■ 孟 偉

如何保障“能源血管”的安全
——管道防腐與檢測技術大解密

■ 孟 偉

近幾十年來，全球海洋油氣開發(fā)如火如荼，海底油氣管道作為連續(xù)、大量輸送油氣資源較為快捷、安全可靠、經濟的方式，擔負著海上油氣集輸的重要任務，被稱為海洋油氣工程的“生命線”。自1 954年美國Brown&Root海洋工程公司在墨西哥灣鋪設了第一條海底管道以來，全球各大海域已經形成龐大的海底管道網絡。

目前，墨西哥灣已建成長約37000公里的海底管道，連接該海域3800多座大小平臺和沿岸的油氣處理設施。挪威北海到英國的Langeled管道是全球最長的海底管道，全長1200公里，于2007年投入運營。中國自1985年在渤海埕北油田建成第一條海底輸油管道以來，已在不同海域鋪設了總長超過6000公里的海底管道。

隨著海底管道鋪設數量的增加和使用年限的增長，海底管道發(fā)生事故的概率也不斷增大。根據統(tǒng)計顯示，每1000公里的海底管道每年出現損傷和泄漏的概率為2%，其中47%的海管事故來自于腐蝕。1997年7月，墨西哥灣Eugene島附近立管因腐蝕發(fā)生穿孔破壞，泄漏原油引發(fā)大火。2006年8月，Alaska的普拉德霍灣（Prudhoe Bay）原油管道銹蝕導致原油泄漏，原油日減產40萬桶，導致國際油價一度上升。2007年，我國南海潿洲12-1至11-4原油管道腐蝕發(fā)生泄漏，油田停產近200天。2008年12月22日，阿塞拜疆里海海底管道腐蝕泄漏，形成了幾公里的污染帶，損失慘重。

海底管道一旦發(fā)生腐蝕破壞造成油氣泄漏，不僅會造成海上油田停產，而且會嚴重污染海洋環(huán)境，這種污染很難在短時間內清除，甚至會持續(xù)幾十年對海洋生態(tài)造成難以估量的破壞。因此，有效地控制海底管道腐蝕，定期檢查海底管道的運行狀況，成為海上油氣安全生產的重要保障措施。

海底管道腐蝕

海底管道通常為鋼質管道，腐蝕主要指金屬腐蝕，也就是金屬表面受到周圍介質的物理、化學和電化學作用所引起的表面損傷、重量減輕等現象。

根據海底管道所處的環(huán)境和管道輸送介質的特性，海底管道存在著內腐蝕和外腐蝕兩種情況。

（1）內腐蝕

內腐蝕一般發(fā)生在輸送含油污水、含硫油氣或油水混合物的管道內壁。海底管道輸送的介質主要有原油、天然氣、地層水及其混合物，其中，二氧化碳和酸性氣體是引起海底管道內腐蝕的主要原因。有些管道還會輸送緩蝕劑、乙二醇等物質。從我國海上油氣田的生產特點來看，二氧化碳是引起海底管道內腐蝕的主要原因。二氧化碳不僅會造成大面積的全面腐蝕，還會導致點狀、臺地狀、蜂窩狀、燒瓶狀等局部腐蝕，并具有“傳染性”，一旦管道的某個點出現腐蝕，將“以點帶面”，很快地蔓延開來。

（2）外腐蝕

外腐蝕來源于海底管道所處的海水環(huán)境，主要有海水腐蝕和海底土壤腐蝕。外腐蝕的形式與管線所處海域海水中溶解的氧量、海水的深度和海底地形有關。海水流速也會影響管線的腐蝕速率。此外，被掩埋的海底管線還面臨著海底沉積物的腐蝕。海底沉積物的類型、pH值、硫酸鹽還原菌含量、氧化還原點位等均會影響其腐蝕性。

硫酸鹽還原菌的存在使沉積物的腐蝕性增強

海底管道如何防腐

海底管線一旦鋪設完工，開始投入生產，將長期處于低溫高壓的海底環(huán)境中，承受著海水不斷的侵蝕。相對于陸地管道，海底管道的鋪設成本極其高昂。如果發(fā)生腐蝕，不僅維修費用驚人，而且油田停產造成的損失也是巨大的。因此，預防海底管道的腐蝕工作意義重大。那么，該如何防止海底管道的腐蝕呢？

（1）內防腐技術

內防腐主要用于防止或抑制海管內表面的腐蝕和破壞。

①使用防腐鋼材和緩蝕劑。采用不銹鋼管、鋼塑復合軟管等耐腐蝕材料或碳鋼加緩蝕劑等技術來控制內防腐。海底管道常用316系列不銹鋼。對于已經運行的管線，則通過加注緩蝕劑來控制內部腐蝕。緩蝕劑是一種可以防止或減緩腐蝕的化學物質，需要根據管道內不同輸送介質進行配置。添加緩蝕劑等化學防腐劑是目前最主要的海底管道內防腐技術。

