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國內(nèi)外油氣管道腐蝕及防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

文檔作者：胡鵬飛,文九巴,李全安文檔來源：河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月30日
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基金項(xiàng)目:河南省高校杰出科研人才創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2001kycx009) ;河南省高校青年骨干教師項(xiàng)目(豫教高[2001 ]225)
作者簡介:胡鵬飛(1978 - ) ,男,河南省沁陽市人,碩士生
收稿日期:2002 - 11 - 05
文章編號:1000 - 5080 (2003) 02 - 0100 - 04
國內(nèi)外油氣管道腐蝕及防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展
胡鵬飛,文九巴,李全安
(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽471003)
摘要:我國大多數(shù)油田含有CO2 、H2S 等腐蝕性氣體,CO2 、H2 S 腐蝕是井下油氣管的主要腐蝕類型。本文簡要綜
述了CO2 、H2 S 腐蝕機(jī)理和影響因素,并在此基礎(chǔ)上介紹了采用緩蝕劑、涂鍍層油管、普通碳鋼管材、耐蝕合金鋼
管材、玻璃鋼和塑料管材、陰極保護(hù)幾種國內(nèi)外常用的防腐措施,并指出鍍鋁鋼在油氣管道上的應(yīng)用將是非常廣
闊的。
關(guān)鍵詞:管道;防護(hù);腐蝕速度
中圖分類號:TE988. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
0 　前言
隨著石油天然氣開采量的日益擴(kuò)大,油氣管道的腐蝕及防護(hù)也越來越受到重視。CO2 作為石油、天然
氣或地層水的組分存在于油氣層中,采用CO2 混相技術(shù)提高原油采收率時(shí),也會將CO2 帶入原油生產(chǎn)系
統(tǒng)。CO2 溶于水后,在相同PH 值時(shí)其總酸度比鹽酸高,故對井內(nèi)管材的腐蝕比鹽酸更嚴(yán)重[1 ] 。加之有的
油氣井中含有H2S 氣體,管內(nèi)混合液的流動狀態(tài)、溫度、pH 值、材料等也對腐蝕產(chǎn)生很大的影響,因此使得
腐蝕過程更加復(fù)雜。
目前國內(nèi)外對CO2 或H2S 單獨(dú)作用下腐蝕的研究比較充分[2～9 ] ,而對H2S、CO2 共存體系中,尤其是高
溫高壓H2 SPCO2 多相流動介質(zhì)中的研究比較少,對于實(shí)際工況條件下有針對性的研究就顯得更少,尚無法
滿足實(shí)際防腐應(yīng)用的需要。為此,本文綜述了目前油氣田的CO2 、H2S 腐蝕研究狀況,介紹了國內(nèi)外常用
的腐蝕防護(hù)方法,以便為油氣田的腐蝕防護(hù)方案和研究方向提供借鑒。
1 　CO2 的腐蝕
CO2 腐蝕是困擾世界石油工業(yè)同時(shí)也是困擾我國油氣工業(yè)發(fā)展一種常見的腐蝕。CO2 腐蝕最典型的
特征是管道的局部產(chǎn)生點(diǎn)蝕、蘚狀腐蝕和臺面狀腐蝕,其中,臺面狀腐蝕是腐蝕過程最嚴(yán)重的[2 ] 。
關(guān)于CO2 的腐蝕機(jī)理,一般都認(rèn)為是溶解在水中的CO2 和水反應(yīng)生成H2CO3 ,爾后再和Fe 反應(yīng)使之
被腐蝕:
CO2 + H2O = H2CO3
Fe + H2CO3 = FeCO3 + H2
　　但是溶液中的H2CO3 絕大部分是以H+ 和HCO3
- 存在的,因此,反應(yīng)生成物中大多數(shù)是Fe (HCO3 ) 2 ,它
在高溫下分解為:
Fe (HCO3 ) 2 = FeCO3 + H2O + CO2
　　實(shí)際上腐蝕產(chǎn)物碳酸鹽(FeCO3 、CaCO3 ) 或結(jié)垢產(chǎn)物膜在鋼鐵表面不同區(qū)域的覆蓋程度不同,不同覆蓋
度的區(qū)域之間形成了自催化作用很強(qiáng)的腐蝕電偶,CO2 的局部腐蝕就是這種腐蝕電偶作用的結(jié)果。這一
