海底管道腐蚀分析与防护研究

海底管道腐蚀分析与防护研究

摘要:对油气集输管道在海洋环境中存在的内、外腐蚀的机理及其影响因素进行了分析,在此基础上对海洋环境中油气集输管道的用材、防腐涂层的使用以及目前腐蚀防护措施存在的问题进行了探讨。

关键词:油气管道;海洋;腐蚀;防护

前言

1958年,我国建成克拉玛依至独山子的输油管道,拉开了管道建设的序幕。此后,全国各地相继建成了数万公里的陆上原油管道和干线输气管道、数千公里的成品油管道及海底油气输送管道,形成了一个庞大的管道运输网。目前,我国石油、天然气资源的输送主要依靠管道来实现,管材一般为钢制螺旋焊管。由于管道穿越的地段地形复杂,所处环境不仅在空间上不同,而且还会随时间的变化遭受各种介质的侵蚀。架空管道易受大气腐蚀,土壤或水中的管道则要遭受土壤腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀。

近10年来,这些管道的泄漏事故中有28%是由于腐蚀穿孔造成的。管道的腐蚀不仅会造成因穿孔而引起的油、气跑漏损失以及由于维修所带来的材料和人力的浪费,而且还可能因腐蚀穿孔引起火灾。近几十年来,随着我国海上油(气)田的不断开发和海洋石油工业的发展,海上采油平台、浮式生产设施(FPSO)及海底管道也在不断增加。海底输油(气)管道已成为海上油(气)田开发生产系统的主要组成部分,成为连续输送大量油(气)最快捷、最安全和经济可靠的运输方式,是广泛应用于海洋石油工业的一种有效运输手段。通过海底管道不仅能把海上油(气)田的生产集输和储运系统联系起来,而且可以使海上油(气)田和陆上石油工业系统联系起来。但是,这些大规模的海底油气运输管道,必然会受到海洋环境的腐蚀侵害。因此,研究油气集输管道在海洋及滩涂环境中的腐蚀行为与防护技术,对采取有效的防腐措施,预防开发设施遭受意外破坏,具有十分重要的现实意义。

1 海洋环境对油气集输管道的腐蚀及其影响因素

1.1 外环境腐蚀类型及影响因素

1.1.1 腐蚀类型

(1)电偶腐蚀海水是一种极好的电解质,电阻率较小。因此,在海水中不仅有微观腐蚀电池的作用,还有宏观腐蚀电池的作用。在海水中由于2种金属接触引起的电偶腐蚀有重要破坏作用。大多数金属或合金在海水中的电极电位不是一个恒定的数值,而是随着水中溶解氧含量、海水的流速、温度以及金属的结构与表面状态等多种因素的变化而变化。在海水中,不同金属之间的接触,将导致电位较低的金属腐蚀加速,而电位较高的金属腐蚀速度将降低。海水的流动速度和阴、阳极电极面积的大小都是影响电偶腐蚀的因素。

(2)缝隙腐蚀管道金属部件在电解质溶液中,由于金属与金属或金属与非金属之间形成的缝隙,其宽度足以使介质进入缝隙而又处于停滞状态。若缝隙内滞留的海水中的氧为弥合钝化膜中的新裂口而消耗的速度大于新鲜氧从外面扩散进去的速度,则在缝隙下面就有发生快速腐蚀之趋势。腐蚀的驱动力来自氧浓差电池,缝隙外侧与含氧海水接触的面积起阴极作用。因为缝隙下阳极的面积很小,故电流密度或局部腐蚀速率可能是极高的。这种电池一旦形成就很难加以控制。缝隙腐蚀通常在全浸条件下或者在飞溅区最严重。在海洋大气中也发现有缝隙腐蚀。凡属需要充足的氧气不断弥合氧化膜的破裂从而保持钝性的那些金属,在海