②內防腐涂層技術。內防腐涂層是一種物理防腐，是涂于管體內部的薄膜涂層。利用涂層將輸送介質同管道內壁隔離，既可以防止管內腐蝕，又能夠降低摩擦阻力，提高輸送量。常用的內防腐涂層技術有：

——環(huán)氧粉末內涂層噴涂技術。環(huán)氧粉末涂料是一種完全不含溶劑、以粉末形態(tài)噴涂并熔融成膜的新型涂料。良好的環(huán)氧粉末噴涂可以延長管道的使用壽命，減少管線的日常維修和維護，降低運行費用。環(huán)氧粉末耐腐蝕和耐化學品性能好，便于施工，涂膜硬度高，外觀平整光滑。

——液體環(huán)氧涂料內噴涂技術。液態(tài)環(huán)氧涂料以環(huán)氧樹脂為主要成膜物質，環(huán)氧樹脂含量不低于25%，涂料中環(huán)氧樹脂含量高，防腐層粘結力大，機械強度高，涂敷時固化速度快，涂層密實，可以得到性能優(yōu)良的防腐層。

液態(tài)環(huán)氧粉末附著力極強，有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性，電絕緣性能和物理力學性能好

——管道內防腐層補口技術。管道補口處是管道焊縫的熱影響區(qū)、管道內壁腐蝕的敏感區(qū)。目前常用的管道內防腐補扣技術有內涂層補口機補口技術、內襯短管補口技術、機械壓接內補口技術等。

管道內補口技術的成熟及施工質量直接關系到內防腐層保護的整體效果

（2）外防腐技術

在選擇海底管道外防腐層時，需要考慮防腐層的耐水、溶解氣、鹽的滲透性以及附著力等性能，此外，還應考慮管道服役時間。

①熔結環(huán)氧粉末外防腐層技術。熔結環(huán)氧粉末涂料是一種以空氣為載體進行輸送和分散的固體涂料，將其施涂于經預熱的鋼鐵制品表面，熔化、流平、固化后形成一道均勻的涂層。該類防腐層目前主要用于單層保溫管的外防腐

②3LPE (三層聚乙烯復合結構)外防腐層技術。3LPE外防腐層是目前海底管道應用最廣泛的防腐層，可用于單層管、單層配重管和雙層保溫管。

三層聚乙烯復合結構的底層為環(huán)氧涂料，中間層為聚合物膠粘劑，表層為聚烯烴

③襯塑管道防腐。襯塑管道是一種以普通碳素鋼管作為基體，內襯具有穩(wěn)定化學性能的防腐材料的復合管道。

襯塑管道可采用焊接鋼管或無縫鋼管以火焰噴涂工藝或自動噴槍噴涂制作

④外防腐補口防腐技術。節(jié)點補口是油氣管道防腐最薄弱的環(huán)節(jié)之一，補口涂層性能的優(yōu)劣直接影響整條長輸管道的使用壽命。目前，三層聚烯烴熱縮節(jié)點涂層已經成為國內外普遍采用的節(jié)點補口涂層結構。

（3）陰極保護

陰極保護的基本原理是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩狀態(tài)，使金屬各點達到同一負電位，這樣金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。有兩種辦法可以實現這一目的，即外加保護電流和犧牲陽極。

①外加保護電流。根據管道涂層破損率來設計計算外加電流大小。管道運行初期，涂層破損率小，所需保護電流密度也很小，隨著時間的延長，涂層破損逐漸增大，所需保護電流密度也隨之增大。

②犧牲陽極。犧牲陽極就是在管道外側連接一種更容易失去電子的金屬或合金。當發(fā)生電化學腐蝕時，更容易被腐蝕的是管道外的金屬，進而達到保護管道的目的。犧牲陽極法簡單易行，性能可靠，不需外部電源，造價較低。目前，海底管道均采用犧牲陽極保護法。鋁合金、鋅合金和鎂合金均可作為犧牲陽極材料，其中鋁-鋅-銦系合金最為常用。

手鐲式陽極通常卡箍或焊接在鋼管上，要求陽極腐蝕產物容易脫落，表面腐蝕均勻

防腐檢測技術

為了保證海洋油氣順利產出，需要定期檢驗海底管道，既可以防止管道腐蝕，又可以保證管道安全運行，延長管道使用壽命。

（1）根據檢測的時間分類

按照不同的檢測時間可以分為投產前檢測、定期檢測和特殊檢測。

①新建海底管道的投產前檢測，可檢測出可能存在的原始缺陷，保證管道工程建設質量。

②定期檢測是在海底管道運行期間，每隔2～4年對管道進行的檢測，有的規(guī)范甚至要求每年一次。定期檢測是海底管道完整性管理的主要方式。

③特殊檢測是運行期間發(fā)生地震，大風暴或遭受嚴重的機械損傷后進行的檢測。

（2）根據檢測部位分類

根據檢測位置不同，可分為內部檢測和外部檢測兩種。

① 海底管道內部檢測

內部檢測主要包含海底管道清管和內腐蝕檢測兩部分工作。

海底管道清管是指利用各類清管器按照先后順序清理管道內壁。管道清理順序為：泡沫清管球、帶刷子的清管球、帶刷子的鋼質清管球和測量清管球等。檢測前清管，可將附著在管內壁上的污垢、蠟狀沉積物和水合物等清掃干凈，使得檢測傳感器探頭可以與管壁緊貼，以便獲得真實數據。

