前 言
自20世紀(jì)50年代開始，油氣管道的防腐技術(shù)就不斷的發(fā)展，其主要原因是由于石油或天然氣管道大多數(shù)為金屬材料，金屬本身在有氧氣和水存在的條件下就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即我們常說的腐蝕現(xiàn)象。腐蝕會(huì)造成管道的穿孔、泄露，給生產(chǎn)企業(yè)帶來嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也會(huì)給公共環(huán)境帶來巨大的損害[1]。因此，為了減少腐蝕造成的這些嚴(yán)重的后果，增強(qiáng)油氣管道使用的壽命，進(jìn)一步提高油氣管道的防腐技術(shù)是十分必要的。這就要求對(duì)油氣管道的防腐技術(shù)有更加深刻的了解與研究。
20世紀(jì)50年代以前，國外長油氣輸管道主要采用石油瀝青和煤焦油瀝青作為外防腐材料。20世紀(jì)60年代，研制出了一些性能很好的塑料防腐材料，例如黏膠帶，熱塑涂層，粉末融結(jié)涂層等[2]。20世紀(jì)70年代以來，由于管道施工遇到一些嚴(yán)酷的自然環(huán)境，對(duì)防腐層性能提出了更嚴(yán)格的要求，因此，在管道防腐材料的研究中，都大力發(fā)展復(fù)合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)防腐層要具有良好的介電性能、物理性能，穩(wěn)定的化學(xué)性能和較寬的溫度適應(yīng)性能，以達(dá)到防腐、絕緣、保溫、增加強(qiáng)度等多種功能。三層聚乙烯是在20世紀(jì)80年代由歐洲研制成功并開始使用的。一經(jīng)問世就在許多工程上得到了應(yīng)用，尤其是歐洲國家，其應(yīng)用呈不斷上升的趨勢[3]。
我國管道防腐技術(shù)是從應(yīng)用瀝青類防腐層開始，自二十世紀(jì)50年代到70年代的東北輸油管道都采用石油瀝青防腐層。70年代后期到80年代初， 隨著國外技術(shù)材料的引入應(yīng)用， 膠帶、夾克、環(huán)氧粉末等相繼投入使用， 而后各種防腐層均有使用[3]。進(jìn)入90年代后， 煤焦油瓷漆開始在我國的西部長輸管道建設(shè)中得到應(yīng)用， 如沙漠輸油管全線采用煤焦油瓷漆防腐層。90年代后期熔結(jié)環(huán)氧粉末和三層聚乙烯逐漸形成主流， 作為最新的防腐材料，雙層熔結(jié)環(huán)氧也有的少量應(yīng)用[4]。目前，國內(nèi)油氣管道防腐技術(shù)已達(dá)到了發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)末的防腐水平。
經(jīng)過多年的發(fā)展，防腐技術(shù)也有了很大的進(jìn)步與發(fā)展。其發(fā)展的特點(diǎn)是涂料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性改變，其改變方向以節(jié)省資源、無污染、經(jīng)濟(jì)、高效、有利于生產(chǎn)為原則，并且在美國、中國、加拿大和中東等地區(qū)進(jìn)行區(qū)域性試驗(yàn)應(yīng)用[5]。

第1章 管道腐蝕產(chǎn)生的原因及機(jī)理
1.1 管道腐蝕產(chǎn)生的原因
腐蝕是金屬物質(zhì)在周圍的化學(xué)、電化學(xué)作用下所引起的一種破壞。由于輸送的天然氣中可能含有硫化氫、二氧化碳、氧、硫化物或其他腐蝕性物質(zhì)和金屬起作用，引起化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕的危害主要造成油氣管道表面出現(xiàn)凹穴，甚至穿孔。石油天然氣管道的腐蝕發(fā)生在管道內(nèi)部、外部及接頭部位。油氣管道的敷設(shè)主要采用埋地、管溝和架空敷。后兩者主要用于站場內(nèi)管道敷設(shè)， 絕大部分油氣管道采用的是地埋敷設(shè)方式， 對(duì)此部分管道的防護(hù)是非常重要的。從腐蝕發(fā)生的原因分析， 油氣管道腐蝕與外界環(huán)境條件密切相關(guān)，另一方面與管道的材料本身、防腐措施的效果有關(guān)。
