周華英

【摘要】天然氣使用量的急劇增加，而管網(wǎng)設(shè)施是天然氣發(fā)展的基本條件之一，也是國(guó)家現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，特別是城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)施的建設(shè)，它是一個(gè)城市生存和發(fā)展的必要保障和國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

天然氣管道從天然氣供應(yīng)場(chǎng)所到其使用地方，經(jīng)過(guò)各種各樣復(fù)雜的地形，管道所處環(huán)境千變?nèi)f化，且天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳等酸性氣體，它們對(duì)天然氣管道造成腐蝕威脅，影響天然氣管道的平安運(yùn)行，因此天然氣管道在運(yùn)營(yíng)中必須實(shí)施防腐蝕保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】天然氣管道；腐蝕；防護(hù)

The corrosion and protection

measures of natural gas pipeline

Abstract：The rapid increase of natural gas usage， and network facilities is one of the basic conditions of natural gas development. Also it is the important symbol of modernization of the country， especially the construction of city gas pipe network facilities. It is necessary to the survival and development of a city's security and the national important infrastructure.

Natural gas is transfered from supplier to each user by natural gas pipeline， after all sorts of complex terrain， pipeline environment， and natural gas often contains the acidic gas such as hydrogen sulfide， carbon dioxide. They can corrode gas pipeline， affect the safe operation of gas pipeline.So the natural gas pipeline corrosion protection must be carried out.

Keywords： Natural gas，the corrosion，the protection

1、引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)較快發(fā)展，改善能源結(jié)構(gòu)日趨迫切，加上環(huán)保要求和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，從而對(duì)天然氣的需求有較快增長(zhǎng)，天然氣的地位、生產(chǎn)和貿(mào)易隨之上升。國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布年度中期天然氣市場(chǎng)報(bào)告預(yù)計(jì)，到2019年，我國(guó)天然氣需求將增至3150億立方米。今年官方預(yù)計(jì)到2020年天然氣年消耗4200億立方米。而天然氣的輸送主要由天然氣管道完成。各大長(zhǎng)輸管網(wǎng)均承擔(dān)著保障國(guó)家能源供給安全戰(zhàn)略順利實(shí)施的重大責(zé)任和使命。

輸氣管網(wǎng)設(shè)施大力建設(shè)并迅速發(fā)展，成為了城市生存和發(fā)展的必要保障和國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。2007年已完成基本骨干管道（約4000km）的西氣東輸工程，配套建設(shè)支干線(xiàn)和區(qū)域性管道11000～17000km，形成基本覆蓋長(zhǎng)江三角洲地區(qū)及華東、華北、中部地區(qū)的天然氣管網(wǎng)。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)天然氣管道將達(dá)15萬(wàn)公里，年均增長(zhǎng)超過(guò)1萬(wàn)公里。

目前輸氣管道多為鋼管，埋地敷設(shè)。實(shí)驗(yàn)表明，埋地鋼管若不加防腐，一年即可能腐蝕穿孔，而若采取合理的防腐措施，使用壽命可達(dá)25年以上。天然氣管道輸送介質(zhì)中往往含有H2S、CO2等酸性腐蝕介質(zhì)對(duì)管壁腐蝕，造成天然氣井套的斷裂、集輸管線(xiàn)爆破等故障。國(guó)內(nèi)外腐蝕造成的案例很多，1970至1984年，美國(guó)輸氣干線(xiàn)發(fā)生的事故中，內(nèi)腐蝕造成的事故占4.5%；1980至1990年，俄羅斯輸氣干線(xiàn)共發(fā)生事故725次，內(nèi)腐蝕事故占7%。四川的威遠(yuǎn)-成都輸氣干線(xiàn)在1968至1997的30年間的就發(fā)生過(guò)管道事故110余起，其中內(nèi)腐蝕事故約占總數(shù)的77%。1980年以后，通過(guò)加注緩釋劑、加強(qiáng)清管等措施較有效控制了管道的內(nèi)腐蝕，管道事故率有所下降，但20世紀(jì)90年代川渝地區(qū)輸氣管道的平均事故率仍達(dá)到了2.3次/1000km.a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平。因此對(duì)天然氣管道進(jìn)行防腐蝕保護(hù)很有必要的。

