王聰，馬丹竹，屈洋，王衛(wèi)強，梁曦

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 1130012）

隨著基礎設施現代化進程的不斷推進，和石油天然氣工業(yè)的騰飛，金屬管道已經不再只是我國工業(yè)的輸血管更是人民安居樂業(yè)的補給線。眾所周知，不管是水循環(huán)管道，戰(zhàn)略能源運輸管道還是普通的民用燃氣管道，隨著時間的流逝，管道的腐蝕也日益加劇，特別是埋地管道，那更是腐蝕的重災區(qū)。

柯偉[1]在調查報告中提到，他利用Uhlig和Hoar兩種方法對我國管道使用現狀進行了研究，結果相當接近，由于腐蝕而造成的直接經濟損失分別為2 048億元/a和2 288億元/a，如果算上間接損失，這一數字將達到4 979億元以上，約為年國民生產總值的5%，遠遠超過了發(fā)達國家2%～3%的水平[2]。

當前，由于西氣東輸等大型工程和各大城市龐大的基礎設施建設，所帶來的數萬公里每年的管道增長速度[3]，造成近年來由于管道腐蝕引起的管道泄漏、管道爆炸事故頻發(fā)，不僅帶來了承重的經濟損失，也極大的破壞了生態(tài)環(huán)境，延緩了生態(tài)文明的腳步[4]。對管道腐蝕的深入研究已是刻不容緩。

1 腐蝕現狀

1.1 管道內腐蝕

石油類管道主要是用來輸送油、氣、水三相流體，這類流體中常常伴有H2S，CO2，Cl-等物質，這類物質的加入使得管道的腐蝕以垢下腐蝕為主[5]，多積于管道內底，較為常見的是點蝕和坑蝕，嚴重時可呈現溝槽狀或坑洞。進一步發(fā)展可造成成管道的穿孔、開裂。高壓下易引發(fā)火災、爆炸等嚴重事故。

（1）管道底部腐蝕

剖開由于腐蝕泄露的管道，我們可以清晰的發(fā)現，管道上密布著大大小小的溶蝕坑，呈現出溝槽狀，坑里沉積著帶有金屬光澤的腐蝕物和垢。這類腐蝕和管內流體關系密切：當含水低于60%時，流體中不含硫酸鹽還原菌，流體呈油包水狀態(tài)[6]，由于管底油封腐蝕輕微；當含水大于60%時，出現油包水、水包油混態(tài)，管底腐蝕加??；當含水量繼續(xù)增大時，管內流體從上到下為伴生氣、油包水、水底，此時，管底腐蝕嚴重。

（2）輸量不夠造成的腐蝕

在遠距離管道輸送過程中，如果長時間出現輸送量小且含水率高的情況，此時管道易發(fā)生腐蝕穿孔的問題，造成管道壽命縮短。當流速不足0.3 m/s且含水量超過 70%時[7]，腐蝕穿孔現象最為突出。此時管道內還會伴生硫酸鹽還原菌，加劇底部點蝕穿孔。

（3）輸水含CO2造成的腐蝕

輸送水中若含有CO2，則會降低pH值，使腐蝕加劇，升溫有助于減緩腐蝕，O2的存在則會使情況進一步惡化，此時Cl-的加入極易造成管道點蝕穿孔[8]。由于CO2對鋼材的腐蝕產物可溶，因而，管內多呈溝槽狀。

（4）流速造成的腐蝕

管道中下游處，隨著流速的降低流態(tài)變?yōu)閷恿?，容易出現結垢淤積、細菌滋生的情況，加劇腐蝕速度出現腐蝕穿孔。

1.2 管道外腐蝕粘貼在這

管道隨所處環(huán)境的不同，其遭到腐蝕的原因也有所差異。通?？梢詫⒐艿劳飧g分成四類：土壤腐蝕、細菌腐蝕、應力腐蝕和結構性破壞腐蝕[9]。管道在其防腐層完好的情況下，其遭受的腐蝕是很輕微的，一旦防腐層老化脫落，導致管道直接與土壤接觸，這時管道的腐蝕速度將會大大增加。

① 土壤腐蝕

土壤環(huán)境是一個以土為基質，其空隙內充滿著空氣和水的膠質體。由于三種組分配比的隨機性和每種組分成分的差異性，土壤種類千差萬別，直接導致土壤腐蝕成為了一個極其復雜問題[4,10]。但究其特點可以進行以下概括：

（1）通氣差異電池腐蝕

管道表面與空氣的連通狀況直接導致了通氣差異電池腐蝕的強弱。通氣性好的管道，表面電位為正構成電池的陰極，避免腐蝕等發(fā)生，而通氣性差的管道表面，為負電位的陽極區(qū)腐蝕嚴重。這種由于通氣性差異造成的腐蝕其實是較為常見的，當管道經過洼地、池沼、田間的時候都會發(fā)生該種腐蝕，致使管道的水泡部分和透氣性差部分遭到嚴重腐蝕[11]。

