朱林超，張仁坤，顧佳鵬

(浙江海洋大學(xué) 石化與能源工程學(xué)院，浙江 舟山 316000)

目前，我國已是僅次于美國的第二大石油消費(fèi)國，能源需求巨大，而且我國也是石油凈口國，對(duì)外依賴程度大?？紤]到國家石油安全戰(zhàn)略儲(chǔ)備和穩(wěn)定石油市場(chǎng)需要，我國在遼寧大連、山東黃島、浙江鎮(zhèn)海和浙江舟山等地建造大型國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫，可見，選址地區(qū)都分布于沿海地區(qū)。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，油庫眾多，沿海埋地輸油管道也得到迅速發(fā)展。由于輸油管道多鋪設(shè)于地下，且土壤多呈鹽堿性，其組成和性能不均勻，除了受到管道內(nèi)油品的腐蝕，埋在土壤中的金屬輸油管道還因外部環(huán)境影響極易發(fā)生腐蝕穿孔，引發(fā)油品泄漏事故，這可能會(huì)給油品運(yùn)輸帶來中斷、泄漏問題，造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)污染環(huán)境，更嚴(yán)重是油品泄漏后存在燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)?？梢姡淮屋斢凸艿佬孤┦鹿释鶗?huì)給生產(chǎn)帶來巨大的損失和危害。為使埋地輸油管道安全運(yùn)行，探討埋地輸油管道長期有效的防腐措施是十分必要的。

1 沿海環(huán)境

在我國東部沿海地區(qū)，氣候大多有高溫、高濕的特點(diǎn)，南部沿海地區(qū)每年炎熱季節(jié)日平均氣溫到 30 ℃的天數(shù)可達(dá)100天以上， 雨季平均濕度可達(dá) 85 %左右。在近海地區(qū)，海水入侵使沿海地區(qū)土壤中的可溶性鹽含量相比內(nèi)陸高出許多，主要的可溶性鹽有氯化鹽、硫酸鹽和鎂離子等，而土壤中的可溶性鹽能加快埋地輸油管道受到的化學(xué)、電化學(xué)腐蝕作用。含有海水成分的土壤是具有很大腐蝕性的天然電解質(zhì) ，特別是對(duì)金屬物質(zhì)，促進(jìn)其電化學(xué)反應(yīng)非常有利。同時(shí)，沿海地區(qū)氣候濕潤，降水多，土壤含水量高，進(jìn)一步提高了土壤中可溶性鹽濃度，使土壤導(dǎo)電率增大，沿海地區(qū)含有海水成分的潮濕土壤的導(dǎo)電率遠(yuǎn)比內(nèi)陸地區(qū)土壤導(dǎo)電率要高，這使得土壤腐蝕性大大增強(qiáng)，此外含水量高低隨時(shí)間的變化也會(huì)使土壤腐蝕性加強(qiáng)。

2 腐蝕類型與機(jī)理

埋地金屬管道發(fā)生腐蝕按其部位的不同可分為內(nèi)壁腐蝕和外壁腐蝕。內(nèi)腐蝕是指管道內(nèi)輸送油品中可能含有的硫、水等雜質(zhì)對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕影響；而外壁腐蝕主要的影響因素是土壤環(huán)境，土壤中含有的水、氧氣、可溶性鹽、微生物，都對(duì)金屬管道有一定的腐蝕作用，使埋地管道發(fā)生各種化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

2.1 土壤腐蝕

埋地管道深埋地下，腐蝕的外部因素主要是土壤環(huán)境，土壤是一個(gè)由氣、液、固三相物質(zhì)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，作為腐蝕過程中的電解質(zhì)主要特征包括多相性、不均勻性、酸堿性。因此，研究土壤對(duì)埋地輸油管道的腐蝕規(guī)律，已是管道防腐科學(xué)領(lǐng)域研究中一個(gè)重要課題。

2.1.1 土壤腐蝕的電化學(xué)過程

埋地金屬管道與土壤形成雙電層，產(chǎn)生電位差，即管道在土壤中的電極電位。由于土壤在不同位置理化性質(zhì)的不同，埋地管道的不同部位，電極電位是不相等的，兩個(gè)不同電極電位系統(tǒng)之間就形成腐蝕電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