進(jìn)入長(zhǎng)輸管網(wǎng)的天然氣既有不同國(guó)家的管輸天然氣、液化天然氣，又有國(guó)產(chǎn)的氣田氣、油田伴生氣、煤層氣、頁(yè)巖氣和煤制氣等。不同氣源間可能存在的不同氣質(zhì)會(huì)對(duì)天然氣的貿(mào)易交接和安全生產(chǎn)造成影響。管道的安全輸送及天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量都對(duì)進(jìn)入管道，尤其是長(zhǎng)輸管道的天然氣氣質(zhì)提出要求。

2、氣質(zhì)情況概述

現(xiàn)階段我國(guó)進(jìn)入長(zhǎng)輸管道中的管輸天然氣按照來(lái)源可以分為常規(guī)天然氣（氣田氣、油田伴生氣等）、頁(yè)巖氣、煤層氣以及煤制氣等。

2.1常規(guī)天然氣

典型常規(guī)天然氣氣質(zhì)組成范圍

上表是我國(guó)典型的常規(guī)天然氣氣質(zhì)組成范圍。由表可以看到，常規(guī)天然氣通常含有十多個(gè)組分，管輸天然氣大多滿(mǎn)足GB17820-2012標(biāo)準(zhǔn)的二類(lèi)氣以上質(zhì)量要求。另外，天然氣的輸送管道是基于表中的常規(guī)天然氣氣質(zhì)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)的，在多年的實(shí)際運(yùn)行中也未見(jiàn)異常。所以，常規(guī)天然氣在進(jìn)入長(zhǎng)輸管道時(shí)，不會(huì)對(duì)天然氣的貿(mào)易交接計(jì)量和安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響。

2.2對(duì)管道安全輸送產(chǎn)生影響的因素

進(jìn)入長(zhǎng)輸管道氣質(zhì)要滿(mǎn)足GB17820-2012的要求，保證多氣源（常規(guī)天然氣、頁(yè)巖氣、煤層氣、煤制氣等）進(jìn)入管道后，長(zhǎng)輸管道能安全運(yùn)行。另外還需進(jìn)一步討論可能對(duì)管道安全輸送產(chǎn)生影響的因素。

2.2.1 總硫

進(jìn)入管道的總硫指標(biāo)直接關(guān)系到天然氣燃燒后形成的SO2排放量，GB17820-2012中的總硫含量在確定時(shí)，已充分考慮天然氣燃燒后排放的環(huán)保要求。進(jìn)入長(zhǎng)輸管道氣質(zhì)總硫指標(biāo)的確定可以參照GB17820-2012指標(biāo)執(zhí)行。

2.2.2 H2S

H2S作為酸性氣體，是對(duì)管道運(yùn)行產(chǎn)生腐蝕的主要?dú)怏w。硫化氫溶于水后，首先吸附于鐵表面，F(xiàn)e經(jīng)過(guò)一系列陰離子吸附和脫附、陽(yáng)極氧化反應(yīng)、水解等過(guò)程，生成Fe2+或者FeS，導(dǎo)致鐵腐蝕。

2.2.3 CO2

CO2在管輸過(guò)程中主要是電化學(xué)腐蝕。天然氣管道輸送的介質(zhì)中含有CO2溶于水，生成酸，碳鋼在酸中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)腐蝕，在陽(yáng)極區(qū)鐵被氧化為Fe2+離子，所放出的電子自陽(yáng)極（Fe）流至鋼中的陰極（Fe3C）上被H+吸收而被還原成氫氣，即

其電極反應(yīng)為：CO2+H2O→H2CO3 H2CO3+Fe→FeCO3+H2↑

陽(yáng)極氧化反應(yīng)：Fe→Fe2++2e

陰極還原反應(yīng)：H2CO3→H++HCO3- 2H+2e→H2↑

從原理上說(shuō)，在CO2的腐蝕反應(yīng)中，第一步需要CO2與水形成碳酸，然后形成原電池，進(jìn)而發(fā)生管道的腐蝕。而天然氣中保證了極低水含量的管道輸送條件，這就是為什么在CO2體積分?jǐn)?shù)為2%甚至以上的情況下，管道也能安全運(yùn)行的原因之一。所以，進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的氣體中CO2含量的確定應(yīng)該同時(shí)考慮CO2腐蝕對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕的閾值以及管道的運(yùn)行條件，并綜合長(zhǎng)期以來(lái)長(zhǎng)輸管道的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

2.2.4 CO

常規(guī)天然氣是在地層中經(jīng)長(zhǎng)期的高溫高壓形成的，即使存在CO，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代下也已轉(zhuǎn)化成了CO2。所以，常規(guī)天然氣甚至包括頁(yè)巖氣和煤層氣等均不含CO。

