1、1輸氣管道腐蝕與防護 230.1.1 防腐蝕工作的意義1.金屬腐蝕的經濟上損失q金屬腐蝕給國民經濟造成了巨大的經濟損失，甚至帶來災難性的事故，浪費寶貴的資源與能源，而且污染環境。v據發達國家調查，每年由于腐蝕造成的損失約占國民經濟總產值的2%4%。v腐蝕作用，世界上每年生產的鋼鐵中有10%被腐蝕消耗。 0.1 油氣儲運系統防腐蝕工作的重要性4 僅在美國1975年腐蝕的經濟損失達700億美元，為美國當年生產總值的4.2%。而美國全年由于水災、火災、地震和颶風造成的損失據估算不過123億美元。可見腐蝕造成的經濟損失遙遙領先其他類自然災害。最近美國腐蝕工程師協會（NACE International

2、）介紹目前美國每年的腐蝕經濟損失已高達3000億美元，平均每人每年的腐蝕損失費超過1100美元。我國尚未進行全國性的腐蝕損失調查，但據1981年國家科委腐蝕科學學科組第三分組對全國10家化工企業的腐蝕損失調查表明：1980年這些企業因腐蝕造成的經濟損失約為當年生產總值的3.9%。5q在油氣田開發生產中，從油氣井到管道和儲罐以及各種工藝設備都會遭受嚴重的腐蝕，造成了巨大的經濟損失。v有關資料報道，世界各國每年僅管道腐蝕造成的損失，美國約為20億美元，英國約17億美元，德國和日本各為33億美元。據美國國家輸送安全局統計有74%是腐蝕造成的。62. 金屬腐蝕的危害性1）腐蝕是影響管道系統可靠性及使用

3、壽命的關鍵因素u美國45%管道損壞是由于外壁腐蝕引起的。 u19811987年前蘇聯輸氣管道事故統計表明，總長約24萬km的管線上曾發生事故1210次，其中外腐蝕517次，占事故的42.7%；內腐蝕29次，占2.4%。u我國的地下油氣管道投產12年后即發生腐蝕穿孔的情況已屢見不鮮。72）帶來災難性的事故 u1965年3月美國一輸油管線因應力腐蝕破裂而著火，造成17人死亡。u1980年3月北海油田一采油平臺發生腐蝕疲勞破壞，致使123人喪生。83.防護的意義u重視腐蝕問題，防止或減緩腐蝕的危害，加強天然氣管道的防腐蝕工作，提高防腐蝕技術水平和管理水平不僅有明顯的經濟效益，也有重大的社會效益，對天

4、然氣工業的發展至關重要。實踐證明：當采用了有效的防腐蝕措施和科學管理，30的腐蝕是可預防的。按美國每年的腐蝕損失量，就可節省1000億美元。9 研究腐蝕和防護的意義是多方面的: u經濟方面 v包括降低因管道、儲罐、設備和結構的腐蝕所造成的金屬損失。v經濟因素是當前腐蝕與防護領域中許多研究工作的原動力。v經濟損失可分為直接損失和間接損失。10直接損失直接損失是指更換被腐蝕的構件、機械或它們的零部件，如管道、金屬罐，并包括這種更換工作所需的勞動力在內合計花費的金額。包括對構件進行以防銹為主要目的的重新油漆的費用和建立對管道陰極保護的基本投資及維持費用。 包括因使用耐蝕材料代替機械強度足夠，但耐蝕性

5、不足的碳鋼時所需支付的額外費用。包括鋼上鍍鋅或鍍鎳的費用以及向水里加緩蝕劑的費用和對儲存金屬設備的倉庫內除濕所需的費用。11間接損失停產損失產品損失效率損失產品污染12舉例 中原油田頻繁腐蝕穿孔，造成大量原油泄漏，農田污染。僅中原油田胡狀油田19911993年被迫停產750井次，影響原油產量9600噸，損失1651萬元，污染賠償費318萬元。1993年中原油田生產系統因腐蝕造成的經濟損失達1.6億元。 我國石化工業（僅指原石化總公司所屬企業）1989年因腐蝕造成的經濟損失約20億元。 從上述因腐蝕造成的危害實例，我們可看出腐蝕問題關系到石油工業的生存及發展。13u安全方面v提高了設備運行的安全

