关于义棠煤业瓦斯抽采管路防腐的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：古宁(1995)，男，汉族，山西介休人，本科，助理工程师，现就职于山西义棠煤业有限责任公司，研究方向为矿井通风与安全。-5-关于义棠煤业瓦斯抽采管路防腐的研究 古 宁 山西义棠煤业有限责任公司，山西 晋中 032000 摘要：摘要：瓦斯抽采系统在现代煤矿运用的越来越多，而抽采管路的防腐问题也愈发重要。针对义棠煤业瓦斯抽采管路腐蚀多发，尤其是在法兰盘连接处最为严重的这一问题，通过现场勘察研究，同时结合相关理论技术，总结出：在高 H2S 含量、高湿度的瓦斯环境下，管路腐蚀有多种形式，包括应力腐蚀、冲刷腐蚀、电化学腐蚀等，在公司绝大部分发生在管路法兰盘连接下部附近，主要原因是工艺缺陷形成一个凹形环圈，在该处下部发生了由冲刷腐蚀、应力腐蚀及电化学腐蚀综合作用的腐蚀，并且互相促进，加快了腐蚀的进程。实验证明，在采用充填高强度防腐材料、管路平整、加强探测技术等措施后，管路的使用寿命得到延长。关键词：关键词：管路腐蚀；硫化氢；凹形环圈；防腐涂层；脱硫 中图分类号：中图分类号：TD712 0 引言 瓦斯作为一种清洁能源，不仅可以创造经济价值，而且作为一种温室气体，还具有很大的社会环保意义。瓦斯主要赋存于煤层中，但随着现代煤矿开采深度及规模的的加大，经常会发生瓦斯突出、瓦斯爆炸等各类瓦斯事故，严重威胁着煤矿的安全生产。经过多年实践，瓦斯抽采系统可以有效解决这一问题。但抽采系统在实际的运行过程中存在各种问题影响着抽采效率和运行稳定性。据相关数据统计分析，2010 年以来美国 432 起油品管道事故和 238 起天然气管道事故，排名首位的原因为腐蚀（107 起，占 25%），国内四川省某天然气管路因腐蚀造成的安全事故更是高达 75%，严重威胁着矿井的安全生产1。造成的原因是多方面的，目前国内外主要防治措施有使用缓蚀剂5、防腐涂层、阴极保护、防腐材料、杀菌剂等措施方法，基本可以有效解决这一问题，但是不同企业有着各自不同的特点，引发腐蚀的因素也不尽相同，有针对性的提出防治措施，就显得尤为重要。1 公司概况 山西义棠煤业有限责任公司位于晋中盆地西南介休市义棠镇刘屯沟，井田范围属霍西煤田孝柳矿区师屯精查区，批准开采 1 号、2 号、9 号、10 号煤层，设计生产能力 1.80Mt/a。公司井下有两个开采水平，分别为+610 开水水平和+535 开采水平。9 号煤为特低灰中灰，中高硫分，特高热值之瘦煤，10 号煤为特低灰中灰，中高硫分，特高热值之瘦煤。2013 年鉴定为高瓦斯矿井，公司于 2014 年建立地面固定瓦斯抽采系统，并建立配套瓦斯发电机组。矿井瓦斯主要赋存在下组煤煤层顶板的 K2石灰岩裂隙中，呈游离态。委托有资质单位做煤层瓦斯涌出量预测，本煤层瓦斯含量低，在 2-4 m/t 之间；抽采瓦斯中 H2S 含量较高，在 50ppm 左右，故为保护抽采泵及发电机组，在抽采泵站进气端建立了配套脱硫塔。从抽采系统运行以来，很好的解决了公司的瓦斯问题，确保了公司的安全生产。2 抽采系统简介及管路腐蚀现状 2.1 抽采系统简介 公司现有两套地面固定抽采系统，分别为高浓抽采系统和低浓抽采系统。高浓抽采系统采用 2BEC110水环式真空泵，一用一备，主管路选用122012mm环氧树脂涂层螺旋钢管，支管路选用3258mm 环氧树脂涂层螺旋钢管。