天然气输送用热弯管化学反应与腐蚀机理分析及保护

2023-11-29陈永清

粘接 2023年11期

摘要：作为运输天然气的主要设备，天然气输送管道多采用的是金属材质，其中热弯钢管主要适用于管线路径改变角度大于16°的情况，由于热弯钢管制作工艺的特殊性，其壁厚存在不均匀，经过弯制导致材料特性发生了一定的变化，与其他介质接触容易发生腐蚀，导致天然气管道故障，影响天然气输送安全性。介绍了天然气输送管道热弯钢管的腐蚀类型与机理，分析了发生腐蚀缺陷的影响因素，并提出了调整与防护措施，为天然气输送管道的维护提供参考。

关键词：天然气输送管道；热弯钢管腐蚀缺陷；防腐涂层；阴极保护

中图分类号：TQ346+.6;TE988.2 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0133-04

Chemical reaction and corrosion mechanismAnalysis and protection of hot bent pipe for natural gas transmission

CHEN Yongqing

（Jiangxi Provincial Natural Gas Group Co.，Ltd.，Pipeline Branch，Nanchang 330000，China

）

Abstract：As the main equipment for transporting natural gas，natural gas transmission pipelines are mostly made of metal.Among them，the hot bent steel pipe is mainly suitable for the pipelinethat the path change angle is greater than 16° degrees.Due to the particularity of the hot bent steel pipe production process，its wall thickness is not uniform，resulting in certain changes in material characteristics after bending，and it is prone to corrosionafter contacting with other media，leading to natural gas pipeline failure and unsafety of natural gas transmission.This paper introduced the type and mechanism of hot bent steel pipe corrosion in natural gas transmission pipeline，analyzed the impact factors of corrosion defects，and proposed the adjustment and protection measures，providing references for the maintenance of natural gas transmission pipeline.

Key words：natural gas transmission pipeline;corrosion defect of hot-bent steel pipe;anti-corrosion coating;cathodic protection

近年來，天然气长输管道飞速发展，采用管道的形式，整体化施工，将钢管管道埋于地下，能够自动输送天然气，但因管道泄漏所致的安全事故也屡次发生，受到了社会各界高度重视［1］。输送管道热弯钢管腐蚀是事故发生的重要因素，掌握热弯钢管腐蚀机理及危险因素，及时评估并发现腐蚀缺陷，积极采取措施予以调整与防护是保障天然气管道输送安全的有效路径。

1 天然气输送管道热弯钢管腐蚀类型及机理

1.1 天然气输送管道热弯钢管腐蚀类型

热弯钢管是天然气输送管道最易发生腐蚀的部位，这与热弯钢管的制作工艺有关，当管线路径改变角度在16°以上，需要采用热弯钢管，钢管经过950 ℃高频加热装置加热处理，局部温度会明显升高，材料强度降低，能够自由变形满足管线路径角度变化需求［2-3］，其工艺如图1所示。

当热弯钢管与空气中氧气接触后，会引起化学反应，导致腐蚀缺陷。常见腐蚀类型如下：

（1）均匀腐蚀。该类型腐蚀主要是天然气水蒸气所致，当温度压力下降后，管壁上的水汽会发生凝结，形成水膜附着在管壁，导致H2S溶解，产生腐蚀性气体，引起热弯钢管的腐蚀;

（2）应力腐蚀。天然气中含有硫化氢物质，与水结合后会产生水解反应，其产物HS会被金属表面吸附，导致氢气释放速度加快，增加金属脆性，降低金属材料的韧性，到达一定程度会出现滞后断裂［4］;

（3）冲刷腐蚀。天然气输送管道在气体输入过程中，介质速度达到一定条件后，管壁会受到明显的冲击，会影响管道强度，甚至冲刷掉管壁上腐蚀掉的物质，并暴露出新的金属，进一步腐蚀，由此形成了恶性循环［5］;