按順序走清管器

帶刷子的清管器

最后投入漏磁式測量清管器

目前通過智能清管器無損測量管線厚度是應用最廣泛的內腐蝕檢測技術，但檢測費用較高，國內檢測技術尚不成熟，市場被美、德等國的兩三家跨國公司高度壟斷。常見的智能清管器包括：變形檢測清管器、漏磁式檢測器、超聲波檢測器等。變形檢測清管器用于檢測管道幾何變形、斷面變形、屈曲和皺折變形等。漏磁式檢測器是使用磁鐵將磁通引入管壁或焊縫，傳感器裝在兩磁極之間，探測因管壁減薄或腐蝕等引起的各種漏磁現象。國際上90%的管道內檢測均采用這一技術。超聲波檢測器利用超聲波從管子內外表面之間反射波的時間差來測定管壁腐蝕和厚度。

漏磁式檢測器

②海底管道外部檢測

海底管道外部檢測內容包括海底管道地貌狀況及海底管道埋深、有無裸露懸空、有無發(fā)生位移及外力破壞、外部防腐狀況等等。外部檢測主要包括兩類方式，一類是工程物探方式，如使用淺剖面儀以及多波束水深測量系統(tǒng)，側掃聲吶系統(tǒng)、磁力探測等方法進行常規(guī)海底管線外部檢測；另一類就是潛水檢測方式，由潛水員、ROV（遠程操作潛水器）進行水下作業(yè)。

工程師潛水檢測

ROV的工作水深更深，能應付更為惡劣的海底環(huán)境

海管的外檢測方法還包括水下目視檢測、水下磁粉探傷、水下常規(guī)超聲縱波探傷、常規(guī)超聲橫波探傷、渦流探傷、超聲衍射時差法、漏磁探傷、水下交流場檢測、水下射線探傷和目視檢測等技術。

新型檢測技術

（1）Magna水下檢測系統(tǒng)

它是一個部署有ROV的自行檢測工具，利用電磁聲換能器或EMATs，實現了在深度達1萬英尺的水下從外部檢測管道。該系統(tǒng)能夠對管道進行360°檢查，提供金屬結構管壁狀況的實時數據。

Magna水下檢測系統(tǒng)

（2）DiscoveryTM海管監(jiān)測工具

該技術可以用于診斷管線壁厚變化，可以準確診斷管線內充填物是水合物、結蠟、瀝青質還是結垢，該技術已經在墨西哥灣深水項目中成功應用。

DiscoveryTM海管監(jiān)測工具

新型防腐技術

（1）新型不銹鋼管材

使用耐腐蝕材質的海底管道，提高管道抗腐蝕能力，能夠有效地延長海底管道的使用壽命。目前海底管道使用的耐腐蝕材質主要有B10/B30、HDR雙相不銹鋼、304或31 6不銹鋼等。

（2）補口防腐新技術

①高密度開孔聚氨酯補口新技術。高密度開孔聚氨酯泡沫層材料無污染、強度高、密度小、保溫性好，在技術性能以及適用性、經濟性等方面均比傳統(tǒng)的瀝青瑪蹄脂補扣技術具有優(yōu)勢。

現場使用方便、操作簡單、施工成本較低

②F BE+改性/復合聚烯烴節(jié)點防腐涂層結構。該結構是在FBE（Fusion Bonded Epoxy 環(huán)氧粉末涂料0.30～0.64mm）防腐層上噴涂一層改性聚乙烯（CMP)保護層，CMP和FBE屬化學和機械粘結，不會分離，傳統(tǒng)的三層PE有所進步，其性能與FBE相似。防腐性能優(yōu)異、現場施工性良好、與主體涂層兼容性更佳。

③高性能復合涂層外防腐技術。高性能復合涂層（HPCC）由FBE層、粘結層和聚乙烯層組成，結構與常用的3PE相同。該涂層具有低溫韌性，低滲透性，優(yōu)良的抗沖擊性和抗陰極剝離性

隨著海洋油氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，未來不僅會有越來越多的海底管道投入運行，而且正在服役的海底管道，也面臨著因腐蝕加劇而泄露或遭到外力破壞的危險。海底管道的安全直接關系到油田生產的穩(wěn)定，一旦泄漏，不僅維修費用高昂，而且對海洋生態(tài)環(huán)境造成的危害十分巨大。因此，研發(fā)海底管道防腐、檢測、維修的新技術和新裝備，保證海底管道安全穩(wěn)定運行，已成為海洋石油行業(yè)的一項重要課題。