(1)陽極過程

鋼鐵是管道的主要材質(zhì)，在一般弱酸性、中性和堿性土壤中腐蝕的陽極過程如下：

Fe+nH2O →Fe2++nH2O+2e-

鐵在潮濕土壤中的腐蝕與在溶液中腐蝕時(shí)類似，腐蝕過程主要由陰極過程所控制。在透氣性好的土壤中，陽極過程的進(jìn)行方式接近于鐵在中性電解液的陽極行為。像在大多數(shù)中性電解液中一樣，鐵在電化學(xué)腐蝕過程中以兩價(jià)鐵離子進(jìn)入土壤電解質(zhì)，并與OH-、O2發(fā)生一系列次生反應(yīng)最終生成Fe2O3，只有在酸性較強(qiáng)的土壤中，才有一定數(shù)量的鐵成為兩價(jià)和三價(jià)離子，以離子狀態(tài)存在。

(2)陰極過程

在弱酸性、中性和堿性土壤中，陰極反應(yīng)主要是氧的去極化作用。陰極過程是：

O2+2H2O+4e-→40H-

氧的去極化過程包括兩個(gè)步驟:①氧向陰極的遷移；②氧的離子化反應(yīng)。由于土壤腐蝕的復(fù)雜條件，使腐蝕過程的控制因素差別也較大。埋地管道在土壤中電化學(xué)腐蝕中，陰極過程是主要控制步驟。氧在土壤中的擴(kuò)散速度取決于管道的埋深程度、松緊程度、土壤結(jié)構(gòu)、濕度等因素。

2.1.2 土壤腐蝕影響因素

(1)土壤含水量

含水量影響土壤的導(dǎo)電率和含氧量。沿海地區(qū)降水豐富，土壤含水量高，會(huì)使土壤中可溶性鹽濃度提高，土壤電阻減小，腐蝕加劇。當(dāng)然，土壤含水量也不是一直固定不變的，受季節(jié)降水影響，含水量也會(huì)發(fā)生變化，而含水量的變化會(huì)使土壤腐蝕性加強(qiáng)，可見土壤腐蝕對(duì)埋地輸油管道的影響是復(fù)雜的，也是非常重要的。

(2)土壤鹽分

(3)土壤導(dǎo)電性

土壤的導(dǎo)電性受土質(zhì)、含水量、可溶性鹽分濃度等因素的影響。在水分容易滲透流失的砂土中，土壤導(dǎo)電性差，腐蝕性??；而在水分不容易流失的黏土中，鹽分溶解得多，因此土壤導(dǎo)電性好，腐蝕性強(qiáng)，人們通常用土壤的導(dǎo)電性來衡量土壤的腐蝕性。沿海地區(qū)土壤鹽分含量高，且含有的水會(huì)提高土壤中可溶性鹽濃度，電阻率小而使得土壤腐蝕性強(qiáng)。

(4)土壤含氧量

氧可以通過顆粒間空隙滲透進(jìn)入土壤，或者由于水中的溶解氧隨水一起滲入地下，存在于土壤中。氧對(duì)土壤腐蝕影響很大，除了在少數(shù)強(qiáng)酸性土壤中，金屬腐蝕的陰極過程是氫去極化，在絕大多數(shù)的土壤中，氧為陰極去極化劑，反應(yīng)過程如下:

O2+2H2O+4e-→4OH-

不同結(jié)構(gòu)土壤的透氣性不同，在透氣性好的土壤中氧含量高，金屬腐蝕加快，但埋地輸油管道沿經(jīng)土壤可能既存在土壤密實(shí)段也存在土壤疏松段，造成土壤含氧量差異，這樣一來，使管道形成氧濃差電池，土壤中含氧量高的地段管線成為陽極，受到強(qiáng)烈的腐蝕。

(5)雜散電流

雜散電流是指由正常電路漏失的電流。主要可能的來源包括電氣化鐵道、有軌電車、電化學(xué)保護(hù)裝置等，埋設(shè)于地下的輸油管道在雜散電流影響下發(fā)生雜散電流腐蝕。雜散電流腐蝕可導(dǎo)致地下管道發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕破壞作用。其腐蝕量與雜散電流的強(qiáng)度成正比，且服從法拉第電解規(guī)律。在土壤中發(fā)生雜散電流的強(qiáng)度有時(shí)非常大，對(duì)于壁厚為7～8 mm的鋼管，4～5個(gè)月即可發(fā)生腐蝕穿孔。由此可見，雜散電流引起的腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的。