（4）坑蚀。坑蚀在表面含钝化膜的金属上较为常见，若钢管材料存在杂质、缺陷，缺陷位置会吸附气体介质的活性阴离子，破坏钢管表面钝化膜，长此以往会导致金属表面被腐蚀，出现大小不一的小孔。

1.2 天然气输送管道热弯钢管腐蚀机理

热弯钢管在弯制处理过程中材料性质发生了一定的变化，壁厚不均匀，当与周围介质发生化学或电化学反应后，会破坏材料，当土壤、空气或腐蚀性介质接触金属管道，会产生一系列化学反应，整个腐蚀过程不会产生电能，金属表现均匀流失，热弯钢管管壁更加薄。电流流动造成的腐蚀即电化学腐蚀，需要阴极、阳极以及电解质溶液3个条件，在电解质溶液中金属的电子丧失，并被溶解，形成阳极［6-8］，电极电位高的部分获得电子即阴极，电化学腐蚀造成后果严重，会引起管道穿孔、破裂，外腐蚀缺陷如图2所示。另外细菌生理代谢产生的排泄物与金属接触，会形成生物化学腐蚀。

2 天然气输送管道热弯钢管腐蚀缺陷原因

热弯钢管腐蚀是多种因素共同作用的结果。首先，从外部因素看，空气、土壤、水源等环境均会导致钢管腐蚀。热弯钢管接触空气后会产生一系列化学反应，钢管被氧化后，受到腐蚀会变薄，缩短管道的使用年限［9］。部分酸性或碱性较强的土壤接触管道，产生的化学反应也会腐蚀管道。由于天然气管道所處环境复杂，需要穿过河流、小溪等，引起腐蚀。其次为内在因素，若管道工程资金有限，会导致设计与安装出现偷工减料的情况，导致腐蚀的发生［10］。生产及运行因素，在天然气管道生产及运行环节若出现问题，也会埋下安全隐患，导致管道被腐蚀，因此应做好管道日常监测工作，提升防腐工作力度，分析监测数据，及早发现及早处理［11-12］。

3 天然气输送管道热弯钢管腐蚀缺陷的调整策略

3.1 应用防腐涂层

热弯钢管在长时间运行中，管道、钢结构会出现局部腐蚀，部分可见粉化、老化及起泡等，可以在上述区域统一涂层，予以涂层修补处理。首先需要采用溶剂对管道表面污染物进行清洗，若管道出入地部分有矿脂带，则需要将其拆除，保持与地5 cm距离，清除污染物及缺陷表面，包括焊剂、裂片及氧化皮等，然后去除旧油漆，需要注意的是若表面相对湿度大于85%或表面温度较露点温度超出小于3 ℃，应暂停表面处理［13-14］。对表面进行检测确保符合处理标准后，可进行涂装施工，涂装前先将灰尘、油脂等污染物去除，预涂焊接处、角落位置及边缘等，涂料应合理配比，优先选择整罐基料与固化剂配置，结合现场施工实际情况加入适量稀释剂［15］。采用喷涂的方式完成施工，表面处理方法如表1所示。应遵照涂料施工相关规定，掌握好复涂间隔的时间，考虑环境与温度条件。

3.2 阴极保护法

阴极保护是天然气输送管道热弯钢管腐蚀防护的常见策略，包括外加电流阴极法与牺牲阳极法，前者是连接电流负极与管道、正级连接管道辅助阳极，其能够将电流自管道引入地下，破坏离子氧化反应，钢管表面仅存在还原反应，可对管道起到保护作用［16-17］。后者则是连接管道与其他金属，产生原电池，新的金属连接直流电金属，能够对腐蚀产生削弱效应。阴极保护法适用于电化学腐蚀，这是因为金属接触电解质溶液，会在各个部分形成电位差，引起电化学腐蚀，因此可采用阴极保护法，其原理如图3所示。阳极与阴极初始电位用Ea、Ec表示，当发生金属腐蚀后，受极化作用的影响，初始电位与S对应腐蚀电位Ecorr接近，此时腐蚀电流为Icorr，阳极区会出现溶解，发生腐蚀破坏［18］。