機(jī)理也很好解釋了水化學(xué)作用和在現(xiàn)場一旦發(fā)生上述過程時(shí),局部腐蝕會突然變得非常嚴(yán)重等現(xiàn)象[2 ] 。
影響CO2 腐蝕的因素比較多[2 ,3 ,10 ] ,溫度、CO2 分壓、流速、合金元素、Cl - 、HCO3
- 、Ca2 + 和Mg2 + 、細(xì)菌、
Fe3C 濃度、FeCO3 溶解度、保護(hù)膜、管材的熱處理及顯微組織等對腐蝕都有一定的影響,多個(gè)因素影響下的
腐蝕情況相對比較復(fù)雜。
　　
第24 卷第2 期
2003 年　　6 月
河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)
Journal of Henan University of Science and Technology (Natural Science)
Vol. 24 No. 2
June 　2003
2 　H2 S 的腐蝕
有的油氣田中含有大量的H2 S 氣體,其在水中的溶解度比較大,具有強(qiáng)烈的腐蝕性。當(dāng)FeS 致密且與
金屬基體結(jié)合緊密時(shí),對腐蝕具有一定的減緩作用。但當(dāng)生成的FeS 不致密時(shí),可與金屬基體形成電位差
為0. 2～0. 4V 的強(qiáng)電偶[11 ] ,反而促使基體金屬的腐蝕。另外,當(dāng)溶液中或金屬基體表面有硫化物存在時(shí),
硫化物一定程度上阻止了氫原子向氫分子的轉(zhuǎn)變,這些氫原子在管桿表面層的缺陷等部位結(jié)合成氫分子
并聚集膨脹,產(chǎn)生氫壓,在管桿的服役拉力疊加、協(xié)同作用下,就形成了SSCC(H2 S 應(yīng)力腐蝕開裂) 。油井
下管桿的工況條件,如產(chǎn)液流速、工作溫度、受力狀態(tài)、表面缺陷等都能加速H2S 對鋼材的腐蝕和SSCC。
關(guān)于H2 SPCO2 共存體系中油氣管的腐蝕,國內(nèi)外的研究還比較少,尤其是高溫高壓H2SPCO2 多相流動
介質(zhì)中的研究更少,所以研究H2 S、CO2 共存條件下的腐蝕顯得更加重要。
3 　常用的腐蝕防護(hù)技術(shù)
3. 1 　采用緩蝕劑
采用緩蝕劑防腐主要是利用緩蝕劑的防腐作用來達(dá)到減緩油管腐蝕的目的。其防腐效果主要與井
況、緩蝕劑類型、注入周期、注入量等有關(guān)。該技術(shù)成本低,初期投資少,但工藝復(fù)雜,對生產(chǎn)影響較大[12 ] 。
此外,不同井況要求緩蝕劑的類型也不盡相同,通常情況下,中性介質(zhì)中多使用無機(jī)緩蝕劑,以鈍化型和沉
淀型為主;酸性介質(zhì)使用的緩蝕劑大多為有機(jī)物,以吸附型為主。但現(xiàn)在的復(fù)配緩蝕劑根據(jù)需要在用于中
性介質(zhì)的緩蝕劑中也使用有機(jī)物,而在用于酸性水介質(zhì)的緩蝕劑中也添加無機(jī)鹽類。不同金屬的原子外
層電子排布、電位序列、化學(xué)性質(zhì)等有所不同,它們在不同介質(zhì)中的吸附和成膜特性也不相同[13 ] 。因此,
如果需要防護(hù)系統(tǒng)是由多種金屬構(gòu)成,單一的緩蝕劑難以滿足要求,此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮緩蝕劑的復(fù)配使用。
緩蝕劑有兩種注入方式[12 ] : (1) 間歇式注入方式:將緩蝕劑自油管內(nèi)注入后,必須關(guān)井一段時(shí)間后才
能開井(處理周期一般為2～3 個(gè)月) ,因此,對生產(chǎn)有一定的影響。(2) 連續(xù)式注入方式:主要通過油套環(huán)
或環(huán)空間的油套管及注入閥將緩蝕劑連續(xù)注入井內(nèi)或油管內(nèi),油氣井不需要關(guān)井,因此,對生產(chǎn)影響較小。
3. 2 　使用涂鍍層管材
使用涂鍍層油管主要是靠涂鍍層隔絕油管與腐蝕介質(zhì)的接觸來達(dá)到防腐的效果,其防腐效果與涂層
或鍍層材料及工藝技術(shù)水平有關(guān)。該技術(shù)對油氣井的生產(chǎn)影響較小,工藝簡單而且成本一般不會很高。
但是油管接頭在加工時(shí)容易存在涂層被破壞的“漏點(diǎn)”,這必然會加重“漏點(diǎn)”處的腐蝕,對油管整體的防腐
效果不利。
3. 3 　使用普通碳鋼管材
使用普通碳鋼管,并在其壽命期限內(nèi)更換油管、套管、管柱。該措施須頻繁更換油管,對油氣井生產(chǎn)影
