■ 孟 偉

如何保障“能源血管”的安全
——管道防腐與檢測技術(shù)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(jīng)濟(jì)的方式，擔(dān)負(fù)著海上油氣集輸?shù)闹匾蝿?wù)，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(shè)了第一條海底管道以來，全球各大海域已經(jīng)形成龐大的海底管道網(wǎng)絡(luò)。

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(shè)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(yùn)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(shè)了總長超過6000公里的海底管道。

隨著海底管道鋪設(shè)數(shù)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(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，每1000公里的海底管道每年出現(xiàn)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(dǎo)致原油泄漏，原油日減產(chǎn)40萬桶，導(dǎo)致國際油價(jià)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(chǎn)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(chǎn)，而且會嚴(yán)重污染海洋環(huán)境，這種污染很難在短時(shí)間內(nèi)清除，甚至?xí)掷m(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(yùn)行狀況，成為海上油氣安全生產(chǎn)的重要保障措施。

海底管道腐蝕

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

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

（1）內(nèi)腐蝕

內(nèi)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(nèi)壁。海底管道輸送的介質(zhì)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(nèi)腐蝕的主要原因。有些管道還會輸送緩蝕劑、乙二醇等物質(zhì)。從我國海上油氣田的生產(chǎn)特點(diǎn)來看，二氧化碳是引起海底管道內(nèi)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(dǎo)致點(diǎn)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(gè)點(diǎn)出現(xiàn)腐蝕，將“以點(diǎn)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(guān)。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(diǎn)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(qiáng)

海底管道如何防腐

海底管線一旦鋪設(shè)完工，開始投入生產(chǎn)，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(shè)成本極其高昂。如果發(fā)生腐蝕，不僅維修費(fèi)用驚人，而且油田停產(chǎn)造成的損失也是巨大的。因此，預(yù)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(nèi)防腐技術(shù)

內(nèi)防腐主要用于防止或抑制海管內(nèi)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(fù)合軟管等耐腐蝕材料或碳鋼加緩蝕劑等技術(shù)來控制內(nèi)防腐。海底管道常用316系列不銹鋼。對于已經(jīng)運(yùn)行的管線，則通過加注緩蝕劑來控制內(nèi)部腐蝕。緩蝕劑是一種可以防止或減緩腐蝕的化學(xué)物質(zhì)，需要根據(jù)管道內(nèi)不同輸送介質(zhì)進(jìn)行配置。添加緩蝕劑等化學(xué)防腐劑是目前最主要的海底管道內(nèi)防腐技術(shù)。

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

——環(huán)氧粉末內(nèi)涂層噴涂技術(shù)。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(hù)，降低運(yùn)行費(fèi)用。環(huán)氧粉末耐腐蝕和耐化學(xué)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(nèi)噴涂技術(shù)。液態(tài)環(huán)氧涂料以環(huán)氧樹脂為主要成膜物質(zhì)，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(jié)力大，機(jī)械強(qiáng)度高，涂敷時(shí)固化速度快，涂層密實(shí)，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(qiáng)，有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性，電絕緣性能和物理力學(xué)性能好

——管道內(nèi)防腐層補(bǔ)口技術(shù)。管道補(bǔ)口處是管道焊縫的熱影響區(qū)、管道內(nèi)壁腐蝕的敏感區(qū)。目前常用的管道內(nèi)防腐補(bǔ)扣技術(shù)有內(nèi)涂層補(bǔ)口機(jī)補(bǔ)口技術(shù)、內(nèi)襯短管補(bǔ)口技術(shù)、機(jī)械壓接內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)等。

管道內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)的成熟及施工質(zhì)量直接關(guān)系到內(nèi)防腐層保護(hù)的整體效果

（2）外防腐技術(shù)

在選擇海底管道外防腐層時(shí)，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(yīng)考慮管道服役時(shí)間。

①熔結(jié)環(huán)氧粉末外防腐層技術(shù)。熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料是一種以空氣為載體進(jìn)行輸送和分散的固體涂料，將其施涂于經(jīng)預(yù)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(fù)合結(jié)構(gòu))外防腐層技術(shù)。3LPE外防腐層是目前海底管道應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(nèi)襯具有穩(wěn)定化學(xué)性能的防腐材料的復(fù)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(dòng)噴槍噴涂制作

④外防腐補(bǔ)口防腐技術(shù)。節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口是油氣管道防腐最薄弱的環(huán)節(jié)之一，補(bǔ)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(diǎn)涂層已經(jīng)成為國內(nèi)外普遍采用的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口涂層結(jié)構(gòu)。

（3）陰極保護(hù)

陰極保護(hù)的基本原理是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩狀態(tài)，使金屬各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)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(shí)現(xiàn)這一目的，即外加保護(hù)電流和犧牲陽極。