6、性，因為腐蝕可能造成設備災難性的破斷事故。u環保方面v保護環境，主要是指金屬資源，因為它們在全球的儲量有限，并且，它們的浪費還伴隨著這些金屬構件生產制造中的能源和水的浪費。 140.1.3 油氣管道防腐的發展過程q 20年代埋設裸管加陰極保護q 40年代開始采用覆蓋層加陰極保護q 迄今仍在進行管道防腐蝕技術的不懈探索 15腐蝕科學技術的發展簡史 可以毫不夸張地說，人類有效地利用金屬的歷史，就是與金屬腐蝕作斗爭的歷史。我國早在商代就冶煉出了青銅，即用錫改善了銅的耐蝕性。 金屬腐蝕防護的歷史雖然悠久，但長期處于經驗性階段。到了18世紀中葉以后，才陸續出現對腐蝕現象的研究和解釋。16 但是，金屬腐蝕

7、作為一門獨立的學科則是從20世紀初才逐漸形成的。 20世紀50年代以來，金屬腐蝕已發展成為一門獨立的綜合性邊緣學科。 近30多年來，形成了許多邊緣腐蝕學科分支，如腐蝕電化學、腐蝕金屬學、腐蝕工程力學、生物腐蝕學和防護系統工程等。腐蝕科學技術的發展簡史17 我國的腐蝕與防護的科技研究工作在新中國成立之后得到很大發展。早在建國初期，國家科學技術委員會在機械科學學科組內成立了腐蝕與防護分組。1958年以后我國一些高等院校建立了腐蝕防護專業。1961年，國家科學技術委員會成立國家腐蝕科學學科組（一度停止工作，1978年12月恢復）。1979年12月成立了中國腐蝕與防護學會。我國腐蝕科學技術的發展簡介1

8、80.1.4 油氣管道的內外腐蝕因素q外腐蝕原因v穿越各種不同類型的土壤，河流湖泊，氣溫，地下水位的變化以及雜散電流 q 內腐蝕原因v輸送天然氣時，會有有害物質H2S和CO2v輸送原油時，含S和H2Ov輸送成品油時，含有O2和H2O190.1.5 防腐蝕工作q 廣泛采用的方法v涂層、襯里、電法保護、緩蝕劑q 新技術、新方法v 新型防腐層材料，管道防腐層的復合結構、涂敷新工藝。v 在線測量技術，腐蝕數據庫，專家系統等計算機鋪助管理決策系統。200.1.6 相關雜志、學會q美國在1943年成立美國腐蝕工程師協會，總部設在休斯敦。q中國腐蝕與防護學會1979.11成立。q三大刊物（國內）:v 中國腐

9、蝕與防護學報中國腐蝕與防護學會v 材料保護 機械工業部v 腐蝕與防護 上海腐蝕科學技術學會210.1. 7 我國石油工業腐蝕與防護技術的發展及展望1、發展 經過幾十年的艱苦發展，我國石油和天然氣行業腐蝕與防護技術已經形成了系列技術，取得了以下幾方面的成績。u形成了比較完善、適應我國石油工業生產需要的系統腐蝕與防護技術。建立并完善了符合我國應用特點、接近國際水平的石油和天然氣行業腐蝕與防護技術標準體系。22 建立并深化了防腐蝕技術和管理“系統抓，抓系統” 的工作方針，形成了石油工業防腐蝕工程設計、施工和管理各環節腐蝕控制的基本原則。 油氣管道及設施防腐蝕方案的確定要依靠科技進步，因地制宜，根據保

10、護對象特點一般采用系統的聯合保護技術及綜合治理。保護措施應與主體工程壽命相匹配，防腐蝕工程應與主體工程同時設計、同時施工、同時投產等。23u研究、開發了指導油氣田及長輸管道科學管理及決策的評價、預測等綜合技術。u開發、引進了防腐蝕新材料，形成了較完善的防腐層材料系統及應用技術。u陰極保護技術逐步走向成熟：區域陰極保護技術，開發了陰極保護優化設計技術，陰極保護電參數檢測及效果評價技術，陽極新材料（高電位犧牲陽極、復合犧牲陽極）、新結構等新技術（如帶狀陽極、柔性陽極）。24u控制高含硫油氣處理及煉油裝置的腐蝕已經形成了系列技術：即抗硫化物新材料的開發，抗硫化物材料選擇技術，含硫化物氣井、輸氣管線用

