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天然氣管道的腐蝕特點

2020-07-15

 長輸天然氣管道在運行中與輸送介質發生內腐蝕,同時外壁與土壤大氣分別發生土壤腐蝕和大氣腐蝕。天然氣管道腐蝕的破壞形態包括全面腐蝕和局部腐蝕, 全面腐蝕是一種常見的腐蝕形態, 包括均勻全面腐蝕和不均勻全面腐蝕。局部腐蝕又可以分為點腐蝕(孔蝕)、縫隙腐蝕和疲勞腐蝕等。因為腐蝕類型不同對應的防護措施也不一樣。

 

1.天然氣管道的內腐蝕


 內壁腐蝕是由于天然氣中殘存的水分、和、等酸性氣體造成的類似原電池的電化學反應和破壞金屬晶格的化學反應。這兩種反應都造成管壁疏松、脫落以致穿孔,不能再承受壓力和輸送天然氣。

 金屬的電化學腐蝕是指金屬表面與導電離子的介質因發生電化學作用而產生的破壞,任何一種按電化學機理進行的腐蝕反應至少包含一個陽極反應和一個陰極反應,并以流過金屬內部的電子流和介質中的離子流聯系在一起。陽極反應是金屬離子從金屬轉移到介質中和放出電子的過程,即陽極氧化過程。相對應的陰極反應便是介質中氧化劑組分吸收來自陽極的電子的還原過程。天然氣管道輸送的介質中含有H2S、CO2溶于水,生成酸,碳鋼在酸中發生電化學反應腐蝕,在陽極區鐵被氧化為Fe2+離子,所放出的電子自陽極(Fe)流至鋼中的陰極(Fe3C)上被H+吸收而被還原成氫氣,即

 陽極氧化反應:Fe → Fe2+ + 2e

 陰極還原反應:2H + 2e → H2↑

 總的反應:Fe + 2H+ → Fe2+ + H2↑

 

2.天然氣管道的外腐蝕


 2.1土壤腐蝕

 運輸管道的排放,大多數在土壤之中。而天然氣在開采和輸送中大量地應用了鋼質管道, 一般埋地鋼質管道在土壤作用下常發生嚴重的腐蝕穿孔, 造成油氣的跑、冒、滴、漏。不但造成經濟損失,而且可以引起爆炸、起火、污染環境等。正確地評價土壤的腐蝕性, 對正確地選擇防腐措施有著十分重要的意義。

 2.1.1土壤腐蝕特點

 由于土壤具有多相性和不均勻性, 并且具有很多微孔可以滲透水及氣體, 因此不同土壤具有不同的腐蝕性, 又由于土壤具有相對的穩定性, 使得土壤腐蝕和其他電化學腐蝕過程不同。在土壤中, 氧的傳遞通過土壤孔隙輸送, 其傳送速度取決于土壤的結構和濕度, 在不同的土壤中氧的滲透率會有很大差別。在土壤中除具有可能生成的多相組織不均性有關的腐蝕微電池外, 還會因土壤介質的宏觀差別而造成宏腐蝕電池[[i]]。宏腐蝕電池的種類有:

 (1) 長距離輸油管道穿越不同土壤形成的宏腐蝕電池。

 (2) 管體不同材料差異埋在土壤中產生的宏腐蝕電池。

 (3) 由于管道埋深不同, 上、下部土壤的密實性, 含氧等差別造成管道上下部電極電位不同形成宏腐蝕電池。

 2.1.2土壤腐蝕的影響因素

 (1)土壤性質:土壤的固體顆粒含有砂子,灰,泥渣和植物腐爛后形成的腐殖土,土壤有各種不同的形狀:粒狀,塊狀,和片狀,事實上,多數土壤是無機的和有機的膠質混合顆粒的集合,在這個集合體中還具有許多彎彎曲曲的微孔(毛細管),土壤中的水分和空氣可以通過這些微孔到達土壤的深處,并且土壤還具有生物學的活性。土壤的孔隙度、含水量、含氧量、電阻率、pH 值以及含鹽量、所含微生物等對土壤的腐蝕性有極大影響。

