油气长管线腐蚀文献综述.doc

文献综述
(油气0502 胡兴乔 0120505690236)

正式接触毕业设计题目已经三周了，在这段时间里我通过网络、期刊、书籍查阅了很多关于油气长输管道腐蚀及其防护的材料，现将材料综述如下：
一、 现役油气长输管线腐蚀现状
管道作为五大运输方式之一，已有100多年的历史。由于市场对能源的需求，管输事业发展迅猛。
目前，世界长距离输送管道约200万km以上。发达国家原油管输量占总输量的80％，天然气管输量占95％。腐蚀是引起管道系统可靠性和使用寿命的关键因素，腐蚀破坏引起的恶性突发事故，往往造成巨大的经济损失和严重的社会后果。世界各国每年因管道腐蚀造成的经济损失，美国约20亿美元，英国约17亿美元，德国和日本约33亿美元【1】。
我国每年腐蚀造成的直接经济损失也十分可观，有人统计，腐蚀造成的直接经济损失大约占国民经济净产值（GNP）的3％～4％，这和其他国家数据相仿。
作为油气勘探开发和储运的油气管道（包括油管、套管、长距离输油气管、出油管、油田油气集输管，注水注气、注二氧化碳、注聚合物管等）其失效形式主要表现为腐蚀失效，主要腐蚀介质有、、、硫酸盐还原菌（SRB）。此外，腐蚀还极易造成管线内介质的跑、冒、滴、漏，污染环境而引起公害，甚至发生中毒、火灾、爆炸等恶性事故。大量的研究表明，尽管腐蚀很难完全避免，但可以控制。
二、油气长输管线的主要腐蚀类型
腐蚀是指材料受环境介质的化学和电化学作用而破坏的现象。由于金属腐蚀的现象与机理相当复杂，金属腐蚀的分类也是多样的。常见的分类原则有按作用机理划分、破坏特征划分和腐蚀环境划分3种【2】。
2．1 按照腐蚀的作用机理划分
1.化学腐蚀（1）气体腐蚀（2）在非电解质溶液中的腐蚀
2.电化学腐蚀（1）微电池（2）宏电池
3.腐蚀原电池的形成条件（1）有电解质溶液与金属相接触；（2）金属的不同部分或两种金属之间存在点击电位差，电极电位较低的部分形成原电池的阳极，受到腐蚀；（3）两电极之间互相连通，电流可以流动。
4.杂散电流腐蚀
2.2 按照腐蚀的破坏特征划分
1.全面腐蚀
2.局部腐蚀
2.3 按照腐蚀环境划分
1.土壤腐蚀
2.大气腐蚀
3.海水腐蚀
4.细菌腐蚀。
三、 油气长输管线的主要腐蚀防护措施
根据油气管道腐蚀机理不同，所处的环境条件不同，采用相应的腐蚀控制方法。概括起来有：
（1）选用在该管道具体运行条件下的适用钢材和焊接工艺；
（2）选用管道防腐层及阴极保护的外防护措施；
（3）控制管输流体的成分，如净化处理除去水及酸性组分；
（4）使用缓蚀剂控制内腐蚀；
（5）选用内防腐涂层；
（6）建立腐蚀监控和管理系统。
四、阴极保护的发展及现状
阴极保护方法就是使整个金属表面（阳极-阴极）相对于外部阳极成为阴极。
人类在和腐蚀作斗争过程中，创立和发展了腐蚀科学。电化学保护技术的发展是与腐蚀科学的进步分不开的。
早在1823年，英国学者汉﹒戴维先生接受了英国海军部队的木制舰船铜护套腐蚀的研究，他试图用锡、铁和锌对铜进行保护，并将铁和锌对铜的保护列在1824年发表的报告中，这就是现代腐蚀科学中阴极保护的起点。
戴维的学生米﹒法拉第于1834年发现了腐蚀电流和腐蚀量的关系。他的这一发现奠定了电化学的理论基础。
1890年爱迪生曾设想用外加电流来达到船舶阴极保护的目的，然而，由于当时没有合适的阳极材料和电源设备，他的设想未能成功。1902年K﹒柯恩思使用外加电流成功地实现了实际的阴极保护。1906年卡尔鲁赫公务工程经理赫伯特﹒盖波特建起了第一座阴极保护站，用一台容量为10V/12A的直流发电机保护电车轨道电厂内300m的煤气和供水管道，并于1908年获得德国专利。1913年秋，在日内瓦召开的金属学会大会上命名这一方法为“电化学保护”。
为了防止蒸汽锅炉和管子生锈，E﹒卡姆博兰德于1905年在美国使用了外加点了阴极保护。1924年芝加哥铁路公司的一些车头配备了有阴极保护的锅炉，极大地延长了锅炉的工作寿命。
