天然气长输管道的腐蚀与防护措施
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【摘要】天然气使用量的急剧增加，而管网设施是天然气发展的基本条件之一，也是国家现代化的重要标志，特别是城市燃气管网设施的建设，它是一个城市生存和发展的必要保障和国家重要的基础设施。
天然气管道从天然气供应场所到其使用地方，经过各种各样复杂的地形，管道所处环境千变万化，且天然气中往往含有硫化氢、二氧化碳等酸性气体，它们对天然气管道造成腐蚀威胁，影响天然气管道的平安运行，因此天然气管道在运营中必须实施防腐蚀保护。
【关键词】天然气管道；腐蚀；防护
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
随着我国国民经济较快发展，改善能源结构日趋迫切，加上环保要求和环保意识的增强，从而对天然气的需求有较快增长，天然气的地位、生产和贸易随之上升。国际能源署（IEA）发布年度中期天然气市场报告预计，到2019年，我国天然气需求将增至3150亿立方米。今年官方预计到2020年天然气年消耗4200亿立方米。而天然气的输送主要由天然气管道完成。各大长输管网均承担着保障国家能源供给安全战略顺利实施的重大责任和使命。
输气管网设施大力建设并迅速发展，成为了城市生存和发展的必要保障和国家重要的基础设施。2007年已完成基本骨干管道（约4000km）的西气东输工程，配套建设支干线和区域性管道11000～17000km，形成基本覆盖长江三角洲地区及华东、华北、中部地区的天然气管网。预计到2020年，中国天然气管道将达15万公里，年均增长超过1万公里。
目前输气管道多为钢管，埋地敷设。实验表明，埋地钢管若不加防腐，一年即可能腐蚀穿孔，而若采取合理的防腐措施，使用寿命可达25年以上。天然气管道输送介质中往往含有H2S、CO2等酸性腐蚀介质对管壁腐蚀，造成天然气井套的断裂、集输管线爆破等故障。国内外腐蚀造成的案例很多，1970至1984年，美国输气干线发生的事故中，内腐蚀造成的事故占4.5%；1980至1990年，俄罗斯输气干线共发生事故725次，内腐蚀事故占7%。四川的威远-成都输气干线在1968至1997的30年间的就发生过管道事故110余起，其中内腐蚀事故约占总数的77%。1980年以后，通过加注缓释剂、加强清管等措施较有效控制了管道的内腐蚀，管道事故率有所下降，但20世纪90年代川渝地区输气管道的平均事故率仍达到了2.3次/1000km.a，远远高于发达国家的平均水平。因此对天然气管道进行防腐蚀保护很有必要的。
进入长输管网的天然气既有不同国家的管输天然气、液化天然气，又有国产的气田气、油田伴生气、煤层气、页岩气和煤制气等。不同气源间可能存在的不同气质会对天然气的贸易交接和安全生产造成影响。管道的安全输送及天然气的准确计量都对进入管道，尤其是长输管道的天然气气质提出要求。
2、气质情况概述
现阶段我国进入长输管道中的管输天然气按照来源可以分为常规天然气（气田气、油田伴生气等）、页岩气、煤层气以及煤制气等。
2.1常规天然气
典型常规天然气气质组成范围
上表是我国典型的常规天然气气质组成范围。由表可以看到，常规天然气通常含有十多个组分，管输天然气大多满足GB17820-2012标准的二类气以上质量要求。另外，天然气的输送管道是基于表中的常规天然气气质进行安全设计的，在多年的实际运行中也未见异常。所以，常规天然气在进入长输管道时，不会对天然气的贸易交接计量和安全生产产生影响。
2.2对管道安全输送产生影响的因素