 (a)孔隙度的影響:土壤的孔隙有利于氧氣的滲入和水分保存, 孔隙度越大管道腐蝕越嚴重。

 (b)土壤中含水量的影響:土壤中的水分有些與土壤的組分結合在一起,有些緊緊粘附在固體顆粒的周圍,有些可以在微孔中流動,鹽類溶解在這些水中,土壤就成了電解質,土壤的導電性與土壤的干濕程度及含鹽量有關,土壤愈干燥,含鹽量愈少,其電阻就愈大,土壤愈潮濕,含鹽量愈多,電阻就愈小,干燥和少鹽的土壤電阻率往往高于10000歐姆·厘米,而潮濕含鹽的土壤,電阻率能低于500歐姆·厘米,土壤的腐蝕往往與電阻率有密切的關系。

 (c)土壤中的氧:土壤中的氧氣,有一些溶解在水中,有些存在于土壤的毛細管和縫隙內,兩者對金屬在土壤中的腐蝕都有影響,土壤中的氧含量與土壤的濕度和結構都有密切的關系,在干燥的砂土中,因為氧比較容易通過,所以氧含量較多,在潮濕的砂土中,因為氧較難通過,氧量較少,而在潮濕密實的粘土中,因為氧通過非常困難,所以氧量最少,濕度不同和結構不同的土壤中,氧量相差可達幾萬倍,這種充氣不均勻,正是造成氧濃差電池腐蝕的原因。

 (d)電阻率的影響:土壤電阻率與土壤的含水量、含鹽量、孔隙度等很多因素有關, 土壤電阻率越小腐蝕速率越高。

 (e)pH值的影響:大多數土壤是中性的,pH值在6-7,有的土壤是堿性的,如堿性的砂質粘土和鹽堿土,PH值在7.5-9.5,也有一些土壤是酸性的,如腐植土和沼澤土,pH值在3-6。我國大部分土壤屬中性, pH 值在6~ 8 之間, 隨著pH 值的降低腐蝕速率增加[[ii]]。

 (f)含鹽量的影響。一般土壤中的含鹽量為0.0088%~ 0.15% , 土壤中含鹽量越大電導率也越大, 從而提高土壤的腐蝕性。當土壤中含CaCO3時, 其腐蝕速率隨CaCO3含量的增加而降低。

 (g)土壤中的微生物;微生物對金屬的腐蝕也有很大的影響,其中最重要的是厭氧的硫酸鹽還原菌,硫桿菌和鐵桿菌(好氧的細菌)。

 (2)雜散電流的影響:電車、電氣化鐵路、以接地為回路的輸配電系統、電解裝置等, 在其規定的電路中流動的電流, 其中一部分自回路中流出, 流入大地、水等環境中, 形成了雜散電流。當環境中存在埋地管線或金屬構筑物時, 雜散電流的一部分又可能流入、流出埋地管線或金屬構筑物, 產生干擾腐蝕。根據腐蝕干擾源的不同, 可分為直流干擾和交流干擾。雜散電流腐蝕程度, 要比一般的土壤腐蝕劇烈得多。

 (3)溫度的影響:溫度對腐蝕速度有很大影響, 一般來講, 溫度每升高20℃, 腐蝕速度加快一倍。

 2.1.3土壤腐蝕常見的幾種形式

 (1)由于充氣不均勻引起的腐蝕

 當管道埋設通過結構不同和潮濕程度不同的土壤時(如通過砂土時),由于充氣不均形成氧濃差電池的腐蝕,處在砂土中的金屬部分,由于氧容易滲入,電位高,成為陰極,而處在粘土中的金屬部分,由于缺氧,成為陽極,它們之間構成氧濃差電池,而使粘土中的金屬部分遭到腐蝕,同樣,埋在地下的管道(特別是水平埋放直徑較大的管子),由于各處深度不同,也會構成氧濃差電池,埋得較深的地方(如在管子的下部),由于氧到達困難,便成為陽極區,腐蝕就往往是發生在這個區域。必須注意的是:如果僅僅是微電池作用引起的腐蝕其結論則與上述情況完全相反,在粘土中,由于氧進入較為困難,氧去極化過程較難,所以腐蝕也就較慢,而在土壤中,氧容易滲入,氧去極化過程容易,所以腐蝕就較快。

 (2)由雜散電流引起的腐蝕

 雜散電流是一種漏電現象,在土壤的腐蝕中,防止它引起的腐蝕有很大的實際意義,雜散電流是由直流電源(如電氣火車,有軌電車,電焊機,點解槽,電化學保護等)設備漏失出來的電流,一些地下設備,地下管道,電纜和混凝土的鋼筋等都容易因這種雜散電流引起腐蝕,直流電往往從路軌漏到地下,進入地下管道某處,再從管道的另一處流出而回到路軌,雜散電流從管道流出的地方,成為腐蝕電池的陽極區,腐蝕破壞就發生在這個地方,如下圖所示,金屬的損失量與流過的雜散電流的電量成正比,符合法拉第定律,經計算:一安培電流流過一年就相當于約九公斤的鐵發生電化學腐蝕而被溶解掉了,可見雜散電流引起的腐蝕也是相當嚴重的。

