天然气管道腐蚀的形成与防腐保护措施

温少飞，谢晓东，张杨

（1.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司,天津 300457；2.华油钢管有限公司，河北 沧州 062650）

天然气作为清洁能源的重要组成部分，其在能源供应中的地位日益突出。对于天然气管道而言，其承担着将天然气从产地运输到消费地的关键任务。然而，由于管道的特殊性，容易受到腐蚀的影响，从而对管道的安全运行产生不利影响。为了防止天然气管道腐蚀，选择抗腐蚀性能良好的材料，对管道进行防腐涂层处理，有效隔离管道与环境接触，减少腐蚀的可能。控制天然气中的水分含量，防止水蒸气的凝结和液态水的腐蚀作用。施加外电源使管道表面产生负电极，在阳极处形成阴极保护层，减少电化学腐蚀。另外，定期对管道进行检查，及时修补和更换受损的部分，保证管道的完整性和可靠性。

1 天然气管道防腐工作的重要意义

腐蚀是天然气管道长期运行过程中面临的主要威胁之一，由于地下环境复杂，天然气管道易受腐蚀，导致管道壁厚减薄、裂纹、泄漏甚至失效，给管道的安全稳定运行带来威胁。天然气是一种可燃气体，管道泄漏会影响天然气的供应和流量，造成运行中断和供气不稳定的问题，造成环境污染和温室气体排放，对大气和自然生态产生不良影响。严重时可能引发天然气泄漏和释放，对人员和财产造成巨大的损害。天然气管道是一项长期投资，腐蚀引起的管道损坏和泄漏造成能源资源的浪费，同时，还需要投入大量资金进行维修和替换。防腐工作保持管道的良好状态，确保天然气的连续供应和稳定运行，能有效延长管道的使用寿命，减少因腐蚀而导致的管道维修、更换和重建的成本，提高管道的安全性和可靠性。另外，通过有效的管道防腐工作，减少泄漏的发生，保护环境和生态系统。

2 天然气管道腐蚀主要原因

2.1 土壤腐蚀

土壤中存在一些对金属材料产生腐蚀的物质，比如，含有酸性物质、盐分或者其他化学物质的土壤，与管道表面的金属发生化学反应，导致管道的腐蚀。土壤腐蚀与土壤的类型和成分有关。酸性土壤、含有硫化物或氯化物的土壤等，加速腐蚀过程，对管道造成损害。此外，湿润的土壤会导致氧气和水分接触到管道表面，形成一个湿度环境，从而加速腐蚀过程。尤其是在高湿度和高温条件下，腐蚀速度更快。当土壤中的水与管道表面接触时，溶解在水中的无机盐会形成腐蚀面，并加速管道的腐蚀。这些无机盐包括氯化物、硫酸盐、碳酸盐等，具有腐蚀性。此外，一些腐蚀性微生物在土壤中大量繁殖，形成生物膜或者生物酸，进一步加剧天然气管道的腐蚀作用，比如，硫酸盐还原菌、铁化細菌等。

2.2 微生物腐蚀

微生物腐蚀是一种由于微生物的活动而导致的管道腐蚀现象。微生物腐蚀主要分为两种类型：生物腐蚀和微生物产酸腐蚀。生物腐蚀是由微生物附着在管道表面并形成生物膜，通过代谢产生的酶和酸性代谢物导致管道腐蚀。这些微生物可以从水、土壤或空气中进入管道系统，附着在管道表面并形成黏附层。生物膜会阻碍防腐涂层与金属之间的接触，从而降低管道的防护能力。而且，微生物在代谢过程中产生的酸性代谢物会降低管道的pH 值，破坏管道的保护膜，进一步导致腐蚀。微生物腐蚀不仅会导致管道金属的损失，还会引起管道的泄漏和断裂，给管道运行带来严重的安全隐患。

2.3 大气腐蚀

大气腐蚀是指管道暴露在大气环境中，由于氧气、水蒸气、硫化物、氯化物等物质的作用，导致管道表面发生腐蚀的过程。大气腐蚀主要分为湿式腐蚀和干式腐蚀两种类型。湿式腐蚀是指在湿润环境中，管道表面的水分和气体中的氧气、酸性物质等相互作用，形成电化学反应，导致金属表面的氧化和腐蚀。湿式腐蚀通常发生在高湿度、多雨的气候条件下，如沿海地区或高湿度地区。干式腐蚀是指在干燥环境中，管道表面的水分蒸发，形成盐类、灰尘等物质，这些物质可以吸附在管道表面形成腐蚀性层，并与氧气和其他气体反应，引发腐蚀。大气腐蚀会导致管道表面产生锈蚀、腐蚀沟槽和金属失效，降低管道的强度和耐久性，甚至可能引发管道泄漏和断裂等严重事故。