響很大,但生產(chǎn)初期基本不增加防腐費(fèi)用,這種方法比較適合開采年限較短的油氣田[12 ] 。
3. 4 　使用耐蝕合金鋼管材
該類管材主要依靠自身的耐腐蝕性能抵抗CO2 腐蝕。國外在含CO2 的油氣井中一般采用含Cr 鐵素
體不銹鋼管(9 %～13 %Cr) ;在CO2 和Cl - 共存的嚴(yán)重腐蝕條件下用含Cr 、Mn、Ni 的不銹鋼(22 %～25 %
Cr) ,用Ni 、Cr 合金或Ti 合金作油套管用以代替中碳(0. 2 %～0. 4 %C)Mn、Mo (加微量Nb、V、Ti) 低合金熱軋
無縫管或高頻直縫焊管[10 ] 。
此類管材在其有效期內(nèi),無需其它配套措施,對油氣井生產(chǎn)作業(yè)無影響,且工藝最簡單,但初期投資很
大。目前世界上許多國家如阿根廷、日本、挪威等都在研制價(jià)格便宜、防腐效果好的合金鋼油氣管材,國內(nèi)
寶山鋼鐵有限公司也在研制這類管材[2 ] 。
文獻(xiàn)[14 ]通過對國內(nèi)五種石油專用管材的HIC 和SSCC 分析,綜合考慮合金元素對HIC 和SSCC 的影
響后認(rèn)為,低碳錳鋼石油專用管材的主要成分為: WC = 0. 06 %～0. 08 %、WMn
´ 1. 3 %、WSi = 0. 16 %～
0. 38 %、WP
´ 0. 016 %、WS
´ 0. 005 % ,在此基礎(chǔ)上再加入0. 01～0. 05 %的Ti 、Ni 、V、Nb、Cu、Re 等元素。
3. 5 　使用玻璃鋼或塑料管材
文獻(xiàn)[15 ]報(bào)道,玻璃鋼管道在國外已得到廣泛使用,如中東地區(qū)的輸水及輸油管道全部采用玻璃鋼,
第2　期　 胡鵬飛等:油氣管道腐蝕及防護(hù)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展 ·101 ·
在日本大口徑的輸液管以及與水相關(guān)的管道已占到25 %。目前國內(nèi)玻璃鋼管應(yīng)用不多,但已有不少單位
在進(jìn)行該方面的工作。文獻(xiàn)[16 ]報(bào)道,塑料管材不僅耐腐蝕,而且制造工藝簡單,有利于環(huán)保,是一種有發(fā)
展前途的新型油田用管。目前使用最多的是聚乙烯管材,聚乙烯管因其承載能力低而使其應(yīng)用受到限制,
但有兩種類型的塑料管得到了廣泛的應(yīng)用: (1) 加內(nèi)襯鋼管,由聚乙烯管在鋼管內(nèi)拔制而成; (2) 強(qiáng)力聚乙
烯管,由纏繞柔韌材料(金屬絲、帶、纖維) 的玻璃鋼外殼和加金屬的內(nèi)壁制成。塑料管材在油氣田上的應(yīng)
用已取得了良好的效果,今后塑料管材會得到更廣泛的應(yīng)用。
3. 6 　陰極保護(hù)
目前陰極保護(hù)使用范圍日趨廣泛,地下管道、電纜、儲槽、橋梁、熱交換器、冷卻器等凡是與電解質(zhì)溶液
接觸而產(chǎn)生腐蝕的設(shè)備都可以用陰極保護(hù)法來提高其抗腐蝕能力[17 ] 。
陰極保護(hù)有兩種方法[18 ] : (1) 犧牲陽極法:將被保護(hù)金屬和一種可以提供保護(hù)電流的金屬或合金(即
犧牲陽極) 相連,使被保護(hù)體極化以降低腐蝕速率。(2) 強(qiáng)制電流保護(hù)法:將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相
連,由外部電源提供保護(hù)電流,以降低腐蝕速率。
在油田防腐上,主要是利用犧牲陽極的方式來保護(hù)井下管柱(一般用于保護(hù)套管) 免受腐蝕,但其操作
工藝復(fù)雜,方案設(shè)計(jì)時(shí)所需基本參數(shù)要求準(zhǔn)確,且易受現(xiàn)場環(huán)境影響,很難達(dá)到最佳的防腐效果,作業(yè)成本
也較高[10 ] 。
文獻(xiàn)[18 ]報(bào)道了管道外防腐絕緣層與陰極保護(hù)的聯(lián)合使用是最經(jīng)濟(jì)、最合理的防腐措施,還報(bào)道了燕
山石化公司對埋地管道采用防腐涂層結(jié)合犧牲陽極的陰極保護(hù)法,對管道的防腐起到了良好的效果。
3. 7 　鍍鋁鋼在管道防腐技術(shù)上的應(yīng)用
早在1893 年,德國人就發(fā)明了鋼材熱浸鍍鋁技術(shù),隨后法國、美國也公布了熱浸鍍鋁的技術(shù)專利,20
世紀(jì)50 年代到60 年代,國外鋼帶熱浸鍍技術(shù)處于迅速發(fā)展時(shí)期[19 ] 。我國自上世紀(jì)80 年代至今已建成十