1.1.1 外界條件
(1) 管道周圍介質(zhì)的腐蝕性。 介質(zhì)的腐蝕性強(qiáng)弱與土壤的性質(zhì)及其微生物密切相關(guān)， 然而對(duì)于長 輸管道涉及的土壤性質(zhì)比較復(fù)雜，準(zhǔn)確評(píng)定其腐蝕性非常困難。我國石油行業(yè)制訂出兩種評(píng)定辦法，即:在一般地區(qū)，按土壤電阻率大小將土壤的腐蝕性分為弱、中、強(qiáng)三級(jí);對(duì)復(fù)雜地區(qū)，根據(jù)土質(zhì)、土壤狀況、電阻率、含水量、pH 值等12種因素，用打分辦法將土壤分為不腐蝕、弱腐蝕、中等腐蝕和強(qiáng)腐蝕4個(gè)等級(jí)[6]。在實(shí)踐中因后者較為煩瑣，在長輸管道設(shè)計(jì)中的使用不多。第一種方法比較簡單易行，采用比較多，再結(jié)合土壤種類、地貌特征及地下水位等，可綜合確定土壤的腐蝕性。另外，土壤中的細(xì)菌可造成金屬的細(xì)菌腐蝕，可對(duì)防腐層產(chǎn)生影響，這可能與菌群種類有關(guān)，如硫酸鹽還原菌、酸性細(xì)菌等。
(2) 周圍介質(zhì)的物理性狀的影響。主要包括地下水的變化、土壤是否有水分交替變化等情況，以及是否有蘆葦類的根系影響等。
(3) 溫度的影響。括環(huán)境溫度和管道運(yùn)行期間產(chǎn)生的溫度。溫度的升高， 腐蝕的速度會(huì)大大加快。溫度的高低與管路敷設(shè)深度有直接的關(guān)系，同時(shí)更受地域差別的影響[7]。
(4) 施工因素的影響。包括材料的把關(guān)、操作人員的責(zé)任心、質(zhì)量意識(shí)等。施工時(shí)是否考慮了環(huán)境與施工因素的有機(jī)結(jié)合，根據(jù)不同的情況采取不同的措施等。采用鹽酸等處理金屬管道內(nèi)壁結(jié)垢時(shí)可加速管道內(nèi)壁的腐蝕速度。雜散電流可對(duì)管道產(chǎn)生電解腐蝕[8]。
(5) 油氣本身含有氧化性物質(zhì)。含水、O2及 H2S、CO2等酸性氣體可造成類似原電池的電化學(xué)反應(yīng)和破壞金屬晶格的化學(xué)反應(yīng)，可造成管道內(nèi)壁的腐蝕。
1.1.2 防腐措施的問題
防腐層失效是地下管道腐蝕的主要原因，輕度失效可增大陰極保護(hù)電流彌補(bǔ)防腐作用;特殊的失效，如因防腐層剝離引起的陰極保護(hù)電流屏蔽及防腐層的破壞，管道就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕.腐蝕發(fā)生的原因是防腐層的完整性遭到破壞， 主要產(chǎn)生于防腐層與管道剝離或是防腐層破裂、穿孔和變形。
1.2 管道腐蝕產(chǎn)生的機(jī)理
金屬被腐蝕是由于電極電位的不同，金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，電極電位較低的部位容易失去電子，形成陽極;電極電位較高的部位得到電子，成為陰極。在O2和H2O存在的情況下，F(xiàn)e(OH)2生成水合氧化鐵（俗稱之鐵銹），它是一種疏松物質(zhì)，浮在鋼鐵表面，無保護(hù)作用，金屬的陽極化反應(yīng)可繼續(xù)進(jìn)，即產(chǎn)生腐蝕持續(xù)發(fā)展，使油氣管道表面出現(xiàn)凹穴，甚至穿孔。
第2章 油氣管道外涂層防護(hù)技術(shù)
2.1 外涂層基本性能
油氣管道在施工和安裝過程中要求涂層具有下列優(yōu)良特性:
2.1.1 抗彎曲性、粘結(jié)力
抗彎曲性是指為防止在運(yùn)輸、使用過程中，油氣管道往往產(chǎn)生彈性形變或塑性形變，比如彈性敷設(shè)、吊管機(jī)將溝邊組裝好的管道吊裝下溝、冷彎，要求已涂敷的涂層不會(huì)產(chǎn)生裂紋或脫落。所以針對(duì)此油氣管道應(yīng)具有較強(qiáng)的抗彎曲性。
粘結(jié)力是指管道在運(yùn)行過程中要求涂層對(duì)管道有好的粘結(jié)親和性，以防止運(yùn)行過程中因外力作用而發(fā)生粘結(jié)失效事故，一旦涂層失去此性能，潮氣將會(huì)聚結(jié)在鋼管與涂層之間，涂層失去防腐功能。所以在油氣管道涂層方面，油氣管道和涂敷材料之間應(yīng)有較強(qiáng)的粘結(jié)力，防止涂敷材料脫落等。
