿命和减少腐蚀。对石油管线来说，防腐涂层在某种程度上影响着钢管的使用寿命。国内的钢管防腐也是从沥青开始的，20 世纪70 ～80 年代，新的防腐技术被采用，环氧粉末、胶带、外套等都被广泛地应用，90 年代，三层PE 和环氧粉末涂层被广泛地应用，而现在，最昂贵的两层环氧涂层已经越来越少了。随着社会和经济的发展，金属防腐技术也越来越成熟，在石油化工管线中，环氧粉末、煤焦油涂料、三层聚乙烯等都被应用到了石油管道中，而且在油田的管道中，通常采用三层聚乙烯和环氧粉末作为防腐材料，而在非关键的管道中，则采用了沥青作为防腐材料。

2.2 现在防腐技术存在的一些不足

目前，三层聚乙烯和熔接环氧粉末的使用范围很广，而且防腐效果也很好，不过，这两种管道材料都有一定的腐蚀问题，比如，熔接环氧粉末的机械强度很低，耐冲击力也很弱，如果遇到了火山喷发、地震，管道就会断裂，在焊接的地方容易出现各种各样的问题，这会导致防腐效果比较差。

3 石油管道发生腐蚀的原因

由于管线长时间处于地下潮湿的环境中，受水文、土壤、岩石和其他微生物的影响，管线的特性很可能会发生变化。根据石油管道文献和现场调查，发现石油管线的腐蚀与外界环境和石油自身特性密切相关。在石油运输管道系统中，由于管道体系中的金属和非金属物质之间存在着电化学和微生物的腐蚀，从而导致管道结构和物质的损坏。除受到特殊环境的影响外，腐蚀产品对管线的损害也是一种原因。通常情况下，腐蚀的区域并不是固定的，而是随着时间的推移，腐蚀的面积会越来越大，这与腐蚀介质的腐蚀能力有关，同时温度、介质的浓度、应力状态也会对管线的腐蚀产生一定的影响。土壤中存在大量的微生物、细菌和真菌，由于土壤的封闭，空气中缺乏氧气，所以细菌很容易被分解成硫酸氢，然后与管子产生化学反应，导致管子受到严重的腐蚀。大部分的管道都埋在了地下，这是最常见的情况。由于土壤中含有多种介质，如水、空气、微生物等，由于各区域的含水量不同，其酸碱度也各不相同，使得其内部环境十分复杂。如盐分差异导致的电池腐蚀，是由于土壤中的盐分含量和浓度不均匀，从而形成不同的盐分差异电池，导致了管线的腐蚀，高盐度，腐蚀加剧，甚至出现管道穿孔。再比如，硫酸溶液中的硫化氢，会和金属产生电化学反应，导致金属晶体被酸性物质破坏，从而导致管子内部的腐蚀。

4 石油管道腐蚀的因素分析

（1）由于外部干扰，管线在地面上铺设时，会受到一定的干扰，这是造成管线腐蚀的重要原因。再比如，在生产过程中，有无组织的电流，有空气和水分，有毛细管的多孔，有不锈钢材料，不均匀的化学成分，会造成主要材料的腐蚀。在不完整的土壤中，有很大的概率会侵蚀钢管，而在没有保护措施的情况下，会有大量的电流被破坏，其中最严重的就是直流杂散电流。（2）微生物的侵蚀，硫酸菌的活性是在土壤中的硫酸盐处于低氧状态时，通过有机物质和微生物的膜中的氢气，将其还原为硫化物，在此过程中，硫化物可以产生强大的腐蚀力，并导致腐蚀，在这个反应的过程获得生存的力量，它的产物会使得腐蚀不断进行。（3）由于管材的特殊材料、加工方法等原因，可能造成管线的腐蚀。石油管道是一种由金属和非金属混合而成的复合材料，一旦发生了腐蚀，就会产生一些裂纹。石油管道制造过程中，一旦发现明显的缺陷，将会在使用过程中产生显著的腐蚀。（4）管道的防腐技术本身就有阴极保护和临时保护之分，在管道铺设后，由于管线的防护作用，会让钢管本身产生一层保护膜，这层保护膜的作用就是防止腐蚀，但如果发生这种情况，涂层与管道之间的黏结性就会产生“死区”，这种死区导致了管道内部的阴极脱落，从而产生腐蚀，使得管道形成腐蚀的问题。（5）石油管道内的压力因应力的影响而产生波动，从而在工作时因压力增大而产生应力腐蚀。指金属构件、金属材料在一定的温度和浓度下会受到一定的腐蚀，包括腐蚀介质、腐蚀产物，在一定的范围内，会产生一定的拉伸应力，并形成一定的合金组成和结构，从而形成一定的应力腐蚀断裂，形成一定的应力腐蚀裂纹，使得管道形成腐蚀的问题。