主管路长度约 2200m，支管路长度约 4000m。主管路铺设在下组煤瓦斯抽采巷中，支管路铺设在下组煤西翼回风大巷和下组煤瓦斯抽采巷段和段。低浓抽采系统采用 2BEC62 水环式真空泵，一用一备，主管路选用规格为6308mm 环氧树脂涂层螺旋钢管，支管路选用规格为3256mm 环氧树脂涂层螺旋钢管，采用法兰连接。主管路长度约 3200m，支管路长度约 2000m。主管路铺设在下组煤西翼回风大巷中，支管路铺设在下组煤瓦斯抽采巷段和 100510 回中国科技期刊数据库 工业 A 采工作面回风顺槽。管路采用采用法兰连接，管壁环氧涂层厚度 0.5mm 左右。在低洼地段及拐弯处安装有放水器。安装有配套的安全附属装置和监控系统。2.2 管路腐蚀现状 公司在冲抽采系统管路，在管路来源上整体上可以分为购买管路和自制管路。其中购买管路均采用环氧数脂涂层包覆的钢管，其通过采用加热方式将涂层粉末均匀的牢固的附着在钢管上。现公司自制管路方法，采用传统电焊焊接完成后，直接涂抹环氧树脂油漆。自抽采系统运行以来，管路腐蚀破损事情时有发生，造成抽采系统效率下降，影响井下生产安全。后经现场勘察，腐蚀管路有多种情况及形状，但经过总结分类，井下管路腐蚀主要形式总的可分为四种形式。第一种，法兰盘连接处腐蚀。主要表现为一个或多个不规则的空洞，腐蚀部分包括法兰盘和管壁。多发生在低洼容易积水的法兰附近，尤其是瓦斯流动方向下侧的法兰盘受到的腐蚀最为严重，这种腐蚀形式在公司井下最为常见，危害性也是最为严重。第二种，条状腐蚀，通常腐蚀较严重。多表现为中间一条狭长的破口，破口两侧管壁薄，壁厚大为减少，若不及时处理，腐蚀破口会继续向两侧扩大。主要发生在积水管路下部及弯头外弯侧。第三种，坑状腐蚀。主要是表现为一个近似圆形的腐蚀坑，多出现在管路底部，在其他位置也多有出现，一般较为隐蔽，发现都是在后期4。一旦出现后未及时处理，其会进一步发展，直至穿透管壁，或多个连在一起，加快腐蚀进度及破坏程度。分布基本没有规律，随机出现。这种类型在公司出现较少。第四种，片状腐蚀。表现为均匀腐蚀，初期腐蚀较为缓慢，主要分布在防腐涂层大面积脱落的区域，或者未进行防腐处理管壁处，一般多发生在管路外部，受到外部环境的腐蚀，平时氧化腐蚀进程缓慢，一旦遇到合适环境条件，例如浸泡积水、洒水等，就会加快腐蚀。3 原因分析 针对公司的抽采管路腐蚀特性，结合公司井下实际情况，经过综合分析，抽采管路腐蚀主要原因如下：第一，抽采瓦斯中硫化氢含量较高，溶于水后形成酸性溶液，进而发生电化学腐蚀。由于公司下组煤9+10 号煤均为中高硫分，煤层含硫量较大，致使所以抽采瓦斯中含有硫化氢气体，经检测含量在 50ppm 左右。干燥的硫化氢不会对管材产生腐蚀，但是一旦溶于水后，硫化氢就会发生电离析出氢离子，使得抽采内壁水膜呈现酸性，当接触裸露的铁管后，形成原电池，发生电化学腐蚀1。第二，管路连接不平直，部分凹陷地段容易发生应力腐蚀。由于井下巷道底板不平整，会造成瓦斯管路起伏不平直，从而形成多个凹陷段。这样在凹陷区域的管路下部就会形成拉力应力区，一个向管路两端拉扯的力，进而具备发生应力腐蚀的条件，见图 1。图 1 管路下部受力示意图 第三，由于管路法兰盘焊接工艺缘故，管路连接处出现环形凹陷，发生冲刷腐蚀和应力腐蚀5，并且具有明显的加速腐蚀效果。