2.1.2 硬度、耐磨性
填物中也難免混有尖硬石塊，涂層必須具有足夠的硬度或變形能力承受回填物和管道自重所施加的集中壓力，否則涂層會(huì)產(chǎn)生缺陷。管道在施工過程中或運(yùn)行過程中，還會(huì)與土壤發(fā)生磨擦，為了保證涂層不致失去防腐功能，要求涂層應(yīng)具有足夠的耐磨功能。
2.1.3 耐化學(xué)介質(zhì)浸泡、抗陰極剝離
耐化學(xué)介質(zhì)浸泡，由于土壤中成份復(fù)雜，各地土壤成份不一，含有不同類型和濃度的酸、堿、鹽，若涂層不耐其中一種或多種化學(xué)介質(zhì)浸泡，將過早失去防腐功能?？龟帢O剝離，由于涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合用于埋地或水下鋼質(zhì)管道的外防腐，在涂層的破損和漏敷處，陰極保護(hù)可能在露鐵點(diǎn)誘發(fā)氫氣的生成(保護(hù)電位比-1.15V更負(fù)時(shí))，增加水流到露鐵點(diǎn)的機(jī)會(huì)，這兩種作用以 單獨(dú)或聯(lián)合的方式使涂層破損點(diǎn)邊緣的涂層粘著力下降而失粘，試驗(yàn)時(shí)用陰極剝離半徑來衡量涂層的抗陰極剝離性能，半徑越小越好[9]。
2.1.4 絕緣電阻和電氣強(qiáng)度
油氣管道尤其是長輸送油氣管道單純靠外防腐涂層來實(shí)現(xiàn)埋地管道的外防腐幾乎是不可能的，性能優(yōu)良的涂層在運(yùn)行中不可避免地存在缺陷，涂層缺陷處的鋼管必須由陰極保護(hù)來實(shí)現(xiàn)防腐，為了避免陰極保護(hù)電流通過完好的涂層有明顯的漏失，保證陰極保護(hù)電流用于涂層缺陷點(diǎn)裸鋼的負(fù)極化，要求涂層材料具有高電阻率且不隨時(shí)間或涂層浸泡于水中有明顯的下降[9]。雖然涂層與土壤接觸僅承受陰極保護(hù)時(shí)的 1～3V持續(xù)電壓，但涂層針孔檢查時(shí)，必須承受大于涂層厚度的空氣擊穿電壓的高壓電檢漏 ，因此涂層材料的電氣強(qiáng)度必須大于干燥的空氣。
2.1.5 其他性質(zhì)
有效的電絕緣性;有效的隔水屏障性;涂敷于管道的方法不會(huì)對(duì)管道性能產(chǎn)生不利影響;涂敷于管道上的涂層缺陷最少;與管道表面有良好的附著力;能防止針孔隨時(shí)間發(fā)展;能抵抗裝卸、儲(chǔ)存和安裝時(shí)的損傷;能有效地保持絕緣電阻隨時(shí)間恒定不變;抗剝離性能;抗化學(xué)介質(zhì)破壞;補(bǔ)傷容易;物理性能保持能力強(qiáng);對(duì)環(huán)境無毒等。
2.2 外防腐層的選擇
保證長輸油氣管道在預(yù)期的使用壽命內(nèi)不發(fā)生由于外腐蝕而引起的功能損失是對(duì)涂層的基本要求，涂層選擇的失誤會(huì)導(dǎo)致在管道預(yù)期使用壽命內(nèi)由于涂 層失效而帶來的維修費(fèi)用，這個(gè)費(fèi)用往往超過采用較高級(jí)性能涂層所增加的初始費(fèi)用，從包括預(yù)期壽命在內(nèi)的綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)看，選用性能高、使用壽命長、但一次費(fèi)用較高涂層比性能低、使用壽命短、一次投資費(fèi)用低的涂層 ，對(duì)長壽命的工程更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。由于涂層是與陰極保護(hù)聯(lián)合進(jìn)行防腐的，涂層性能的好壞直接影響陰極保護(hù)的一次投資費(fèi)用和長期的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，高質(zhì)量涂層的陰極保護(hù)既容易實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用又低;低質(zhì)量涂層陰極保護(hù)既困難，投資費(fèi)用又高。