11、緩蝕劑及含硫化物氣田管線內防腐層應用技術等。u檢測及檢測技術得到了迅速的發展。該方面技術向著非破壞、在線、自動采集數據的方向邁進。研制成功了埋地管道變頻-選頻防腐層絕緣電阻測試技術等幾項成果，引進了如智能清管檢測儀、陰極保護參數的遙測技術等測試技術，促進了測試手段的更新換代。25 開發并形成了石油工業防腐蝕化學藥劑系統應用技術。如油、氣田地面設施的水處理系統，注水系統及煉油廠裝置等內壁防腐蝕緩蝕劑、防垢劑、殺菌劑、除氧劑、中和劑等化學藥劑的選擇及應用技術。 開發了多種埋地舊管線內外壁修復技術。包括修復材料的基本選擇技術、埋地管道的外防腐層修復技術、埋地管道的內防腐層修復技術（如穿插襯塑技術、翻

12、轉內襯技術、管內涂布技術）。并在工程中得到了較好的應用，基本解決了在用老管線延長使用壽命的問題。26 為了適應石油工程及油田、煉廠生產的需要，及國內外防腐蝕新技術交流的需要，開展了多種形式的學術及技術交流活動。促進了新技術的開發、推廣和應用。272、展望u進一步加強導向性的應用基礎研究。如結合油氣田、煉廠、管道等生產實際，深化腐蝕規律、腐蝕預測方法的研究；防腐蝕材料壽命及失效機理的研究。28 加強預防性防腐蝕生產管理，提高管理決策水平。 實行主動、預防性的防腐蝕生產管理是目前國內外生產管理的基本指導思想，國外開發的“風險管理”、“條件評估管理”及國內研究的“分級管理”等技術均反映了這種新型的防

13、腐蝕生產管理模式。這種管理模式不僅能提高管理、決策的準確性及預防性，同時也能帶動石油工業防腐蝕應用技術的深化及發展。29 深化陰極保護應用技術。 如在區域陰極保護技術方面，不同程度上仍存在著憑經驗進行設計等問題。 陰極保護設計的優化技術研究和應用 計算機模擬技術進行陰極保護系統干擾等分析 完善陰極保護參數檢測及保護效果評價技術 深入開展陽極新材料、新結構的研究，使其更宜于工程應用，保護效果得到進一步提高。30 深化防腐層選材等應用技術，開發新型防腐層材料。 優化選用防腐層技術 防腐層壽命評價技術 防腐層應用技術 管道內防腐層補口技術 管道內壁防腐層的檢測技術 開發、應用高固體成份環保型防腐層等

14、新材料。31 深入研究埋地管道防腐層修復技術。 加快檢測、監測技術的更新換代。 目前國內外此類技術正向著非破壞性、在線監測和遙測的方向發展。 智能清管器測線技術 現場渦流遙測技術 電池式氣體腐蝕性測試技術 土壤腐蝕電流密度測試技術 多頻管中電流監測技術32 完善環境腐蝕開裂的評價及應用技術。 埋地管道在高pH，近中性pH值環境下應力腐蝕破裂（SCC）的腐蝕問題。 開發、應用鋼筋混凝土設施保護新技術。 隨著海洋和灘涂油氣田的快速開發，混凝土鋼筋的腐蝕已日趨明顯。國外在此方面已發展了相應的防腐層技術、陰極保護技術及緩蝕劑技術。目前應用較多的有陰極保護技術，特別是開發了多種結構的陽極新材料，得到較好

15、的應用。33 開展CO2腐蝕與防護技術的深入研究。 CO2腐蝕是目前國內外防腐蝕技術發展的一個熱點，我國新老油氣田不同程度的存在著CO2腐蝕問題，有的油氣田由于此項技術沒有完全解決，影響了油氣田的開發。我國需加快CO2腐蝕機理、測試技術、評價技術、應用技術的研究，引進國外的先進技術，加快此方面的技術發展。340.2.1 金屬腐蝕的定義1.金屬腐蝕q金屬和它所處的環境介質之間發生化學或電化學作用而引起的變質和破壞稱為金屬腐蝕，同時包括上述因素與機械因素或生物因素的共同作用。u這個定義明確指出了金屬腐蝕是包括金屬材料和環境介質兩者在內的一個具有反應作用的體系。金屬為什么很容易受腐蝕？從熱力學的觀點