水中都有对缝隙腐蚀敏感的倾向。

(3)点蚀海水环境中大量Cl- 的存在可能会对管道金属表面形成点蚀。

(4) 冲击腐蚀在涡流清况下,常有空气泡卷入海水中,夹带气泡且快速流动的海水冲击金属表面时,保护膜可能被破坏,金属便可能产生局部腐蚀。

(5)空泡腐蚀在海水温度下,如果周围的压力低于海水的蒸汽压,海水就会沸腾,产生蒸汽泡。这些蒸汽泡破裂,反复冲击金属表面,使其受到局部破坏。金属碎片掉落后,新的活化金属便暴露在腐蚀性的海水中,所以海水中的空泡腐蚀造成的金属损失既有机械损伤又有海水腐蚀。

1.1.2 影响因素

海水腐蚀是金属在海水环境中遭受腐蚀而失效破坏的现象。海水是丰富的天然电解质,海水中几乎含有地球上所有化学元素的化合物,成分非常复杂。除了含有大量盐类外,海水中还含有溶解氧、海洋生物和腐败的有机物,这些都为发生腐蚀创造了良好的条件。此外,海水的温度、流速以及pH值等因素都对海水腐蚀有很大的影响。

(1)含盐量海水区别于其他腐蚀环境的一个显著特征是含盐量大。世界性的大洋中,水的成分和含盐量是相对恒定的,而内海的含盐量区别较大,因地区条件的不同而异。水中含盐量直接影响到水的导电率和含氧量,因此必然对腐蚀产生影响。随着水中含氧量的增加,水的导电率增加而含氧量降低,所以在某一含氧量时将存在一个腐蚀速度的最大值,而海水的含盐量刚好接近腐蚀速度最大值所对应的含盐量。

(2)溶解氧海水中的溶解氧是海水腐蚀的重要因素,因为绝大多数金属在海水中的腐蚀受氧去极化作用控制。海水表面始终与大气接触,而且接触面积非常大,海水还不断受到波浪的搅拌作用并有剧烈的自然对流,所以,通常海水中含氧量较高。可以认为,海水的表层已被氧饱和。随着海水中盐浓度的增大和温度的升高,海水中溶解的氧量将下降。自海平面至海平面以下80m,含氧量逐渐减少并达到最低值。这是因为海洋动物要消耗氧气,从海水上层下降的动物尸体发生分解时也要消耗氧气。然而,通过对流形式补充的氧不足以抵消消耗了的氧,所以出现了缺氧层。从海平面以下80m至海平面以下100m,溶解氧量又开始上升,并接近海水表层的氧浓度。这是深海海水温度较低、压力较高的缘故。

(3)温度海水温度随纬度、季节和海水深度的不同而发生变化。愈靠近赤道(即纬度愈小),海水的温度越高,金属腐蚀速率愈大。而海水越深、温度越低,则腐蚀速度愈小。海水温度每升高10e,化学反应速度提高大约14%,海水中的金属腐蚀速率将增大1倍。但是,温度升高后氧在海水中的溶解度下降,温度每升高10e,氧的溶解度约降低20%,可使金属腐蚀速率减小。此外,温度变化还给海水的生物活性和石灰质水垢沉积层带来影响。由于温度的季节性变化,铁、铜及其多种合金在炎热的季节里腐蚀速度较大。

(4)pH值海水的pH值在7.2~8.6,接近中性。海水深度增加,pH值逐渐降低。海水的pH值因光合作用而稍有变化。白天,植物消耗CO2,影响pH值。海面处,海水中的CO2同大气中的CO2互换,从而改变CO2含量。海水pH值远没有含氧量对腐蚀速度的影响大。海水中的pH值主要影响钙质水垢沉积,从而影响到海水的腐蚀性。尽管海水pH值随海水深度的增加而减小,但由于表层海水含氧量高,所以表层海水对钢的腐蚀性大。

(5)流速许多金属发生腐蚀时与海水流速有着较大关系,尤其是铁、铜等常用金属存在一个临界流速,超过此流速时金属腐蚀明显加快,促使溶解氧扩散到