幾個(gè)鍍鋁生產(chǎn)廠家[20 ] 。鍍鋁鋼材因具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、特別是具有優(yōu)異的耐硫化(SO2 、H2S) 腐
蝕性而被廣泛地應(yīng)用于石油、石化、化工、冶金、機(jī)械、建筑、交通工程、電力工程、海洋工程及國防領(lǐng)域。鍍
鋁鋼的耐大氣和耐SO2 腐蝕性能均明顯高于鍍鋅鋼板。美國鋼鐵公司用鍍鋁鋼板作屋頂板,經(jīng)23 年連續(xù)
使用證明,鍍鋁板在工業(yè)大氣、海洋與鄉(xiāng)村環(huán)境中的腐蝕性比熱鍍鋅鋼板高5～9 倍[19 ] 。
文獻(xiàn)[21 ,22 ]分別研究了5 %Al - Zn 和55 %Al - Zn 鍍鋁鋼的微觀結(jié)構(gòu)和耐蝕性,研究表明鍍層傾向于
形成中間合金(FeAl3 ,Fe2Al5 ,Fe4Al13 ) 。鍍層腐蝕按下列順序發(fā)生:富Zn 相(α) 、富Al 相(β) ,最后是中間合
金,正是由于這層中間合金使鍍鋁鋼的耐腐蝕性得以提高。
近些年,又發(fā)現(xiàn)加入適量的稀土表面鍍鋁層的光亮平整性、耐蝕性、流動性、形成性、微觀組織等都有
大大提高和改善[23～25 ] 。稀土可以提高合金涂層的致密性,可以在Fe 、Al 合金表面存在一定的富集,增強(qiáng)
Fe 、Al 之間的擴(kuò)散,使Fe 、Al 合金層與基體的界面呈鋸齒狀,這種起伏可以提高界面積,從而提高界面結(jié)合
力;并且稀土在鋁層中可以減少非金屬夾雜,使鍍層腐蝕活化電位降低,抗腐蝕能力提高[26 ] 。
文獻(xiàn)[27 ]報(bào)道了適量的稀土可以明顯提高鍍件在強(qiáng)酸介質(zhì)中的耐腐蝕性能,加入RE 后,小孔腐蝕逐
漸向均勻腐蝕過渡,這表明鍍層中的RE 阻止了小孔的生核和使小孔鈍化,增強(qiáng)了鍍層小孔的穩(wěn)定性,因
而提高了鍍層的耐腐蝕性能。極為活潑的RE 有可能在雜質(zhì)濃度較高處與雜質(zhì)反應(yīng)生成復(fù)雜的化合物,
減少熱浸鍍件表面的活性區(qū)域,使鍍件表面趨于一致,從而減少微電池反應(yīng);另外,富集在鍍件表面的RE
可以形成致密均勻的氧化層,這兩方面的影響使構(gòu)件在HCl 水溶液中的耐腐蝕性能提高。
采用鍍鋁鋼比采用玻璃鋼、不銹鋼、合金鋼等更加經(jīng)濟(jì),比傳統(tǒng)的粉末涂層與基體的結(jié)合更牢,且不老
化、耐磨損、在苛刻條件下更耐腐蝕。
4 　防護(hù)方法的選擇
文獻(xiàn)[14 ]通過實(shí)例說明合理防腐技術(shù)的確定與待開發(fā)油藏的壽命Lt 與普通碳鋼油管的預(yù)計(jì)壽命Lp
之比r = Lt
PLp 有關(guān)。在不同腐蝕環(huán)境下,假定采用的緩蝕劑的緩蝕效率不變,目前的價(jià)格體系不變,則可
以根據(jù)r 值確定可采用的防腐技術(shù)。
當(dāng)r ≤2 時(shí),即在開發(fā)過程中,最多需更換一次油管時(shí),適宜采用普通碳鋼油管。當(dāng)2 < r ≤10 時(shí),即采
·102 · 河 南 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 自 然 科 學(xué) 版 ) 2　00　3年
用普通碳鋼需多次更換油管,加緩蝕劑后無需換油管時(shí),適宜采用普通碳鋼并注入緩蝕劑。當(dāng)r > 10 時(shí),
即添加緩蝕劑后也無需更換油管時(shí),適宜采用合金鋼油管。
國內(nèi)油氣田的油氣成分、開采年限、腐蝕介質(zhì)、地質(zhì)狀況、土壤成分等都不盡相同,所以在選擇油氣管
的防腐措施時(shí),要綜合考慮各種實(shí)際情況選擇最合適的防護(hù)技術(shù)。
5 　結(jié)束語
以上分析表明,我國的油氣井都存在著不同程度的腐蝕問題,有的為CO2 腐蝕,有的為H2 S 腐蝕,有的
兩者兼而有之。采用緩蝕劑、使用涂鍍層管材、使用普通碳鋼管、使用耐蝕合金鋼管材、使用玻璃鋼和塑料
管材、陰極保護(hù)這幾種常用的防護(hù)措施都有其優(yōu)點(diǎn)和不足。針對不同油氣井的實(shí)際情況,應(yīng)采用最經(jīng)濟(jì)、
最簡單的防腐技術(shù)。同時(shí),可以預(yù)見鍍鋁鋼作為油氣井管材的應(yīng)用將是一個(gè)非常廣闊的研究領(lǐng)域。