进入长输管道气质要满足GB17820-2012的要求，保证多气源（常规天然气、页岩气、煤层气、煤制气等）进入管道后，长输管道能安全运行。另外还需进一步讨论可能对管道安全输送产生影响的因素。
2.2.1 总硫
进入管道的总硫指标直接关系到天然气燃烧后形成的SO2排放量，GB17820-2012中的总硫含量在确定时，已充分考虑天然气燃烧后排放的环保要求。进入长输管道气质总硫指标的确定可以参照GB17820-2012指标执行。
2.2.2 H2S
H2S作为酸性气体，是对管道运行产生腐蚀的主要气体。硫化氢溶于水后，首先吸附于铁表面，Fe经过一系列阴离子吸附和脱附、阳极氧化反应、水解等过程，生成Fe2+或者FeS，导致铁腐蚀。
2.2.3 CO2
CO2在管输过程中主要是电化学腐蚀。天然气管道输送的介质中含有CO2溶于水，生成酸，碳钢在酸中发生电化学反应腐蚀，在阳极区铁被氧化为Fe2+离子，所放出的电子自阳极（Fe）流至钢中的阴极（Fe3C）上被H+吸收而被还原成氢气，即
其电极反应为：CO2+H2O→H2CO3 H2CO3+Fe→FeCO3+H2↑
阳极氧化反应：Fe→Fe2++2e
阴极还原反应：H2CO3→H++HCO3- 2H+2e→H2↑
从原理上说，在CO2的腐蚀反应中，第一步需要CO2与水形成碳酸，然后形成原电池，进而发生管道的腐蚀。而天然气中保证了极低水含量的管道输送条件，这就是为什么在CO2体积分数为2%甚至以上的情况下，管道也能安全运行的原因之一。所以，进入长输管道的气体中CO2含量的确定应该同时考虑CO2腐蚀对管道产生腐蚀的阈值以及管道的运行条件，并综合长期以来长输管道的运行经验来确定。
2.2.4 CO
常规天然气是在地层中经长期的高温高压形成的，即使存在CO，在漫长的地质年代下也已转化成了CO2。所以，常规天然气甚至包括页岩气和煤层气等均不含CO。
2.2.5 H2
H2是最可能影响长输管道的组分，常量的H2在长输管道的钢材中可能形成氢脆和氢鼓泡等，对管输产生影响。对于常规天然气来说，H2的体积分数为0.1%甚至更低，以至于完全不含H2。
3、天然气管道的腐蚀
输气管道在运行中与输送介质发生内腐蚀。内腐蚀是由于天然气中残存的水分和H2S、CO2等酸性气体造成的类似原电池的电化学反应和破坏金属晶格的化学反应。这两种反应都造成管壁疏松、脱落以致穿孔，不能再承受压力和输送天然气。
4、天然气埋地钢管的防腐方法
4.1内腐蚀防护
对于内壁的防腐蚀，主要可从以下两个方面入手：
（1）净化天然气通常在气源地，从地下开采出来的天然气先经过脱硫、脱水等一系列工艺，达到国家相关标准，才进人长输管线。
（2）管道内壁涂敷对管道作内壁涂敷可减少腐蚀、输气阻力以及每年的清管次数。目前我国已开发了钢管内表面环氧树脂静电粉末喷涂技术及成套设备。
其中多以第二种方法为主，涂层是通过抑制金属表面产生电化学反应或化学反应而实现防腐，具体来看，是基于下面三方面的作用：
（1）屏蔽作用：许多涂层对酸、碱、盐等腐蚀介质显示化学惰性，且介电常数高，阻止了腐蚀电路的形成，因此金属表面涂覆漆膜后，把金属表面与环境隔开，起到了屏蔽腐蚀介质的作用。但必须指出，涂料用高聚物具有一定的透气性，并与其结构密切相关。
（2）钝化缓释作用：借助涂料中的防锈颜料与金属表面反应，使其钝化或生成保护性的物质以提高涂层的保护作用，另外，许多油料在金属皂的催化作用下生成降解产物也能起到有机缓蚀剂的作用。
（3）电化学保护作用：涂料中使用电位比铁较低的金属为填料（如锌），会起到牺牲阳极的阴极保护作用，并且锌的大气腐蚀产物碱式碳酸锌比较稳定，又起到封闭、堵塞期末空隙的作用。
4.1.1防腐涂层的结构