由于现在的管路焊接工艺，为确保法兰盘的接触面一致，确保不会发生直管或焊接突出法兰盘平面的情况，就必须确保直管末端处于法兰盘内侧，便于焊接。也就是说管路与法兰盘末端未完全对齐，而是在接口处形成了一个直径突然扩大的环形凹陷区，见图 2、图 3。图 2 法兰连接除凹陷区局部示意图 6中国科技期刊数据库 工业 A 图 3 法兰连接除凹陷区整体示意图 这种结构就会造成，抽采时管路内瓦斯气流中带动的煤尘、岩尘等固体颗粒，会不断的冲击凹陷区下风侧的直管棱角，不断摩擦破坏该处的防腐涂层，同时其与焊接处残余应力腐蚀相结合，互相影响。不断的加速腐蚀的进度，最终形成腐蚀破口。一般管径越大，则这一凹陷区效因越显著，例如 DN1200 管路的这一环形凹陷区宽度可达 300mm，深度 12mm，成为影响管路腐蚀的重要因素。涂层局部防护缺少，包括防护涂层磕碰脱落和有破口6，致使管路基材钢铁裸露在外界环境中，直接受到各种腐蚀因素的影响，包括含有硫化氢的酸性溶液发生的电化学腐蚀，积水冲刷腐蚀等。抽采瓦斯中富含二氧化碳，其溶于水后，会形成碳酸，在管道内壁不均匀处或着有材料缺陷点机会不断腐蚀管壁基材，发生坑蚀。这种情况较为隐蔽，一般开始阶段难以发现。其会逐步扩大腐蚀范围及深度，最终造成管壁破损。这种管路腐蚀在义棠煤业属于少数情况。第六，自制管件处理不规范。由于实际的安全生产需要，公司会根据现场的需要制作管件，虽然选用的管材和法兰盘都符合国标，由取得点氧焊资格证的工人焊接6。但后期对管件的防腐处理就显现出不标准的缺陷。现在是简单的清理管壁后，使用环氧树脂漆直接涂抹在管件内外管壁上，晾干后使用。这种处理方式一方面由于未对管壁上的氧化层进行彻底的清理影响防腐涂层的附着性；另一方面是在常温下直接涂抹防腐料，也会降低防腐涂层的附着力和强度。致使管件在实际使用中，短期内就会出现涂层脱落、磨损等情况，减少管路保护期限，发生腐蚀现象。4 防治措施及效果 针对上述原因，公司采取了一系列的措施，经过一段时间的观测，较好的解决了这一问题，提高了管路的使用寿命和抽采系统的可靠性。4.1 防治措施 第一，平直管路，避免低洼出现。经过现场勘察后，对部分管路安装巷道进行压底，使巷道尽可能保持一个坡度，避免出现波浪式的起伏。同时，通过调整吊挂管路的铁链长度或支撑座的高度，来保证管路尽可能保持平直11。第二，增加放水器，及时排放管内积水。在拐弯处及经过修整后，管路仍有低洼地段处，加设放水器11。放水量较大的地点可以使用自动放水器。在日常管理过程中，加强巡检人员及防水工的责任意识，制定考核方案，确保冲抽采管路内的积水可以积水排放。第三，充实凹陷区，加强接口防腐。抽采管内的充填物质，必须具备防腐、抗磨、抗静电，同时与有涂层良好结合的特性，经过研究之后，使用一种主要成分为碳化硅的防腐涂料7，对接口处凹陷区进行处理，主要处理其下部分。见图 4。经过处理后，容易发生冲刷腐蚀的凹陷区，就不存在了。同时也加强了该处的防腐图层厚度及强度。图 4 管路修补示意图 第四，避免出现涂层脱落，发现及时修补4。在管路安装前，对管路内外进行仔细检查，发现磕碰等原因造成涂层出现破损后，及时进行修补，确保修补面平滑7。第五，改善自制管件加工工艺。使用磨砂机对锈7中国科技期刊数据库 工业 A 蚀的管路进行打磨，直至完全去除氧化层露出基材9，然后使用喷枪对其进行喷涂作业，在静电和高速气流的作用下，提高了涂层的附着力，如有必要还会使用红外线灯对其进行照射，提高凝固速度和硬度。