2.4 海水腐蚀

海水中含有多种腐蚀性物质，包括氯离子、硫酸盐、碱金属离子等，这些物质会与金属表面发生化学反应，引起腐蚀。海水腐蚀的速度取决于多个因素，包括海水温度、氧含量、盐浓度、金属材料的组成和涂层的质量等。一般来说，高温、高盐浓度和低氧含量的海水会加速腐蚀过程。海洋环境中的海水具有较强的冲击力，这会导致管道和设备的腐蚀和损坏。海洋微生物也是一个重要的因素，附着在管道表面形成生物膜，并产生酸性物质和腐蚀性代谢产物，加速管道的腐蚀过程。这种腐蚀现象被称为微生物腐蚀（MIC），在海洋环境中尤为常见。

2.5 管道内部腐蚀

管道内部腐蚀对管道的安全性和可靠性产生了重大影响，导致管道壁厚度减少、管道强度下降，甚至引发管道泄漏或破裂等严重后果。管道内部腐蚀的类型主要有以下几种：（1）统一腐蚀。在管道内壁均匀发生腐蚀，导致管道壁厚度逐渐减少。（2）点蚀腐蚀。在管道内壁的局部发生腐蚀，形成小孔或凹坑。（3）返蚀腐蚀。由于金属表面的氧化被还原物质迅速还原，导致局部腐蚀加剧，形成管道内壁的凹陷或穿孔。管道内部腐蚀主要受到以下因素的影响：天然气中可能含有酸性成分，如硫化氢、二氧化碳等。这些酸性物质与管道内壁形成化学反应，引起腐蚀。天然气输送过程中长时间处于高压高温状态，使管道内壁涂层的消耗加剧，增加了腐蚀的风险。天然气输送过程中可能存在水、液态碳水化合物等自由液体，不同物质的共存会引发化学反应，加剧管道内部的腐蚀。

3 天然气管道防腐措施

3.1 初期建设防腐措施

选择抗腐蚀性能良好的材料，如具有良好耐腐蚀性能的钢材、特殊合金材料或聚合物材料。在管道材料的起重、运输和存放过程中，需注意避免与其他金属材料接触，避免损伤防腐层。在安装前，对钢管进行表面处理，如除锈、除油、除尘等，以确保防腐层的黏附性和耐久性。在表面处理后，施加适当的防护涂层，如环氧树脂涂层、聚乙烯涂层等，以提供永久性的防腐保护。在铺设管道时，需注意避免与砂石、岩石等锐利物体接触，以防止防腐层的破损。对于管道的接头和焊缝等易受腐蚀的部位，特别需加强防护，如使用防腐膏、防腐胶带等。

3.2 日常管理防腐措施

定期对防腐涂层进行检查，包括外观观察、涂层厚度测量和黏结力测试等。及时发现涂层破损、脱落或退化情况，采取修补和维护措施。定期清洗管道表面，去除附着的尘土、污垢和化学物质等，保持防腐涂层的整洁和光滑。避免使用有机溶剂或酸碱性清洁剂，以免损害涂层。在管道附近设置保护措施，防止机械碰撞、磨损和化学品的侵蚀。比如，设置护栏、防撞柱和警示标志等。管道涂层的防水性能和防潮性能是关键。要确保涂层不受到水分和潮湿环境的侵蚀，避免产生腐蚀或涂层剥落的问题。可采用防水涂层或防潮层进行保护。对已经存在的涂层进行定期的维护保养，如涂层的修补、补漆和防腐处理等。根据涂层的使用寿命和环境条件，制定合理的维护计划。对防腐涂层的管道进行标识，包括管道功能、防腐涂层型号和施工日期等信息，便于日常管理和维护。