 (3)由于微生物引起的腐蝕

 對于腐蝕有作用的細菌不多,其中最重要的是硫桿菌和硫酸鹽還原菌(厭氧菌)。硫桿菌有排硫桿菌和氧化硫桿菌兩種,這種細菌最適宜存在的溫度為25-30度,當溫度高到55度以上時,就無法生存,在地下管道附近,由于污物發酵結果產生硫代硫酸鹽,排硫桿菌就在其上大量繁殖,產生元素硫,緊接著,氧化硫桿菌將元素硫氧化成硫酸,造成對金屬的嚴重腐蝕。(2)硫酸鹽還原菌(厭氧菌) 如果土壤中非常缺氧,而且又不存在氧濃差電池及雜散電流等腐蝕大電池時,腐蝕過程是很難進行的,但是,對于含有硫酸鹽的土壤,如果有硫酸鹽還原菌存在,腐蝕不但能順利進行,而且更加嚴重,主要是由于生物的催化作用,使腐蝕過程的陰極去極化反應得以進行,從而大大加速了腐蝕。

 細菌腐蝕并非它本身對金屬的侵蝕作用,而是細菌生命活動的結構間接地對金屬腐蝕的電化學過程產生影響,主要以下述四種發生影響腐蝕過程:新城代謝產物的腐蝕作用細菌能產生某些具有腐蝕性的代謝產物,如硫酸,有機酸和硫化物等;生命活動影響電極反應的動力學過程;改變金屬所處環境的狀況;破壞金屬表面有保護性的非金屬覆蓋層或緩蝕劑的穩定性。

 2.2大氣腐蝕

 由大氣中的水、氧、酸性污染物等物質的作用而引起的腐蝕, 稱為大氣腐蝕。鋼鐵在大氣自然環境中生銹, 就是一種最常見的大氣腐蝕現象。通常所說的大氣腐蝕, 就是指金屬材料在常溫下潮濕空氣中的腐蝕。

 2.2.1大氣腐蝕特征

 一般地講, 鋼材在大氣條件下, 遭受大氣腐蝕有三種類型。

 (1)干燥的大氣腐蝕。此時大氣中基本沒有水汽, 普通金屬在室溫下產生不可見的氧化膜, 鋼鐵的表面將保持著光澤。

 (2)潮濕的大氣腐蝕。是指金屬在肉眼看不見的薄膜層下所發生的腐蝕。大氣條件下鋼材的腐蝕實質上是水膜下的電化學腐蝕。此時大氣中存在著水汽, 當水汽濃度超過臨界濕度(鐵的臨界濕度約為65% , 某些鎳的腐蝕產物臨界濕度約為85% , 而銅的腐蝕產物臨界濕度接近100% ) , 相對濕度低于100% 時, 金屬表面有很薄的一層水膜存在, 就會發生均勻腐蝕。若大氣中有酸性污染物CO2、H2S、SO2 等, 腐蝕顯著加快。

 (3)可見液膜下的大氣腐蝕。指空氣中的相對濕度為100% 左右或在雨中及其他水溶液中產生的腐蝕。此時, 水分在金屬表面上已成液滴凝聚, 存在肉眼看得見的水膜。

 2.2.2大氣腐蝕的影響因素

 (1)水的影響。在大氣環境下對鋼材起腐蝕作用的物質中, 水是主要因素(一般地講濕度越大, 腐蝕性就越強)。其腐蝕原理概述如下:

 (a) 水是一種電解質, 而且還能溶解大量的離子, 從而引起金屬的腐蝕。

 (b) 水可離解成H+ 和OH-, pH值的不同對金屬和氧化物的溶解腐蝕具有明顯的影響。

 (2) SO2的影響。SO2在大氣中被氧化成SO3,與水結合生成H2SO4,與鋼鐵產生化學反應導致腐蝕。在受工業廢氣污染地區, SO2 對鋼材腐蝕的影響最為嚴重。以石油、天然氣、煤為燃料的廢氣中含有大量的SO2, 鋼材的腐蝕速率隨大氣中的SO2含量的增加而增加。

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