(6)微生物腐蝕

土壤中有各類微生物、細(xì)菌，土壤腐蝕中常見的與腐蝕有關(guān)的是硫桿菌屬的細(xì)菌，包括氧化硫桿菌，排硫桿菌等，且都屬好氧性細(xì)菌。這些微生物能將硫酸鹽中的元素硫轉(zhuǎn)化成硫酸、硫化氫等酸性物質(zhì)，對(duì)埋地管道造成嚴(yán)重腐蝕。微生物的催化作用能加速管道腐蝕，改變管道周圍的環(huán)境條件，如氧濃度、鹽濃度、pH值，破壞管道表面保護(hù)性覆蓋層的穩(wěn)定性等。

2.2 內(nèi)腐蝕

埋地輸油管道內(nèi)輸送的介質(zhì)無疑是各類油品，包括汽油、柴油、原油等。油品中可能的硫、水等化學(xué)物質(zhì)，都會(huì)對(duì)管道腐蝕產(chǎn)生影響，在油品介質(zhì)的長期作用下，使得其出現(xiàn)一定程度的腐蝕，從而影響埋地輸油管道運(yùn)行的可靠性。

3 埋地管道的防腐措施

根據(jù)埋地管道內(nèi)部與外部環(huán)境因素，外部要防止土壤環(huán)境的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，內(nèi)部要做好其儲(chǔ)存及輸送介質(zhì)的防腐工作。

3.1 內(nèi)部防腐措施

內(nèi)部防腐主要是針對(duì)管道中所輸送的油品介質(zhì)而言，在實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)輸中，可以根據(jù)輸送介質(zhì)的腐蝕程度選擇合適的金屬材質(zhì)管道來進(jìn)行運(yùn)輸，對(duì)管道進(jìn)行除銹、清垢、噴砂等表面處理后，涂襯涂層或薄膜材料，使管內(nèi)形成內(nèi)防腐層。此外，還可以對(duì)輸送介質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，如降低油品含水率、加入減緩金屬腐蝕的化學(xué)劑等，以減少油品對(duì)管道內(nèi)壁的腐蝕作用。

3.2 外部防腐措施。

(1)涂層保護(hù)

在管道表面加保護(hù)涂層保護(hù)，使管道表面與土壤環(huán)境隔離，以阻礙金屬管道表面微電池腐蝕。地下金屬構(gòu)件上施加的涂層，通常是有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)做成的。目前管道外涂層用得比較普遍的是煤焦油瀝青、環(huán)氧樹脂涂料和聚氨酸泡沫塑料等材料。

(2)電化學(xué)保護(hù)

埋地輸油管道受到的腐蝕作用中，電化學(xué)腐蝕的危害相當(dāng)大，且腐蝕率高，采用電化學(xué)保護(hù)方法，做到遺失電子的補(bǔ)充，能有效避免輸油管道被腐蝕。陰極保護(hù)法利用外加電流或犧牲陽極法對(duì)金屬施加外加陰極電流來減小或防止金屬腐蝕。

(3)聯(lián)合保護(hù)

涂層法與電化學(xué)保護(hù)法的聯(lián)合使用，是一種相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效的方法，可大大延長管線壽命。這樣不僅可以彌補(bǔ)保護(hù)涂層的針孔或破損缺陷造成的保護(hù)不完整，而且可以避免單獨(dú)使用陰極保護(hù)時(shí)高電能的消耗。目前為止，金屬管線的土壤腐蝕防護(hù)普遍采用涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合防腐措施。

4 結(jié)語

為了滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，我國對(duì)于能源的需求程度更為增加，輸油管道規(guī)模化建設(shè)，而油品管道輸送的可靠性也逐漸被社會(huì)所關(guān)注。管道腐蝕無法避免，對(duì)埋地輸油管道的防腐蝕保護(hù)，雖然前期投入各類防腐措施資金成本較高，但可以大幅度提高被保護(hù)管道的運(yùn)行壽命，避免污染環(huán)境，降低因腐蝕穿孔而導(dǎo)致油品泄漏帶來更大風(fēng)險(xiǎn)的可能。因此，從長遠(yuǎn)角度來看，提前做好管道的防腐工作其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益十分顯著，對(duì)確保管道安全輸油，降低生產(chǎn)成本，保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。