在实际应用中，一种涂层往往不能很好的起到保护金属的作用，或不能同时满足防腐、耐候、美观等使用要求，因此大多在金属表面涂覆几种涂层，以组成一个整体系统共同发挥功效，这一涂层体系包括底漆，中间层，面漆，每层按需要分别涂刷一至数次，也有的仅是单层结构就同时满足了不同的使用要求，如粉末涂料。
4.1.2防腐涂层的选择
在选择防腐层的时候防腐涂层应具备：有效的电绝缘性；有效的隔水屏障性；涂敷于管道的方法不会对管道性能产生不利影响；涂敷于管道上的涂层缺陷最少；与管道表面有良好的附着力；能防止针孔随时间发展；能抵抗装卸、储存和安装时的损伤；能有效地保持绝缘电阻随时间恒定不变；抗剥离性能；抗化学介质破坏；补伤容易；物理性能保持能力强；对环境无毒；能防止地面储存和长距离运输过程不发生变化和降解。
目前国内外适用于长输管道的防腐蚀涂层主要有煤焦油瓷漆、PE二层结构、PE三层结构、熔结环氧粉末（FBE）、双层熔结环氧粉末（双层FBE）覆盖层等。
（1）煤焦油瓷漆具有绝缘性能好、吸水率低、耐细菌腐蚀和植物根茎穿透、国内材料充足及使用寿命长、价格低等优点。主要缺点是机械强度较低，适宜温度范围窄，低温易变脆，生产施工过程中可能会逸出有毒气体，需要严格的烟雾处理措施。国外使用已有70多年历史，近年来因受环保的限制逐渐被其他覆盖层代替。我国已研制出达到国际标准的煤焦油瓷漆产品，分3种型号，以适应不同的温度需要。
（2）PE两层结构具有绝缘性能好、吸水率低、机械强度高、坚韧耐磨、耐酸碱盐和细菌腐蚀、耐温度变化、国内材料充足等优点，价格较低。缺点是耐紫外线性能差，阳光下过久暴露易老化，与钢管表面结合力较差，抗阴极剥离性能差。PE层的静电屏蔽作用不利于外加电流阴极保护。国外采用聚乙烯防腐蚀有40多年历史，目前仍有一定的使用量。其中在中小管径上的用量占第一位，中等管径应用上仅次于熔结环氧粉末。国内1985年后广泛应用，到目前为止油田和各地中小管径采用此种覆盖层的防腐蚀管道已超过上万公里。
（3）PE三层结构防腐蚀层结合了高密度聚乙烯包覆、熔结环氧粉末的优点。它利用环氧粉末与钢管表面牢固结合，利用高密度聚乙烯耐机械损伤，两层之间特殊的胶层使三者形成分子键结合的复合结构，实现防蚀性能、机械性能的良好结合，是目前我国大型管道工程首选的涂层。PE三层结构防腐蚀层从1995年在库鄯线、陕京线应用以来，防蚀效果很好。
（4）熔结环氧粉末（FBE）具有与钢管表面结合牢固、绝缘性能好、机械强度高、耐温度变化、耐化学腐蚀等优点，可适用于各种恶劣自然环境。主要缺点是耐紫外线性能差；由于覆盖层较薄（0.35～0.50mm），耐划伤和磕碰性能较厚覆盖层要差。国外从20世纪60年代开始应用于管道防腐蚀，发展很快，是目前国际管道防腐蚀上采用量最多的覆盖层。
（5）双层熔结环氧粉末（双层FBE）与PE三层结构类似，具有和PE三层相同的综合性能，机械性能尤其高，补口也用双层FBE，相容性好，覆盖层表面光滑。另外可避免阴极屏蔽问题。
结束语
针对埋地天然气管道的腐蚀防护，只单独采用涂层外防腐和阴极保护两种方法中的任意一种是不行的，因为如果对气管道进行阴极保护不加防腐层或防腐层质量较差，这样做就会增加耗电量而不经济；如果只采用防腐层不加阴极保护，由于防腐层不可能绝对完好无损，一旦防腐层上有针孔或破损，就会形成大阴极、小阳极（针孔或破损部分）的腐蚀电池。腐蚀将会集中在破损或针孔处，其腐蚀速度比裸露管道的腐蚀速度还要大，从而导致管道在较短的时间内穿孔，显然只采用防腐层而不施加阴极保护显然不行的。因此天然气管道的腐蚀防护大都采用阴极保护与防腐层相结合的方法，这种方法被称为管道的“联合保护”，是当今世界上公认的管道防腐措施。
参考文献
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