16、看，是因為金屬處于不穩定狀態，它有與周圍介質發生作用轉變成金屬離子的傾向。0.2 腐蝕的定義35 金屬及其合金的腐蝕主要是化學和電化學作用引起的破壞，有時伴隨有機械、物理或生物作用。單純的物理作用的破壞，如合金在液態金屬中的物理溶解（存放熔融鋅的鋼容器，Fe在高溫下被液態鋅溶解，使容器壁變薄），這種情況比較少。 不包含化學變化的純機械破壞不屬于腐蝕范疇，例如鋼索斷裂、機器軸的損壞等 ，這是材料本身性能的失效。360.2.2 金屬發生腐蝕的特點u破壞總是從金屬表面逐漸向內部深入因金屬腐蝕的過程發生在金屬與介質面上的多相反應u金屬在發生腐蝕過程時，一般也同時發生外貌變化如瘍斑、小孔、表面有腐蝕產物

17、、金屬材料變薄u金屬的機械性能，組織結構發生變化如金屬變脆，強度降低，金屬組織結構發生相變u金屬還沒有腐蝕到嚴重變質的程度，但足以造成設備事故或損壞 370.2.3 金屬腐蝕環境 腐蝕的實質金屬材料和環境的反應過程 材料所處的介質、溫度、壓力 幾乎所有介質都有一定的腐蝕 380.3.1 按腐蝕機理 電化學腐蝕金屬與介質發生 電化學反應的腐蝕（電解質腐蝕和原電池腐蝕）化學腐蝕發生化學反應的腐蝕 0.3 金屬腐蝕的分類390.3.2 按腐蝕形態劃分全面腐蝕（General Corrosion） 腐蝕分布在整個金屬表面上（均勻/不均勻)局部腐蝕 (Localized Corrosion） 腐蝕主要集

18、中在金屬表面某一區域點蝕（Pitting） 電偶腐蝕（Galvanic corrosion） 氫脆 應力腐蝕開裂（SCC） 晶間腐蝕選擇性腐蝕（Selective leaching)等40 圖1 局部腐蝕形態示意圖41圖2 點蝕照片點蝕（Pitting） q又稱小孔腐蝕。這種破壞常集中在某些活性點上，并向金屬內部深處發展，通常其腐蝕深度大于其孔徑，嚴重時可使金屬穿孔。如不銹鋼在含有氯離子的溶液中常呈現這種破壞形式。42應力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking)q在局部腐蝕中居首位。根據腐蝕介質的性質和應力狀態的不同，裂紋特征會有所不同，顯微裂紋呈穿晶、晶界或兩者混合形式

19、，裂紋呈樹枝狀，其走向與所受拉應力的方向垂直。鋼制輕烴罐的腐蝕開裂43氫脆（Hydrogen embitterment）q在某些介質中，因腐蝕或其他原因所產生的氫原子可滲入金屬內部，使金屬變脆，并在應力作用下發生脆裂。如含硫化氫的油、氣輸送管道中常發生這種腐蝕。 440.3.3 按腐蝕溫度劃分低溫腐蝕高溫腐蝕0.3.4 按腐蝕介質的狀態劃分干腐蝕一般為化學腐蝕 濕腐蝕一般為電化學腐蝕450.3.5 按腐蝕介質的種類劃分化學介質腐蝕 大氣腐蝕 海水腐蝕土壤腐蝕 工業水腐蝕 高溫腐蝕液態金屬腐蝕 熔鹽腐蝕 燃氣腐蝕 0.3.6 按作用原理劃分化學腐蝕( 氣體腐蝕、在非電解質溶液中的腐蝕）電化學腐蝕

20、（一個短路的原電池電極反應的結果）461. 化學腐蝕q金屬的化學腐蝕是指金屬表面與非電解質直接發生純化學作用而引起的破壞。q化學腐蝕是在一定的條件下，非電解質中的氧化劑直接與金屬表面的原子相互作用，即氧化還原反應是在反應粒子相互作用的瞬間于碰撞的那一個反應點上完成的。在化學腐蝕過程中，電子的傳遞是在金屬與氧化劑之間直接進行，因而沒有電流發生。472. 電化學腐蝕q電化學腐蝕指金屬與電解質因發生電化學反應而產生的破壞。q任何一種按電化學機理進行的腐蝕反應至少包含有一個陽極反應和一個陰極反應，并與流過金屬內部的電子流和介質中定向遷移的離子聯系在一起。v陽極反應是金屬原子從金屬轉移到介質中并放出電子