5 石油化工管道工艺腐蚀的机理

在地下热空气中，金属原子与非电解液中的氧化剂发生纯粹的化学反应，从而使金属表面和非电解质产生损伤。按其腐蚀机制可分为化学、电化学和物理三种。金属在高温下被氧化生成的腐蚀产物，具有直接的氧化还原作用，并在金属表面产生化学侵蚀。在这个化学反应中不会产生电流。电化学腐蚀是最常见的，它的特征是，它含有至少一种阳极反应和一种阴极反应，比如，当一种金属与一种电解质溶液混合在一起时，会产生一种“割裂”的效果，当一种低熔点的金属与一种低熔点的金属混合在一起时，就会出现这种情况，这是一种从阳极区到阴极区的过程。电化学侵蚀是由简单的物理溶解所造成的金属表面损伤。由于低熔点的金属通常具有很低的强度，所以在腐蚀时会与离子传导介质产生电化学反应。

（1）物理腐蚀是目前工程中比较少见的一种方法。按腐蚀形式分类：是指因金属本身的特性，这种腐蚀会成为金属材料产生裂缝的原因，在受到压力时，会首先发生断裂。可以划分为均匀腐蚀和局部腐蚀等几种类型。均匀腐蚀是最不危险的，局部腐蚀，可以很好的防御，一般都会有足够的耐蚀性，大部分的物理腐蚀都是以腐蚀均匀为特征的，其机械强度和使用寿命都很重要，但也要注意其危害。局部腐蚀是一种很难预知和防范的方法，它的危害远远大于均匀腐蚀，当腐蚀发生时，会引起金属部件的突然损坏，导致严重的火灾和人员伤亡。也称不均匀腐蚀，是指在某些金属材料的特殊部位发生腐蚀。其特性虽然不如均匀腐蚀，但由于其无前兆，很容易被发现，从而导致大量的金属流失。如果金属表面有钝化膜或保护层，则由于钝化膜的表面有缺陷，导致钝化膜厚度不均匀，电势负值的金属比机械裂纹、擦伤、夹杂物等单独出现的腐蚀速率要快，而电势较正的金属则会比单独存在的速度慢，甚至暴露在外的情况下，由于电极内部的腐蚀介质很难移动，从而导致电偶腐蚀。（2）晶间侵蚀是一种特殊的金属材料在一种特殊的腐蚀介质中，具有不同电极电势的两种金属或合金，沿材料的晶界发生的晶间侵蚀。（3）缝隙腐蚀是在槽缝中进行的，在电解液环境下，通常为0.025 ～0.1mm 的间隙腐蚀。

6 石油管道防腐蚀技术的应用和改进

6.1 对石油管道的材料进行研究改进

由于表面钝化可以作为一种良好的增强材料耐腐蚀性的方法，可以在一定程度上有效地抑制合金在原油中的腐蚀，通过形成具有优异化学性质和热稳定性的保护性氧化膜，来使合金材料具有良好的抗氧化性。表面钝化可以抑制原油中的金属腐蚀，希望探索添加浓度超过一定量的元素来促进氧化皮的形成保护层，从而抑制原油的腐蚀性。因此，我们完全可以设计一种合金，与原有钢质材料相比，可以设计一种合金，在原有的铁基基础上利用金属合金化原理通添加Mg 或Ca 元素来使合金发生表面钝化促进表面氧化皮的形成，可以通过不同的比例进行实验，综合选取最佳的比例得到一种耐腐蚀性更强的石油管道运输用材料。希望可以通过以上的各类改进设计出一种高效的耐腐蚀性石油管道运输用材料来促进我国石油化工行业的进一步发展。

6.2 提前做好内腐蚀评估

石油集输管线的腐蚀主要有内外腐蚀两种，内部腐蚀是最难被发现的，所以要想有效地控制腐蚀的程度，就要有针对性的处理。所以，必须按照有关的规范和操作规程来评价管道的内部腐蚀情况。在具体的腐蚀检验中，必须确定缺陷深度、长度等参数，利用超声波智能清管仪对管线进行内部腐蚀检查，得到缺陷的模板，采用分项安全因素法评价管线的抗腐蚀安全工作压力，在评价容许压力超过最大容许工作压力时，对管线进行常规的防腐和保温措施处理。

6.3 涂层防护

防腐蚀涂料是一项重要的防腐蚀技术，由于其技术上的优越性，在原油的输送和储存中得到了广泛的应用。涂料防护是指利用有关物质，在一定程度上将石油管线与环境中的腐蚀因子隔离开，形成对油气管线和油罐的最基本的保护措施。尽管涂料的防腐蚀作用显著，但在实际的涂装、运输和保存中，涂料自身很可能会受到影响，从而导致其保护性能的下降，所以我们必须针对实际的应用环境和防腐蚀要求，对其进行适当的调整和优化。合理地选用二层聚乙烯/聚丙烯、三层聚乙烯/聚丙烯，可使涂料的使用性能得到更好的稳定，并能满足日常运输和储存的需要。在实践中，三层涂料是一种比较常用的保护方法，它是将环氧粉末底层、黏结剂中间层和聚乙烯外护层结合起来，可以极大地提高涂料的抗腐蚀性，降低原油管线和储罐的腐蚀风险。