2.2.5 H2

H2是最可能影響長(zhǎng)輸管道的組分，常量的H2在長(zhǎng)輸管道的鋼材中可能形成氫脆和氫鼓泡等，對(duì)管輸產(chǎn)生影響。對(duì)于常規(guī)天然氣來(lái)說(shuō)，H2的體積分?jǐn)?shù)為0.1%甚至更低，以至于完全不含H2。

3、天然氣管道的腐蝕

輸氣管道在運(yùn)行中與輸送介質(zhì)發(fā)生內(nèi)腐蝕。內(nèi)腐蝕是由于天然氣中殘存的水分和H2S、CO2等酸性氣體造成的類(lèi)似原電池的電化學(xué)反應(yīng)和破壞金屬晶格的化學(xué)反應(yīng)。這兩種反應(yīng)都造成管壁疏松、脫落以致穿孔，不能再承受壓力和輸送天然氣。

4、天然氣埋地鋼管的防腐方法

4.1內(nèi)腐蝕防護(hù)

對(duì)于內(nèi)壁的防腐蝕，主要可從以下兩個(gè)方面入手：

（1）凈化天然氣通常在氣源地，從地下開(kāi)采出來(lái)的天然氣先經(jīng)過(guò)脫硫、脫水等一系列工藝，達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，才進(jìn)人長(zhǎng)輸管線(xiàn)。

（2）管道內(nèi)壁涂敷對(duì)管道作內(nèi)壁涂敷可減少腐蝕、輸氣阻力以及每年的清管次數(shù)。目前我國(guó)已開(kāi)發(fā)了鋼管內(nèi)表面環(huán)氧樹(shù)脂靜電粉末噴涂技術(shù)及成套設(shè)備。

其中多以第二種方法為主，涂層是通過(guò)抑制金屬表面產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)防腐，具體來(lái)看，是基于下面三方面的作用：

（1）屏蔽作用：許多涂層對(duì)酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)顯示化學(xué)惰性，且介電常數(shù)高，阻止了腐蝕電路的形成，因此金屬表面涂覆漆膜后，把金屬表面與環(huán)境隔開(kāi)，起到了屏蔽腐蝕介質(zhì)的作用。但必須指出，涂料用高聚物具有一定的透氣性，并與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

（2）鈍化緩釋作用：借助涂料中的防銹顏料與金屬表面反應(yīng)，使其鈍化或生成保護(hù)性的物質(zhì)以提高涂層的保護(hù)作用，另外，許多油料在金屬皂的催化作用下生成降解產(chǎn)物也能起到有機(jī)緩蝕劑的作用。

（3）電化學(xué)保護(hù)作用：涂料中使用電位比鐵較低的金屬為填料（如鋅），會(huì)起到犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)作用，并且鋅的大氣腐蝕產(chǎn)物堿式碳酸鋅比較穩(wěn)定，又起到封閉、堵塞期末空隙的作用。

4.1.1防腐涂層的結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，一種涂層往往不能很好的起到保護(hù)金屬的作用，或不能同時(shí)滿(mǎn)足防腐、耐候、美觀(guān)等使用要求，因此大多在金屬表面涂覆幾種涂層，以組成一個(gè)整體系統(tǒng)共同發(fā)揮功效，這一涂層體系包括底漆，中間層，面漆，每層按需要分別涂刷一至數(shù)次，也有的僅是單層結(jié)構(gòu)就同時(shí)滿(mǎn)足了不同的使用要求，如粉末涂料。

4.1.2防腐涂層的選擇

在選擇防腐層的時(shí)候防腐涂層應(yīng)具備：有效的電絕緣性；有效的隔水屏障性；涂敷于管道的方法不會(huì)對(duì)管道性能產(chǎn)生不利影響；涂敷于管道上的涂層缺陷最少；與管道表面有良好的附著力；能防止針孔隨時(shí)間發(fā)展；能抵抗裝卸、儲(chǔ)存和安裝時(shí)的損傷；能有效地保持絕緣電阻隨時(shí)間恒定不變；抗剝離性能；抗化學(xué)介質(zhì)破壞；補(bǔ)傷容易；物理性能保持能力強(qiáng)；對(duì)環(huán)境無(wú)毒；能防止地面儲(chǔ)存和長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程不發(fā)生變化和降解。

目前國(guó)內(nèi)外適用于長(zhǎng)輸管道的防腐蝕涂層主要有煤焦油瓷漆、PE二層結(jié)構(gòu)、PE三層結(jié)構(gòu)、熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）、雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（雙層FBE）覆蓋層等。