（2）鹽分差異電池腐蝕

在鹽分土壤地區(qū)，由于土壤剖面鹽分分布不均勻性明顯，導致管線在鹽分土壤中形成鹽分差異電池，對管道造成腐蝕。在高鹽分地區(qū)腐蝕更為劇烈，三兩年時間便可以造成管道的腐蝕穿孔。

（3）金屬差異電池腐蝕

金屬差異電池腐蝕又叫電偶腐蝕。它是由于地下管線各段可能有不同種金屬，由于金屬件差異導致各部分電位出現差異，高電位處作為腐蝕電池的陰極而被保護，低電位處則作為陽極遭到腐蝕[12]。此外，由于此種腐蝕與介質導電性有關，通常具有明顯的局部性。

（4）雜散電流腐蝕

除了外加保護電流之外流經管道造成管道腐蝕的其它電流統(tǒng)稱為雜散電流，雜散電流腐蝕是一種電化學腐蝕，屬電解腐蝕范疇，管道腐蝕的部位與電流大小和極性有關。該腐蝕通常發(fā)生在鐵路和大型高壓輸電線路兩旁[13]。

（5）交流電腐蝕

由于防腐層的老化，管道出現裸露點和缺陷對埋地管道而言是不可避免的[14]。如果這樣的管道受到交流電的干擾，就會出現交流電腐蝕。

綜上，管道在土壤中通常由于電化學作用而造成腐蝕，而造成這種腐蝕的必要條件是：管道存在電位差即具有陰、陽極；且能形成電流回路。要減緩和消除該種腐蝕，我們只須切斷一處即可。因此，就出現了以切斷回路為目的對管道加裝覆蓋層的防腐措施，該措施以減小回路電流為目的，以增大電阻為手段，通常以覆蓋層的老化脫落而宣告失敗，此法治標不治本[15,16]。進而又出現了以犧牲陽極為思想和以外加電流為依托的保護陰極法，該法才是從根本上解決土壤腐蝕管道的問題，在下文中會做詳細介紹。

②細菌腐蝕

細菌腐蝕是指土壤中的微生物在缺氧條件下進行代謝活動，將SO42-轉化成可與鐵管道反應的H2S從而對管道造成的腐蝕，稱為細菌腐蝕。在該腐蝕過程中，細菌直接參與了化學反應且不同細菌作用效果也不相同。接下來將對可以造成細菌腐蝕的三種細菌作簡要介紹。

（1）硫酸鹽還原菌

在 60 ℃左右的溫度下，在有硫酸鹽存在的環(huán)境中，硫酸鹽還原菌就會大量繁殖[17]。硫酸鹽還原菌中含有一種用于進行代謝活動的氫化酶，該氫化酶直接決定了對管道腐蝕的強弱。該酶可將土壤和管道間電化學反應生成的H+合稱為H2S，從而增強對管道的腐蝕作用。

（2）鐵細菌

鐵細菌是一種異養(yǎng)細菌，它通過氧化 Fe2+獲得能量，從而可加速管道的腐蝕；它也可以與水接觸形成結瘤菌，堵塞管道；還可以與硫酸鹽還原菌或腐生菌形成氧濃差電池，腐蝕管道。

（3）腐生菌

腐生菌是異養(yǎng)菌，通過分解有機物獲得能量并產生粘性物質吸附管道中其他雜質造成管堵。它可與多種細菌共生造成管道腐蝕或結垢，也可與鐵細菌形成氧濃差電池腐蝕管道。

③應力腐蝕

應力腐蝕是一種通過應力和腐蝕共同作用造成的腐蝕。主要受管道材料的敏感性，細菌種類和繁殖狀況以及應力載荷大小的影響。在管道材料不變的情況下，無論是管道自身的腐蝕還是細菌作用的腐蝕都可以通過應力的增大而得到促進。腐蝕會使管壁變薄，在應力增大或出現應力脈沖時，會加重該處管道的負擔，造成管道的進一步變薄甚至破裂[18]。因此前述三種因素協(xié)同作用、相互促進必然使得管道發(fā)生應力腐蝕開裂或者爆管。

2 解決理論

造成管道腐蝕的原因主要是電化學腐蝕作用，解決辦法是采取陰極保護措施，包括：外加電流法和犧牲陽極法。犧牲陽極法的使用條件如下：當需要電流大小小于1 A，土壤電阻率低于100 Ω·m時[19]，可使用一定數量的陽極以提供保護電流，若所需電流較大，則使用此法的成本將會增加，不再使用，此時應用外加電流法進行陰極保護就更為經濟。若在電源存才問題，管網復雜，管道分叉或是存在雜散電流時，外加電流法將不再適用，為了起到陰極保護的效果，可以暫時忽略成本，采用犧牲陽極法。