外涂防腐涂料在国内已广泛采用；这是因为它价格便宜的优点，而且防腐蚀性能比较好。将涂层分为三大类：无机非金属涂层、环氧涂层、改性涂层。环氧涂层是一种新型的防腐涂层，它具有良好的防腐性能，并可用于多种石油管线。利用纳米技术对有机、无机涂料进行改良，具有很好的防水防腐性能。比如涂上防锈漆，通常有两种，一种是底漆，一种是面漆。在涂漆时要遵循一定的工艺。上部管道的外部防腐技术，以防止环境、地质等因素影响、变化为主。在石油管道的外层加一层保护层，可以石油管道的外部腐蚀，但不会影响内部。所以，对石油管道内部防腐技术的研究也是十分必要的。

6.4 电化学保护法

电化学保护是通过电化学反应的原理，将石油管道用作电池的负极，从而达到保护管道安全的目的。电化学保护有两大类：一种是加载电流保护，另一种是牺牲阳极的保护法。阴极保护法就是通过直流供电，将负极连接到石油管道上，让石油管道变成负极，从而达到防腐蚀的目的。而牺牲阳极的阴极保护，则是使用活性较强的金属，将其与石油管道相连，再以活性较强的金属为阳极，在进行电化学反应时，会将活性较强的金属阳极腐蚀，从而达到保护金属的目的。阴极保护的具体方法有两种：一是强制电流保护；二是牺牲阳极法。强迫电流法的基本原理是利用外界的电力，改变周围的环境，使其在环境中的电势始终比环境电势低，这样就可以把管道变为一个整体的阴极，这样就不会因失去电子而产生电化学腐蚀。牺牲阳极法也就是用牺牲阳极来保护阴极，这种方法是用一种很强的还原金属作为保护电极，然后连接到被保护的金属上，形成一个完整的电池。在这种情况下，会发生氧化还原反应，而具有较高还原能力的金属作为阳极在反应过程中会被耗尽，从而可以起到保护作用，这就是牺牲阳极保护阴极的基本原则。

从20 世纪30 年代起，石油管线和油罐采用了阴极保护技术，并在50 年代得到了越来越多的发展，成为一种比较成熟的防腐蚀技术。阴极保护是一种辅助措施，它可以改善石油管道涂层，以弥补石油管道涂层的不足，提高其防腐蚀性能，从而确保石油管道管线和油罐的预防腐蚀。目前，阴极保护已有相关的行业标准，包括设计规范、施工验收规范、运行维护规范和材料标准等，该方法施工简便，安装工作量少，不会对相邻的地下金属结构造成干扰，而且还能防止杂散电流的干扰，便于维护。

6.5 活性金属减缓腐蚀

在石油管线的腐蚀中，化学腐蚀占了很大的比重，分析化学腐蚀的原因，就是石油管线管件的金属在化学反应中是正的、是活性的，所以没有电子电离生成阳离子，而阴离子产生的部位则是阴极，这就是所谓的“电池”，使管线的腐蚀速率加快。所以，只要在石油管线里适当地添加一些比石油管线管道里的金属更活泼的金属，那么石油管道就会先被氧化，生成阳离子，从而防止石油管道内的金属被氧化，从而起到保护作用。缓蚀剂的防腐技术，是一种可以在一定程度上保护管线的材料。从目前的研究进展来看，缓蚀剂的制造工艺简单、成本低廉、应用范围广，但是它自身也有一个很大的问题，那就是它的制造工艺比较复杂，而且很难进行自身的保养。因为石油管线自身的材料比较多，所以在加入缓蚀剂前，要对管线材料进行详细的研究，以保证缓蚀剂与管线的匹配，从而保证管线的安全。原油缓蚀体系主要存在的问题就是原油腐蚀性都比较强，可以采用降低原油腐蚀性的策略对缓蚀体系进行改进设计。首先，可以从缓蚀剂的浓度下手；一般情况下，浓度都直接或间接地影响着缓蚀剂的腐蚀性，因此，可以通过调节缓蚀剂的浓度进行腐蚀性研究，来确定缓蚀剂最佳的浓度来设计使原油腐蚀性降到最低，以有效控制腐蚀性。

6.6 复合材料管道技术

复合材料管道技术是在传统防腐技术的基础上发展的一种新型的石油管道防腐技术，这种管道防腐技术的防腐效果比较显著。复合管材料从内到外主要分成三层，陶瓷、过渡层、钢材，并且具有耐高温、高强度、高韧性等特点。当前，我国著名的大庆油田正在积极利用此种技术手段进行管道防腐，取得了较好的效果。

7 结语

总之，原油是一种很重要的能源，而且它的运输也很重要。在原油管线的使用中，为避免原油管线发生腐蚀，造成原油泄漏，应引起人们的高度重视，并根据实际情况采取适当的防腐蚀技术，以确保原油输送的安全。因此，在原油生产、运输和储存过程中，必须加强对石油储罐和管线的防腐蚀工作，目前石油管线的防腐技术已经有了长足的发展，虽然目前在防腐上还有一些问题，但随着管理和技术的不断完善，肯定会有所改进，为国家的能源安全提供保证。