①外加保護(hù)電流。根據(jù)管道涂層破損率來設(shè)計(jì)計(jì)算外加電流大小。管道運(yùn)行初期，涂層破損率小，所需保護(hù)電流密度也很小，隨著時(shí)間的延長，涂層破損逐漸增大，所需保護(hù)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(cè)連接一種更容易失去電子的金屬或合金。當(dāng)發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，更容易被腐蝕的是管道外的金屬，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)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(jià)較低。目前，海底管道均采用犧牲陽極保護(hù)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?？ü炕蚝附釉阡摴苌?，要求陽極腐蝕產(chǎn)物容易脫落，表面腐蝕均勻

防腐檢測技術(shù)

為了保證海洋油氣順利產(chǎn)出，需要定期檢驗(yàn)海底管道，既可以防止管道腐蝕，又可以保證管道安全運(yùn)行，延長管道使用壽命。

（1）根據(jù)檢測的時(shí)間分類

按照不同的檢測時(shí)間可以分為投產(chǎn)前檢測、定期檢測和特殊檢測。

①新建海底管道的投產(chǎn)前檢測，可檢測出可能存在的原始缺陷，保證管道工程建設(shè)質(zhì)量。

②定期檢測是在海底管道運(yùn)行期間，每隔2～4年對管道進(jìn)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(yùn)行期間發(fā)生地震，大風(fēng)暴或遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷后進(jìn)行的檢測。

（2）根據(jù)檢測部位分類

根據(jù)檢測位置不同，可分為內(nèi)部檢測和外部檢測兩種。

① 海底管道內(nèi)部檢測

內(nèi)部檢測主要包含海底管道清管和內(nèi)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(nèi)壁。管道清理順序?yàn)椋号菽骞芮颉⒆拥那骞芮?、帶刷子的鋼質(zhì)清管球和測量清管球等。檢測前清管，可將附著在管內(nèi)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(shí)數(shù)據(jù)。

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(yīng)用最廣泛的內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)，但檢測費(fèi)用較高，國內(nèi)檢測技術(shù)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(xiàn)象。國際上90%的管道內(nèi)檢測均采用這一技術(shù)。超聲波檢測器利用超聲波從管子內(nèi)外表面之間反射波的時(shí)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(nèi)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(cè)掃聲吶系統(tǒng)、磁力探測等方法進(jìn)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(yuǎn)程操作潛水器）進(jìn)行水下作業(yè)。

工程師潛水檢測

ROV的工作水深更深，能應(yīng)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(shí)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(shù)。

新型檢測技術(shù)

（1）Magna水下檢測系統(tǒng)

它是一個(gè)部署有ROV的自行檢測工具，利用電磁聲換能器或EMATs，實(shí)現(xiàn)了在深度達(dá)1萬英尺的水下從外部檢測管道。該系統(tǒng)能夠?qū)艿肋M(jìn)行360°檢查，提供金屬結(jié)構(gòu)管壁狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

Magna水下檢測系統(tǒng)

（2）DiscoveryTM海管監(jiān)測工具

該技術(shù)可以用于診斷管線壁厚變化，可以準(zhǔn)確診斷管線內(nèi)充填物是水合物、結(jié)蠟、瀝青質(zhì)還是結(jié)垢，該技術(shù)已經(jīng)在墨西哥灣深水項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

DiscoveryTM海管監(jiān)測工具

新型防腐技術(shù)

（1）新型不銹鋼管材

使用耐腐蝕材質(zhì)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(zhì)主要有B10/B30、HDR雙相不銹鋼、304或31 6不銹鋼等。

（2）補(bǔ)口防腐新技術(shù)

①高密度開孔聚氨酯補(bǔ)口新技術(shù)。高密度開孔聚氨酯泡沫層材料無污染、強(qiáng)度高、密度小、保溫性好，在技術(shù)性能以及適用性、經(jīng)濟(jì)性等方面均比傳統(tǒng)的瀝青瑪蹄脂補(bǔ)扣技術(shù)具有優(yōu)勢。

現(xiàn)場使用方便、操作簡單、施工成本較低

②F BE+改性/復(fù)合聚烯烴節(jié)點(diǎn)防腐涂層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)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(hù)層，CMP和FBE屬化學(xué)和機(jī)械粘結(jié)，不會分離，傳統(tǒng)的三層PE有所進(jìn)步，其性能與FBE相似。防腐性能優(yōu)異、現(xiàn)場施工性良好、與主體涂層兼容性更佳。

③高性能復(fù)合涂層外防腐技術(shù)。高性能復(fù)合涂層（HPCC）由FBE層、粘結(jié)層和聚乙烯層組成，結(jié)構(gòu)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(kuò)大，未來不僅會有越來越多的海底管道投入運(yùn)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(xiǎn)。海底管道的安全直接關(guān)系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定，一旦泄漏，不僅維修費(fèi)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(shù)和新裝備，保證海底管道安全穩(wěn)定運(yùn)行，已成為海洋石油行業(yè)的一項(xiàng)重要課題。