3.2.1 牺牲阳极保护法

牺牲阳极保护法常用材料包括锌阳极、镁阳极等，锌阳极适用于土壤电阻率小于20 Ω·m的情况，对于高土壤电阻率部位，可采用镁阳极。土壤含盐量为3.3%～4%，镁阳极输出电流高，会出现严重自腐蚀；铝阳极腐蚀产生的物质僵硬，不适用于土壤环境，因此其常常被用于海水或电阻率在5 Ω·m以下的土壤。锌阳极适用于温度较高的工作环境，当温度升高后，晶间腐蚀速率也会加快［19］。锌阳极温度在60 ℃以上时，会产生极性逆转，电位变正，此时阳极铁电位保持不变，阴极为锌阳极，且受到保护，阳极为铁，会导致腐蚀的加速。镁阳极与铝阳极在高温度下均可应用，但也会降低电流效率［20］。常见阳极性能如表2所示。

3.2.2 外加电流阴极保护法

外加电流法下，外接直流电源会使得保护管道接电源成为负极，正极为辅助电极，经涂层空隙阴极保护电流进入管道，常将石墨、高硅铸铁作为辅助阳极。恒电位仪是外加电流阴极保护的核心设备，其先对参比信号进行阻抗变换，结合控制电位经过比较放大，会输出信号，该信号与误差呈现出明显的正相关。在移相触发器加载信号，会结合电信号大小对脉冲时间进行自动化调整，使得极化回路可控硅导通时间发生变化，进而对输出电流、电压进行改变，达到给定恒定电位。应将电位误差控制在±10 MV，给定电位从0～3.0 V不等，且能够连续可调；电源效率应控制在82%～92%，过热保护阈值控制为80～85 ℃。

3.3 应用缓蚀剂

缓蚀剂防护具有投资少、操作简单、应用方便等优势，腐蚀材料的腐蚀分子覆盖在受保护层上会形成吸附材料，对金属物理状态产生影响，取消电化学反应，此时金属表面能量能够达到一种平衡，使得腐蚀速度变得缓慢。另外，受保护金属材料吸附的保护膜具有疏水性，在金属表面运动，无法形成电子流运动，不会发生电化学反应，削弱了腐蚀作用。缓蚀剂在每个井一级节流后管段，采用固定式缓蚀剂进行连续加注处理，配合雾化工艺能够满足腐蚀控制要求。在管道中线位置安装中空雾化喷头，可达到较好的雾化效果。为了达到防腐目的，可采用缓蚀剂批处理的方法，这样管道内部会被油溶性缓释剂膜覆盖，需要注意的是管道在投入运行前，需要先对管壁、管道内低洼积水彻底清除［21］。

按照1∶1的比例对批处理缓蚀剂、柴油混合，其会对金属产生吸引力，清管操作过程中会在金属表面沉积，要保障清管器之间缓蚀剂充足，达到全周覆盖。若管道未应用清管设备，可以借助高容量泵将1∶1混合剂泵入管道，对模拟环绕面进行优化，重复操作2次，以达到满意的效果，其机理如图4所示。

由图4可知，经过批处理，热弯钢管管道内壁会形成缓蚀剂涂层，具有较好的粘性，会吸附在内壁，避免含硫天然气与管道内壁的直接接触，降低了酸性介质对管道腐蚀风险。

4 结语

综上所述，天然气输送管道热弯钢管腐蚀是事故发生的重要因素，掌握热弯钢管腐蚀机理及危险因素，及时评估并发现腐蚀缺陷，识别热弯钢管腐蚀缺陷，通过阴极保护、应用防腐涂层、缓蚀剂等进行调整，提升防腐技术水平，提升天然气运输安全性。天然气输送管道防腐保护与人们生活及天然气安全、高质量运输息息相关，应提升思想认识及防护认识，积极采取措施予以调整与防护是保障天然气管道输送安全的有效路径。

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