第六，对瓦斯进行脱硫处理5。为保护地面抽采泵及发电装置，义煤公司在抽采泵站建立有配套的湿式脱硫系统，经过脱硫后，瓦斯中不含硫化氢，在实际运行中，抽采泵站和发电系统发生腐蚀事故大大减少。第七，使用超声波探测仪对重点区域进行测量，及时发现问题10。公司使用 PD-T825 型超声波探测仪定期对管路低洼段、弯头、钻场集气管等容易发生腐蚀的地带你进行探测，一旦发现管壁厚度小于警戒值，则立即安排进行更换，并对受腐蚀管路进行防腐维护，这样不仅可以最大程度避免管路突然破损漏气。而且还可以延长管路的使用寿命，增加经济效益。4.2 防治效果 经过近一年的实践，抽采管路因腐蚀导致的破损情况有较大的改善。主管路经过综合措施防治后，抽采管路破损频次大幅降低，由以往的 10 个月延长至现在 14 个月，管路依旧未出现破损情况。对于其他地点的抽采管路，也有不同程度的缓解，大大减少了抽采系统的维护成本和运行可靠性。5 主要结论（1）瓦斯抽采管路腐蚀情况较为复杂，是多种因素综合作用导致的。但不同的环境有着各自主要的腐蚀类型，需要有针对性的进行防治。（2）抽采管路内应避免管径的突然变化。无论是突然扩大或者缩小，都会在加快该区域的腐蚀进度，不利于防腐需要。如若无法避免，则需要对该区域进行后期充填，尽可能减少影响。（3）确保钢铁基材外部防腐涂层的完整性。避免出现因为磕碰、工艺等原因造成的涂层脱落、受损等情况出现，若出现这一情况，则需要及时进行处理，重新涂抹防腐涂层。（4）及时对管内积水进行排放，减少管内积水时间。通过优化管路铺设，减少形成低洼地段。及安装放水器等措施，加以解决。（5）若在有条件的情况，可以对瓦斯进行脱硫，可以避免管路出现酸性积水，从而更好的保护管路。参考文献 1刘毅超,钟显康,扈俊颖.湿气环境中抗硫钢的元素硫腐蚀特征及腐蚀机理.中国腐蚀与防护学报J.2022,42(03):369-377.2赵叶林.天然气输送管道的腐蚀与保护探讨J.技术应用与研究,2017(9):19-20.3冯旻祎,高茂萍.中国页岩气腐蚀原因分析及防护措施讨J.石化技术,2022,29(1):169-171.4艾昕宇,同航,梁裕如,等.天然气集输管网腐蚀类型及特征研究J.化学工程师,2021,35(09):61-64.5王杰.油气管道内腐蚀因素分析及防护技术研究J.绿色环保建材,2019(11):243-245.6杨莉,何凯.油气集输管道焊接接头的腐蚀分析与防护J.化学工程与装备,2018,(12):67-69.7黄汉齐.防腐涂料在石油天然气管道中的应用探讨J.全面腐蚀控制.2021,35(08):157-158,161.8王冰,刘晓娟,熊哲,等.某天然气管道内腐蚀原因及防控措施J.表面技术,2018,47(06):89-94.9 盛 恩 怀,金 志 刚,汪 开 喜 等.前 处 理 清 洁 度 对 涂 装 维 修 后 涂 层 附 着 力 的 影 响 J.涂 装 技术,2021,40(12):964-968.10杨明海.天然气管道腐蚀原因及防治措施J.化工管理,2022(08):124-126.11易冬蕊,梁裕如,李鹤,等.陕北低渗气田地形起伏管路积液危害分析及对策研究J.管道技术与设备,2020(04):13-16.8