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第2　期　 胡鵬飛等:油氣管道腐蝕及防護(hù)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展 ·103 ·
計(jì)要求。
4 　結(jié)論
(1) 在機(jī)構(gòu)綜合中引入模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高設(shè)計(jì)的合理性。
(2) 建立了機(jī)構(gòu)綜合的模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,為各種機(jī)構(gòu)的模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理
論參考。
參考文獻(xiàn):
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Optimum De sign of Fuzzy Reliability for Mechanism Motion
LI Ming2Xi
(Dep. of Sci . Res. , Huangshi Polytechnic Coll . , Huangshi 435003 ,China)
Abstract :The mathematical model is established for the optimum design of the fuzzy reliability about mechanism motion
by taking the optimal design theory and the fuzzy reliablity into the mechanism synthesis. The calculation of an autual
example proved that the model can improve the accuracy of mechanism design.
Key words :Mechanism design ;Fuzzy control theory ;Reliability ;Optimum design
(上接第103 頁)
Re search Status and Progre ss of Anti2corro sion of
Oil and Ga s Pipe s at Home and Abroad
HU Peng2Fei ,WEN Jiu2Ba ,LI Quan2An
(Mater. Sci . &amp;amp; Eng. Coll . , Henan Univ. of Sci . &amp;amp; Technol . ,Luoyang ,471003 ,China)
Abstract :There are several corrosive gases in most oil2field of our country , such as CO2 and H2S. The corrosions of
CO2 and H2S are the main. In this paper ,the corrosive mechanism and influencing factors of CO2 and H2S corrosions
are described ,based on which several anti2corrosion measures are introduced ,such as corrosion inhibitor ,coating pipe ,
popular carbon steel pipe ,glass steel and plastic pipe and cathodic protection ,finally it is pointed out that application
of hot dip aluminized steel in the oil and gas pipe will be a broad research field.
Key words :Pipelines ;Protection ;Corrosion rate
·110 · 河 南 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 自 然 科 學(xué) 版 ) 2　00　3年

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