21、的過程，即氧化過程。v陰極反應是介質中的氧化劑奪取電子發生還原反應的還原過程。 48 例如，碳鋼在酸中腐蝕時，在陽極區Fe被氧化成Fe2+，所放出的電子自陽極（Fe）流至鋼表面的陰極區（如Fe3C）上，與H+作用而還原成氫氣，即 陽極反應：FeFe2+2e 陰極反應：2H+2e H2 總反應：Fe+2H+ Fe2+H2 49電化學腐蝕的特點：q介質為離子導電的電解質。q金屬電解質界面反應過程必須包括電子和離子在界面上的轉移。q界面上的電化學過程可以分為兩個相互獨立的氧化和還原過程，金屬/電解質界面上伴隨電荷轉移發生的化學反應稱為電極反應。q電化學腐蝕過程伴隨電子的流動，即電流的產生電流的產生。

22、50u 綜上所述，電化學腐蝕實際上是一個短路的原電池反應的結果，這種原電池又稱為腐蝕原電池。油氣管道和儲罐在潮濕的大氣中、海水中、土壤中以及油氣田的污水、注水系統等環境中的腐蝕均屬此類。u腐蝕原電池與一般原電池的差別僅在于原電池是把化學能轉變為電能，作有用功，而腐蝕原電池則只能導致材料的破壞，不對外界作有用功。51 當管、罐金屬表面受到外界的交、直流雜散電流的干擾，產生電解電池的作用時，腐蝕金屬電極的陽極溶解，即發生所謂的雜散電流腐蝕。電解池的正極進行陽極反應，負極進行陰極反應，其電極的正、負極性與腐蝕原電池相反。 故電化學反應是借助于原電池和電解池進行的。電化學腐蝕較普遍和常見，是油氣田設備

23、及管道腐蝕的主要類型。520.4.1 均勻腐蝕的腐蝕速度u金屬遭受腐蝕后，其質量、厚度、機械性能、組織結構、電極過程都會變化，這些物理性能和力學性能的變化率可用來表示金屬腐蝕的程度。在均勻腐蝕的情況下通常采用質量指標、深度指標和電流指標來表示。0.4 金屬腐蝕速度的表示方法53 均勻腐蝕或全面腐蝕程度一般采用平均腐蝕速率表示。 平均腐蝕速率又有腐蝕率和侵蝕率兩種表達方法。 單位時間內單位面積上的腐蝕量稱為腐蝕率(重量法，厚度法）； 單位時間內侵入的深度稱為侵蝕率。541)質量指標 失重表示法 損耗的質量是指腐蝕前的質量與消除了腐蝕產物后的質量之間的差值。金屬試件的初始重量，g消除腐蝕產物后的金

24、屬試件重量，g腐蝕進行的時間，h試件表面積，m255 增重表示法損耗的質量指腐蝕后帶有腐蝕產物時的質量與腐蝕前的質量之差。經腐蝕后帶有腐蝕產物的金屬試件的重量，g腐蝕前的金屬試件重量，g腐蝕進行的時間，h試件表面積，m256 可根據腐蝕產物容易去除或完全牢固地附著在試件表面的情況來選取失重或增重表示法，一般均用失重表示腐蝕速度，但如腐蝕產物不易消除或牢固附著在金屬的表面，亦有用增重表示的。57 根據我國選定的非國際單位制的時間單位除了上面所用的小時（h）外，還有天，符號為 d（day）；年，符號為 a（annual）。因此，以質量變化表示的腐蝕速度的單位還有 kgm2a，g/dm2d，gcm2h和mg/ dm2d。有些文獻上用英文縮寫mdd代表mg/ dm2d，用gmd代表g/m2d。58 如果確切地知道腐蝕產物的組成和分子式，即可對對 v失、v增進行換算。 例如：已知Zn在空氣中加熱氧化后的腐蝕產物是ZnO時，Zn+1/2O2=ZnO，Zn的腐蝕質量指標，分別為v失、v增。顯然，在v增中的質量增加部分是氧的質量，在v失中的質量減小部分是鋅的質量。以AO、AZn分別表示氧和鋅的相對原子質量，以no、nZn分別表示氧和鋅的物質的量（