2.1 外加電流法

外加電流陰極保護系統(tǒng)，都必須配備兩臺恒電位儀，當其中一臺發(fā)生故障，另一臺可作為備用機進行切換，使管道全線得到不間斷陰極保護。

外加電流陰極保護范圍的半徑計算：

式中：L—單側保護長度，m；

DVL—最大保護電位與最小保護電位之差，V；

D—管道外徑，m；

JS—保護電流密度，A/m2；

R—單位長度管道縱向電阻，Ω/m；

ρt—鋼管電阻率，mm；

d—管道壁厚，mm。

2.2 犧牲陽極法

利用犧牲陽極法完成陰極保護，通常采用鎂作為陽極材料，在管道全線鋪設犧牲陽極。

（1）單支陽極接地電阻計算

式中：Rv—立式陽極接地電阻；

ρ—土壤電阻率；

ρa—填包料電阻率；

L—陽極填料層長度；

La—陽極等效直徑；

D—陽極等效直徑；

d—填料層直徑。

（2）陽極輸出電流計算

式中：Ia—陽極輸出電流；

Ec—陰極開路電位；

Ea—陽極開路電位；

ec—陰極極化電位；

ea—陽極極化電位；

Rc—陰極過渡電阻；

Ra—陽極接地電阻；

RW—回路導線電阻；

ΔE—陽極有效電位差；

R—回路總電阻。

（3）所需陽極數量計算

式中：N—陽極數量；

f—備用系數，通常取2；

IA—所需總保護電流；

Ia—單支陽極輸出電流。

（4）陽極壽命計算

式中：T—陽極中心至地面的距離；

W—陽極井質量,kg；

ω—陽極消耗率（7.92 kg/（A·a）；

I—陽極平均輸出電流。

3 結 論

管道的腐蝕問題是造成管道安全事故的首要原因，管道腐蝕問題長期得不到解決會引發(fā)管漏、腐蝕穿孔、管裂、爆管等事故，會造成巨大的財產損失，環(huán)境污染甚至威脅人身安全。因此，采取有效措施防止或減緩管道的腐蝕是必要的。

具體介紹了管道腐蝕的情況進行了細致的分類，并逐一分析了產生該種腐蝕的機理和原因。分析結果表明，管道直接與土壤接觸或水和空氣滲入保護層引發(fā)的電化學腐蝕是造成管道腐蝕的主要原因。該種腐蝕可以通過對管道外加保護層或蓋層的方法快速解決表象問題，通過犧牲陽極法或外加電流法解決根本矛盾。因此，管道的保護只有內外兼顧才能收到最好的效果。

［1］柯偉.中國腐蝕調查報告[R].北京:化學工業(yè)出版社,2003:3-4.

［2］米琪,李慶林.管道防腐蝕手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994:3.

［3］孟繁強.管道腐蝕泄漏成因分析研究[D].天津大學,2008.

［4］ 崔鵬.埋地管線腐蝕坑的導波檢測方法研究[D].西安石油大學,2011.

［5］王鈞.埋地金屬集輸管道腐蝕機理腐蝕防護及修復技術研究[D].中國石油大學(華東),2004.

［6］郭乃連,郭永超.埋地天然氣管道的腐蝕與防護綜述[J].化工管理,2015(3):195.

［7］ 白潔.淺談石油管道腐蝕防護措施與研究[J].化工管理,2014(35):156.

［8］李瑩.淺談石油管道腐蝕防護措施與研究[J].2013(02):123.

［9］朱小林,張東炎.淺析油氣儲運中的管道防腐問題[J].科技與企業(yè),2015(3):233.

［10］王朝陽,劉學萍,馬青峰,等.探討油氣儲運中的管道防腐問題[J].化工管理,2015(3):162.

［11］張光華.勝利油田高含硫原油增輸方案研究[D].中國石油大學(華東),2007.

［12］孫祥太.天然氣管道輸送過程中管道防腐的研究以及防腐方法的創(chuàng)新[J].化工管理,2015(4):210.

［13］ 張興楊.小口徑石油管道腐蝕檢測方案設計及試驗研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2010.

［14］田再強,袁秀鵬.土壤對埋地鋼管腐蝕的勘測與分析[J].煤氣與熱力,2004,24:231-233.

［15］胡士信.陰極保護手冊[M].北京:人民郵電出版社,1990:144.

［16］王向農.腐蝕控制手冊[M].北京:石油出版社,1988:121.

［17］譚文捷,郭惠.油氣管道腐蝕檢測技術研究與應用[J].山東化工,2015,44(2):98-100.

［18］ 孟建勛,王健,劉彥成.油氣集輸管道的腐蝕機理與防腐技術研究進展[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2010,12(3):21-23.

［19］中華人民共和國建設部.城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規(guī)程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003:8.