1906年德国的F﹒哈博和L﹒戈尔德史密斯从事一项科学基础研究。他们认为阴极保护和杂散电流腐蚀都是电化学现象，并在《电化学杂志》上阐述了测量电流密度、土壤电阻和管道对地电位的方法。哈博使用了不极化硫酸锌参比电极测量电位。两年后，麦克兰姆第一次试用了硫酸铜参比电极。
R﹒J﹒柯恩，于1928年在新奥尔良州一条长距离输气管道上安装了第一台阴极保护整流器。他通过试验发现，-0﹒85V（相对饱和硫酸铜电极）的电位足以防止各种形式的腐蚀。1928年柯恩在国家标准局华盛顿防腐大会上报告了实验的重要价值，为阴极保护进入现代技术奠定了基础。
1936年美国成立了中部大陆阴极保护协会，这个协会是后来国家腐蚀工程师协会（NACE）的基础。
1940年英国应用了牺牲阳极阴极保护，德国和日本分别是在1950年和1946年开始研究电化学保护理论的，并开始了煤气管道的阴极保护【1】。
阴极保护技术在我国石油管道上的应用研究始于1958年。到了20世纪60年代初期，在新疆、大庆、四川等油气管道上陆续推广了阴极保护技术。20世纪70年代，我国的长输管道已广泛采用了阴极保护【3】。
目前，国外阴极保护技术已做到了法律化、标准化，比较重要的有《美国气体管道联邦最低安全标准》、德国的《长输管道运输危险液体的规定》、NACE的《埋地及水下金属管道外腐蚀控制推荐做法》等。
中国的第一部管道防腐蚀技术标准是SYJ7-84《钢制管道和储罐防腐蚀工程设计规范》。第一部法规是国务院1989年颁布的《石油、天然气罐的管理条例》，条例首次将管道阴极保护的要求列入了管理的内容。目前，国内17000余公里的长距离油气管道已经全部采用了阴极保护，为国民经济的发展提供了有力的保障。
阴极保护是一种控制管道腐蚀的有效方法，它有效弥补了涂层缺陷而引起的腐蚀，能大大延长管道的使用寿命。自1824年阴极保护技术发现以来，阴极保护技术已广泛应用于石油石化等各行各业各个领域的钢铁构筑物的腐蚀防护【4】。
为了适应国内外腐蚀与防护技术的发展趋势，新型深井阳极外加电流阴极保护系统应运而生.。此新型阴极保护系统是一种技术创新，具有自主的知识产权的“免维修长效”阴极保护技术，它针对气阻问题，采用分段预制式阳极井体和组合装配式深井阳极地床结构，有效的克服了气阻影响。近年来这项技术已经成功的应用在新疆塔里木油田、塔河油田、辽阳化纤，仪征化纤、扬子石化、大庆石化、宁波逸盛、绍兴华联三鑫以及海南实华炼化等防腐蚀阴极保护工程，并取得明显的功效【5】。
阳极地床一般分为浅埋阳极地床和深井阳极地床两种。浅埋阳极地床的特点是土方开挖量大, 安装简便, 技术要求低, 便于维修, 对附近地下钢结构影响大, 保护距离短, 阴极保护电流分布不均匀, 适用于短距离管道。深井阳极地床是近几年大应用的一种先进的阴极保护技术, 它是将辅助阳极安装在直径一、深度为以内的阳极井中, 与浅埋阳极地床相比其优点为占地少, 对非保护的地下钢结构的影响小, 保护体上电流分布均匀, 保护距离长, 适用于复杂的、屏蔽现象严重的管网和山区, 是区域性阴极保护的主要技术之一【6】。
五．阴极保护的方法
阴极保护是将埋在地下的钢质管道与外加电源的负极相连,并通过与外加电源正极相连的辅助阳极在地下形成一对大地电池。由于埋地管道与电源的负极相连,因此埋地管道受到阴极极化,并成为大地电池的阴极,管道表面的电位均一化,使其表面原有的腐蚀微电池消失,并共同向负的电位方向移动,一直极化到金属在热力学上的稳定态,即不腐蚀状态。
实现阴极保护的方法通常有牺牲阳极法和强制电流法。由于杂散电流排出过程中，在管道上保留有一定的负电位，使管道得到了阴极保护，所以排流保护也是一种限定条件下的阴极保护方法。
5.1 牺牲阳极法
在腐蚀电池中，阳极腐蚀，阴极不腐蚀。利用这一原理，以牺牲阳极优先溶解，金属构筑物成为阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极法，如图1所示【7】。

图2 牺牲阳极法阴极保护结构
作为牺牲阳极的材料必须具备下列条件【8】：
（1） 要有足够的负电位，且很稳定；
