天然气长输管道腐蚀特性及控制对策

第15卷第1期　　　　　　　　　　　　　　　　全面腐蚀控制

天然气长输管道腐蚀特性及控制对策

郑卫京

(天华化工机械及自动化研究设计院)

　　11前言

在不同地质土壤环境中钢制埋地长输管

道外腐蚀机理、成因、形态及特征经国内外防腐界数十年研究及工程应用实践已基本为人们所认识。并在此基础上, 制定了相关管道外防腐技术对策及设计、作业标准, 形成了多种外防腐涂层复合电化学保护的防腐蚀技术体系。管道腐蚀失效的研究方向也由环境土壤对金属的腐蚀转入环境土壤对外防腐层非开发。因此, 本文将着重讨论非金属外防腐层的相关腐蚀与防腐蚀问题。

这是引起外防腐层物理腐蚀失效的重要因素。有机材料的成型一般为大分子溶剂态或热熔态成型过程, 这一过程使得涂层必然自身带有诸多固有缺陷, 使得腐蚀介质渗透成为可能。腐蚀介质在外防腐层的渗透一般有三条途径:1) 经涂层基体内分子级空穴逐步迁移渗透;2) 、

, , 加之环境条件变化作用, 如温度变化引起的热胀冷缩; 压力变化引起的体积胀缩; 毛细作用引起的劈压应力; 渗透至界面间介质引起的扩散性底蚀及腐蚀产物形成的膨胀应力等, 则会导致涂层产生突发性物理破坏, 形成物理腐蚀失效。

212　应力腐蚀破坏

21211　土壤应力:在诸多应力腐蚀破坏

21天然气长输管道外腐蚀环境及

外防腐层腐蚀失效原因分析

与金属埋地管道电化学腐蚀过程导致的

金属化学腐蚀失效不同, 非金属外防腐层的腐蚀失效虽然也伴随有材料老化、生物降解、环境应力开裂等化学腐蚀失效现象, 但其主体表现为物理腐蚀失效, 即外防腐层腐蚀破坏形态多为鼓泡、脱粘、分层、开裂、植根穿透、扩散性底蚀等物理腐蚀形态。其腐蚀过程也与金属由表及里的腐蚀发展过程不同, 非金属材料腐蚀多为由里及表的腐蚀发展过程。因此其腐蚀成因与金属材料相比亦发生重大变化。

管道外防腐层物理腐蚀失效主要表现在三个方面:

211　腐蚀介质的渗透—4

—

因素中, 最具破坏性的是土壤应力。管道与环境土壤之间的相对运动是土壤应力形成并作用于涂层的基本原因, 而二者之间相对运

动是由管道运行条件(如压力、温度) 及土壤结构变化(如回填、压实、干湿交替、冻融循环、土壤塌陷、滑坡、沉降、倾斜运动及地震等) 引起的。使作用于外防腐层周围的惰性土壤应力转化为活性土壤应力, 以剪动应力形成作用于管道外防腐层, 导致涂层脱粘或干裂。

21212　成型残余应力:有机材料的一个

重要固有特性是在由液态向固态成型过程中

第15卷第1期　　　　　　　　　　　　　　　　全面腐蚀控制

产生体积收缩。当其作为管道外防腐层使用

时, 受界面粘附力或急冷影响, 使体积收缩受阻, 形成界面间及涂料层材质内成型残余应力。该应力一方面降低界面粘接强度, 另一方面受环境因素(如温度、湿度、压力) 变化激发, 将促进涂层体内微裂纹、界面孔隙等缺陷的扩展, 为介质渗透提供条件。

21213　膨胀应力:对管道外防腐层形成膨胀应力物理腐蚀失效的原因主要有二, 一是植物根须穿入涂层后, 因其生长变粗过程中形成的膨胀应力; 二是介质渗透到金属界面后形成底蚀, 其腐蚀产物形成的膨胀应力。

213　界面状态

外防腐层与钢制管道间界面粘接状态是保证外防腐层长周期安全运行的重要因素。界面粘接状态与表面处理质量(形成活性金属表面) , 外防腐层材料分子结构中活性基种类(与金属活性表面形成化学键、物理键能力) , 面粘接强度) 。

此外, 外防腐层中常见物理腐蚀失效还有:多石土壤的冲击破坏, 动物噬咬破坏, 杂散电流引起的阴极区域剥离破坏, 运输、吊运、安装中的碰撞、磨损破坏等。管道外防腐层的化学腐蚀失效主要表现为三个方面:

21311　土壤污染包括泄漏、排污等人为因素造成的污染和土壤酸化、盐碱化等自然界因素造成的污染。土壤中的化学品及烃类物质等对有机涂料具有化学作用, 促使涂层化学腐蚀失效。

21312　生物降解

土壤中的微生物如喜氧菌、厌氧菌形成粘泥菌, 产生酸性菌、硫酸盐还原菌、铁细菌等对有机涂层都具有微生物降解作用。

21313　材料老化

有机材料老化是其固有特性之一, 当其作为管道外防腐层使用时, 受环境作用(如干

湿交替、冻熔循环、土壤载荷、生物降解等) 影响, 老化进程会加快。

综上所述, 管道外防腐层在其材料选择、防腐蚀设计、成型工艺技术选择中, 应首先优先考虑其抗物理腐蚀失效性, 兼顾化学腐蚀失效性。

31天然气长输管道外防腐适用技

术分析及腐蚀控制对策

311　天然气长输埋地钢制管道外防腐

基本技术

国际上控制土壤对埋地钢质管道电化学腐蚀的通用办法是采用外防腐绝缘涂层和阴极保护联合防护措施。其中外防腐涂层是主要防腐手段, 阴极保护作为涂层防腐的补充手段。在与不同的外防腐涂层配套中, 阴极, 运行成。外防氧煤沥青、石油沥青、熔结环氧、煤焦油瓷漆、二层PE 、三层PE 。

312　外防腐涂层技术性能分析长输管道外防腐涂层适用技术性能分析比较, 见表1。

313　腐蚀控制对策建议

31311　三层PE 技术综合了熔结环氧及二层PE 的优点, 具有抗介质渗透性能强, 成型残余应力小, 界面粘接力强, 抗土壤应力、植根穿刺、机械力损伤能力强, 抗阴极剥离性、电绝缘性好等优点, 且阴极保护具有经济的匹配性。因此是战略性及重大经济价值长输管线及地形复杂、维护维修困难、大型穿跨越地段长输管线首选技术。