（1）煤焦油瓷漆具有絕緣性能好、吸水率低、耐細(xì)菌腐蝕和植物根莖穿透、國(guó)內(nèi)材料充足及使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低，適宜溫度范圍窄，低溫易變脆，生產(chǎn)施工過(guò)程中可能會(huì)逸出有毒氣體，需要嚴(yán)格的煙霧處理措施。國(guó)外使用已有70多年歷史，近年來(lái)因受環(huán)保的限制逐漸被其他覆蓋層代替。我國(guó)已研制出達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的煤焦油瓷漆產(chǎn)品，分3種型號(hào)，以適應(yīng)不同的溫度需要。

（2）PE兩層結(jié)構(gòu)具有絕緣性能好、吸水率低、機(jī)械強(qiáng)度高、堅(jiān)韌耐磨、耐酸堿鹽和細(xì)菌腐蝕、耐溫度變化、國(guó)內(nèi)材料充足等優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格較低。缺點(diǎn)是耐紫外線(xiàn)性能差，陽(yáng)光下過(guò)久暴露易老化，與鋼管表面結(jié)合力較差，抗陰極剝離性能差。PE層的靜電屏蔽作用不利于外加電流陰極保護(hù)。國(guó)外采用聚乙烯防腐蝕有40多年歷史，目前仍有一定的使用量。其中在中小管徑上的用量占第一位，中等管徑應(yīng)用上僅次于熔結(jié)環(huán)氧粉末。國(guó)內(nèi)1985年后廣泛應(yīng)用，到目前為止油田和各地中小管徑采用此種覆蓋層的防腐蝕管道已超過(guò)上萬(wàn)公里。

（3）PE三層結(jié)構(gòu)防腐蝕層結(jié)合了高密度聚乙烯包覆、熔結(jié)環(huán)氧粉末的優(yōu)點(diǎn)。它利用環(huán)氧粉末與鋼管表面牢固結(jié)合，利用高密度聚乙烯耐機(jī)械損傷，兩層之間特殊的膠層使三者形成分子鍵結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)防蝕性能、機(jī)械性能的良好結(jié)合，是目前我國(guó)大型管道工程首選的涂層。PE三層結(jié)構(gòu)防腐蝕層從1995年在庫(kù)鄯線(xiàn)、陜京線(xiàn)應(yīng)用以來(lái)，防蝕效果很好。

（4）熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）具有與鋼管表面結(jié)合牢固、絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐溫度變化、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可適用于各種惡劣自然環(huán)境。主要缺點(diǎn)是耐紫外線(xiàn)性能差；由于覆蓋層較?。?.35～0.50mm），耐劃傷和磕碰性能較厚覆蓋層要差。國(guó)外從20世紀(jì)60年代開(kāi)始應(yīng)用于管道防腐蝕，發(fā)展很快，是目前國(guó)際管道防腐蝕上采用量最多的覆蓋層。

（5）雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（雙層FBE）與PE三層結(jié)構(gòu)類(lèi)似，具有和PE三層相同的綜合性能，機(jī)械性能尤其高，補(bǔ)口也用雙層FBE，相容性好，覆蓋層表面光滑。另外可避免陰極屏蔽問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)埋地天然氣管道的腐蝕防護(hù)，只單獨(dú)采用涂層外防腐和陰極保護(hù)兩種方法中的任意一種是不行的，因?yàn)槿绻麑?duì)氣管道進(jìn)行陰極保護(hù)不加防腐層或防腐層質(zhì)量較差，這樣做就會(huì)增加耗電量而不經(jīng)濟(jì)；如果只采用防腐層不加陰極保護(hù)，由于防腐層不可能絕對(duì)完好無(wú)損，一旦防腐層上有針孔或破損，就會(huì)形成大陰極、小陽(yáng)極（針孔或破損部分）的腐蝕電池。腐蝕將會(huì)集中在破損或針孔處，其腐蝕速度比裸露管道的腐蝕速度還要大，從而導(dǎo)致管道在較短的時(shí)間內(nèi)穿孔，顯然只采用防腐層而不施加陰極保護(hù)顯然不行的。因此天然氣管道的腐蝕防護(hù)大都采用陰極保護(hù)與防腐層相結(jié)合的方法，這種方法被稱(chēng)為管道的“聯(lián)合保護(hù)”，是當(dāng)今世界上公認(rèn)的管道防腐措施。

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