（2） 工作中阳极极化要小，溶解均匀，腐蚀产物易脱落；
（3） 阳极必须有高的电流效率，即实际电容量和理论电容量之比的百分数要大；
（4） 电化当量高，即单位质量的电容量要大；
（5） 腐蚀产物无毒，不污染环境；
（6） 材料来源广，加工容易，价格便宜。
在土壤环境中常用的阳极材料有镁和镁合金、锌和锌合金；在海洋环境中还有铝和铝合金。
牺牲阳极保护法的主要特点是适用范围广, 尤其适用于中短距离和复杂的管网阳极输出电流小, 因此发生阴极剥离的可能性小，随管道安装一起施工时, 工程量较小运行期间维护工作简单。
5.2 强制电流法
根据阴极保护的原理，用外部的直流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极接管道（被保护的构筑物），将电源的正极接至辅助阳极，在电流的作用下，使管道发生阴极极化，实现阴极保护，如图2所示【9】。

图2　埋地管道实施强制电流法阴极保护原理图
强制电流法的电源常用的有整流器，还有太阳能电池、热电发生器、风力发电机等。辅助阳极的常用材料有高硅铸铁、石墨、磁性氧化铁及废钢铁等。
强制电流保护法的主要特点是适用于长输管线和区域性管网的保护输出电流大, 一次性投资相对较小。安装工程量较小, 可对旧管道补加阴极保护系统运行期间需要专业人员维护容易实现远程自动化监控【10】。
5.3 排流保护
当有杂散电流存在时，通过排流可以实现对管道的阴极极化，这时杂散电流成了阴极保护的电流源。但排流保护是受到杂散电流所限制的。通常的排流方式有直接排流、极性排流、强制排流3种形式。
六、阴极保护的设计
在设计阴极保护时，需对处于此环境下的腐蚀实例进行深入分析，尽可能多的获得腐蚀缺陷的长度、宽度、深度数据，尤其是关于深度的数据，即对腐蚀现状有个清晰的认识。在此基础上进行设计可以做到对“度”的恰当把握。【11】
6.1 阴极保护参数
1.自然腐蚀电位 无论采用牺牲阳极保护还是采用强制电流阴极保护，被保护金属构筑物的自然腐蚀电位都是一个极为重要的参数。它体现了金属构筑物本身的活性，决定了阴极保护所需电流的大小，同时又是阴极保护准则中重要的参考点。
2.保护电位 按GB/T10123-2001的定义，保护电位为“进入保护电位范围所必须达到的腐蚀电位的临界值”。保护电位是阴极保护的关键参数，它标志了阴极极化的程度，是监视和控制阴极保护效果的重要指标。
3.保护电流密度 在GB/T10123-2001中，保护电流密度的定义是“从恒定在保护电位范围内某一电位的电极表面上流入或流出的电流密度”。此定义适用于阴极保护和阳极保护，对于阴极保护来说只能是“流入”。
4.阴极保护保护度 按GB/T10123-2001的定义，保护度是“通过防腐蚀措施使特定类型的腐蚀速率减小的百分数”。这一参数可以直观地看出阴极保护的效果。它是通过试样在阴极保护状态下和非保护状态下的检测结果对比得来。在管道实践中通常用检查片来测定。
6.2 阴极保护的系统设计
6.2.1 对被保护构筑物选用阴极保护方式时主要考虑如下因素：
（1） 保护范围的大小：保护范围大着者强制电流保护优越，保护范围小者牺牲阳极保护经济；
（2） 土壤电阻率的限制：电阻率太高不易采用牺牲阳极保护法；
（3） 周围邻近的金属构筑物：有时因干扰项限制了强制电流保护的应用；
（4） 覆盖层的质量：对于覆盖层太差或裸露的金属表面，因其所需保护电流太大而使牺牲阳极保护不适用；
（5） 可利用的电源因素；
（6） 经济性。
6.2.2 阴极保护系统设计要点：
（1） 绝缘装置的设置：在各站进出管道上设置埋地型绝缘接头；
（2） 防止杂散电流的措施：我国行业标准规定，管道附近土壤中电位梯度大于0.5mV/m时认为有干扰的可能，当电位梯度大于2.5mV/m时应考虑采取防护措施。在交流杂散电流干扰严重的地区可以通过提高防腐蚀层等级和设置排流锌阳极组来减少杂散电流对管道的腐蚀和干扰；
（3） 穿跨越处的特殊保护：在套管内设计安全锌镯式阳极或锌带状阳极；
（4） 焊点防腐。