3.3 管道涂层防腐措施

外壁防腐通常采用不同类型的防腐涂层。石油沥青是一种常用的防腐涂层材料，它具有优异的耐腐蚀性能和耐磨损性能。可以通过喷涂、刷涂、浸涂或沉积等方法施工。煤焦油瓷漆适用于高温和酸碱环境下，提供较好的防腐蚀保护，并具有良好的耐磨损性能。环氧粉末涂层和三层复合结构涂层是一种较新的防腐涂层技术，具有优异的阻隔性能和耐腐蚀性能，能够提供更长久的防护。PF 型环氧煤沥青冷缠带是一种常用的管道防腐材料，提供良好的防腐蚀性能和抗机械损伤性能。RPC 型环氧煤沥青冷缠带是一种具有橡胶防护层的防腐材料，具有良好的防水性能和耐腐蚀性能。防腐涂层材料根据管道的具体要求和使用环境进行选择。无溶剂环氧涂层内减阻涂层可以减少管道内部流体的阻力，提高管道的输送效率。良好的黏附力能够牢固地附着在管道内壁上，不易剥离。

在施加涂层前，必须对管道表面进行彻底的清洁和处理，以去除油脂、污垢和锈迹。通常使用喷砂、喷丸或化学清洗等方法进行表面处理。根据管道的环境条件和用途选择合适的防腐涂层。常见的防腐涂层包括聚乙烯、环氧涂层、聚胺脂涂层等。涂层应具有良好的抗腐蚀性能和耐磨损性能。通常采用喷涂、涂刷或浸涂的方法施加涂层。在施工过程中，需要对涂层进行质量控制，包括涂层厚度的测量、涂层的均匀性检查和涂层的质量验收等。管道接头是腐蚀的薄弱点，需要特别注意防护。使用特殊的防锈剂或涂层对接头进行保护。管道涂层需要定期检查和维护，以确保其防腐蚀性能。定期检查涂层的损坏、划痕和腐蚀迹象，并及时修复。

3.4 天然气净化

在天然气进入输气管道前，需要进行预处理，以去除尘粒、凝析液、水和其他有害组分，以得到干燥且符合管道运输质量要求的天然气。使用过滤器和除尘器来去除天然气中的固体颗粒和杂质，通过冷却和凝结作用，将天然气中的凝析液分离出来。水分的存在可能会导致管道内部的腐蚀和气体流动问题，使用水分去除设备（例如吸附剂或水分除湿器）来去除天然气中的水分。

3.5 电化学防腐

电化学防腐基于两种基本反应：阳极反应和阴极反应。阳极反应是金属氧化的过程，也称为腐蚀反应，释放电子并氧化成阳离子。阴极反应是在金属表面还原的过程，通过施加外部电流或提供阴极保护剂，阴极吸收电子并还原。两种反应共同作用，形成一个电池系统，将腐蚀电流从金属转移到保护体上，从而减缓或防止金属的腐蚀。在结构表面放置一个阳极，如铝或锌，使其成为腐蚀体。当管道与阳极进行电连接后，阳极就会牺牲自身，通过氧化反应释放电子来供给管道的还原反应，管道则得到防腐蚀保护。外加电流的阴极保护措施适用于各种金属结构，能够提供均匀的防腐蚀保护，相比牺牲阳极阴极保护方式具有更长的使用寿命。然而，该方法需要专业人员进行设计和操作，以确保外部电流的适当施加和监测。

3.6 缓蚀剂防腐

缓蚀剂通过在金属表面形成一个保护性的薄膜或阻挡层，防止金属与腐蚀介质接触，从而减缓腐蚀速率。缓蚀剂通过吸附在金属表面，形成的吸附层会减缓金属与腐蚀介质发生化学反应的速率。与腐蚀介质中的物质发生反应，产生无害的或不易溶解的产物，从而减少腐蚀反应的进行。与其他防腐方法相比，缓蚀剂防腐的成本较低。很容易应用于金属表面，可以通过涂覆、喷涂或浸泡等方式。缓蚀剂通常提供临时性的保护，需要定期重新应用。

4 结语

天然气管道腐蚀是一个严重的问题，会导致管道破裂、泄漏和安全隐患。腐蚀的形成与多种因素有关，包括介质成分、温度、压力、湿度和管道材料。为了有效地防止天然气管道腐蚀，考虑到管道的特点、运行条件和经济因素等，根据管道的具体情况进行评估和制定综合的防腐措施，有效保护天然气管道免受腐蚀的影响，确保管道的安全性和可靠性。