31312　煤焦油瓷漆、

环氧煤沥青技术与熔结环氧技术在性能上具有优势互补特点, 其性能缺陷正好互为弥补, 复合使用则可大大提高外防腐层使用性能, 扩大其技术的使用范围。

—5

—

第15卷第1期　　　　　　　　　　　　　　　　全面腐蚀控制

　表1

推荐标准

　结构　材料

别

长输管道外防腐涂层适用技术性能分析比较

环氧粉末

SY /T0315297

煤焦油瓷漆

SY /T0079297

聚乙烯PE

二层结构三层结构

SY /T4013295

SY /T4013295

环氧煤沥青

SY /T0447296

石油沥青

SY /T0420297

单层薄膜　

环氧树脂粉末静电喷涂约30年约10年230～110℃

多层增强缠绕厚涂底漆+瓷漆+包扎带热涂缠绕

>70年5年A 型:213～35℃B 型:28～60℃C :380Sa 2. 0310～5. 0mm

二层厚涂胶粘剂+聚乙烯挤出包覆或缠绕约40年>15年≤80℃

三层厚涂环氧粉末+

共聚物+聚乙烯静电喷涂+包覆或缠绕约10年4年≤80℃

多层增强缠

绕薄涂底漆+面漆+玻璃布冷涂缠绕

>40年20年

多层增强缠绕厚涂石油沥青+玻璃布+塑料布热涂缠绕　

>50年>30年

成型工艺国外应用国内应用适用温度

215～80℃　Sa 2. 0

410～7. 0mm 较大场缠绕, 涂石油沥青, 热收缩套较差较差较差　较差　一般较差较好碎(卵) 石, 石方段, 强土壤应力地区　

除锈要求涂层厚度环境污染补口工艺

Sa 2. 5013～0. 5mm

Sa 2. 01183～3. 7mm

Sa 2. 0118～3. 7mm

Sa 2. 0013～0. 很小环氧粉末, 热收缩套

较大瓷漆热烤缠带一般一般一般较差较好一般较好碎(卵) 石土壤, 粘质土壤及环保要求高的地区

很小, 缩, 带较好较好较差较差很好较好较好架空管段, 温差较大地区

很小, 冷缠胶带很好较好较好较好很好很好很好架空管段

收缩套较差较差一般一般一般一般一般多石土壤, 石方段, 含水量高, 生物活动频繁, 植根发达地区

抗介质渗透抗应力腐蚀界面粘接强度

抗扩散性底蚀

耐磨性

抗阴极剥离抗机械力损坏慎用或禁用环境

较差较好较好差较好差

碎(卵) 石土壤, 石方段, 地下水位较高地区

　　31313　熔结环氧在粘质土壤具有良好的使用效果, 但应充分考虑地下水位的影响, 在碎(卵) 石植根发达地段亦应慎用。

31314　环氧沥青、石油沥青则只适用于地下水位不高, 无深根植物, 非主干管线使用。—6

—

314　长输管道配套管件外防腐技术

天然气长输管道配套管件, 如弯头、三通等外防腐技术虽也实现了基地化配套生产, 但除熔结环氧外, 其它种类外防腐技术预制化生产的机械化水平均较差, 其质量难与直管段成型质量相比, 成为长输管线质量薄弱

第15卷第1期　　　　　　　　　　　　　　　　全面腐蚀控制

环节。现一般采用冷缠胶带、热收缩带等不

同质材料实施外防腐保护, 也有采用玻璃布(或表面毡等) 缠绕防腐。最近有报道介绍采用塑料热熔射喷涂方法实施管件厚塑料涂层外防腐技术, 亦有介绍采用大型冷弯工艺技术实施外防腐后制弯头文献报导, 但均属研究开发试用阶段。

315　现场补口防腐蚀技术

目前我国长输管线现场安装焊接区补口技术, 除熔结环氧实现本体材料外防腐现场设备化补口技术外, 其余均采用人工异材补口技术。主要使用技术为热收缩套(带) 及冷缠胶带。热收缩套分三层结构和二层结构两类, 冷缠胶亦分单面胶、双面胶两种。此外, 还有煤焦油瓷漆热缠胶带, 其中冷缠胶带目前还主要依赖进口。因现场补口区段属于长输管道薄弱环节, 故重要干线补口建议采用三层结构热收缩套或原材质缠绕包覆后实施发热点是塑料热熔射喷涂技术。管件在包覆环氧底胶及共聚物热融胶后, 喷涂上一层厚塑料外保护层形成三层PE 结构。

413　补口技术的开发热点集中在现场小型化补口设备及工艺技术开发上, 使得现场补口小区域实现喷砂处理, 环氧底漆涂覆、胶带缠绕、加热控制、缠绕预紧力控制、胶体固体或塑化、冷固控制实现自动化规范控制, 以避免人工操作发生的各种偶然失误。

414　外防腐用材料的研制开发仍是我国亟待解决的问题, 尽管多数材料已实现国产化, 但与国外比较仍存在较大差距, 如聚乙烯仍有环境应力开裂问题, 环向大分子取向引发的非取向方向开裂问题, 热收缩套温控与收缩不同步问题等。

415　41411　近期长输埋地管道创新开发热点

。, , 但距离实, 应加快研究步伐, 以满。

51结束语

随着我国天然气长输管线需求量的不断增加, 其外防腐技术得到迅速发展, 仅仅在不到十年的时间, 即实现了与国外同步发展的水平, 并基本上实现了国产化。尽管在其具体实践中仍有不尽如人意的地方, 但基本上满足了我国长输管道战略发展的要求,

且具有自主产权的新技术新工艺仍在不断的进步发展中, 我们有理由对该领域的未来发展抱有充分信心。

主要集中在全塑内夹钢环、钢丝大型制管技术开发及塑料套环内充填水泥或树脂砂浆大型复合非金属成型制管技术开发方向。该类技术特点是内外壁均为耐腐蚀性能强、无电化学腐蚀、表面光滑、材料致密、抗渗透性好, 抗土壤应力、微生物腐蚀、机械力损伤、冲击力破坏力性能强, 对过流物质阻力小, 重量轻, 便于远途输送。存在的问题是接口处理尚待进一步完善。

412　弯头及三通等管件外防腐技术开(上接第26页)

待涂层固化后, 再涂一遍面漆。

衬里施工完毕, 一俟固化后, 即可使用。曝气池内衬玻璃钢衬里, 自修茸一新竣工后, 运行良好, 没有重新腐蚀和破损现象出现, 收到了良好的防腐作用和经济效果。

参考文献

〔1〕　化学工业部化工机械研究院主编1《腐蚀与防护手册》, 化学工业出版社,199018　第1版1〔2〕　何北超, 化工腐蚀与防护,4,50,19971

—7—