七、参考文献
【1】寇杰，梁法春，陈婧.油气管道腐蚀与防护.北京：中国石化出版社，2008
【2】杨筱蘅．油气管道安全工程．北京：中国石化出版社，2005
【3】冯叔初，张国忠，李德高．石油储运英语教程．东营：石油大学出版社，2004.1
【4】郑津洋，马夏康，尹谢平.长输管道安全．北京：化学工业出版社，2004.4
【5】武 烈，周永超，李振智，张强德，纪云岭，陈普信，王向军. 中原油田采油站罐区及地下管线阴极保护应用研究，全面腐蚀控制，2007.8，21（4）：20～23
【6】黄清定，周大刚. 阴极保护技术在航油长输管道上的应用，石油化工腐蚀与防护，2006，23（6）：53～64
【7】刘福东.阴极保护在炼油厂地下管道中的应用分析, 石油化工腐蚀与防护，2005,22 (5):35～37
【8】刘国胜. 阴极保护在埋地天然气管道中的应用，油气田地面工程，2008.1，27（1）：71～73
【9】胡海文.山区特殊地段长输管道的阴极保护设计,油气储运,2005 ,24 (5)： 37～40
【10】赵金洲，喻西崇，李长俊．缺陷管道适用性评价技术．北京：中国石化出版社，2005
【11】A．P．Teixeira，C。Guedes Soares，T.A.Netto,S.F.Estefen.Reliability of pipeline with corrosion defects.International Journal of Pressure Vessels and Piping.2008,85,228～237
文献摘要
【1】武 烈，周永超，李振智，张强德，纪云岭，陈普信，王向军. 中原油田采油站罐区及地下管线阴极保护应用研究，全面腐蚀控制，2007.8，21（4）：20～23
【摘 要】：采油厂联合站因其腐蚀环境和安全防爆的特殊性而往往成为腐蚀泄漏的多发区。本工程针对文一联合站的具体工况条件，采取严格的技术论证和安全施工工程措施，成功应用新型深井阳极阴极保护新技术，达到安全、优质、规范的要求，对于在国内众多油田联合站的罐区实施阴极保护改造和系统维护具有重要的示范作用。
【关键词】：油田罐区 地下管线 深井阳极 阴极保护 工程技术
【2】黄清定，周大刚. 阴极保护技术在航油长输管道上的应用，石油化工腐蚀与防护，2006，23（6）：53～64
【摘要】：介绍了牺牲阳极和强制电流两种阴极保护技术的特点。依据输油管线的腐蚀情况, 选用了强制电流深井阳极阴极保护技术。重点介绍了该项技术应用于航油长输管道时应考虑的几个问题以及阴极保护参数的选择情况, 对具体使用情况也进行了论述。
【关键词】：航油 长输管道 阴极保护
【3】刘福东.阴极保护在炼油厂地下管道中的应用分析, 石油化工腐蚀与防护，2005,22 (5):35～37
【摘要】：文章介绍了阴极保护的原理、分类及地下管道牺牲阳极保护技术的使用情况, 牺牲阳极保护的计算、投资测算与经济分析, 以及今后的发展方向。
【关键词】：电化学腐蚀 牺牲阳极 阴极保护 地下管道 应用
【4】刘国胜. 阴极保护在埋地天然气管道中的应用，油气田地面工程，2008.1，27（1）：71～73
【摘要】: 天然气管线在施工及运行过程中防腐层产生破损在所难免, 导致管材与土壤
电位存在差异, 产生电化学腐蚀, 因此管网应采取防止电化学腐蚀的措施——阴极保护法。埋地防腐管线在确保防腐层质量良好、施工及运行中防止破损外, 牺牲阳极的保护是必不可少的。
【关键词】: 牺牲阳极; 阴极保护; 施工方法
【5】胡海文.山区特殊地段长输管道的阴极保护设计,油气储运,2005 ,24 (5)： 37～40
【摘　要】：介绍了埋地管道阴极保护设计选型的设计原理,通过对兰成渝成品油管道在某山区段的阴极保护电位检测及后期改造结果进行分析,指出长输管道的阴极保护设计应注重实地考察与调查研究,对特殊地段的阴极保护应采取针对性较高的特殊手段,尤其在山区的高土壤电阻率环境下的管道阴极保护应采用近阳极埋设的阴极保护技术,以保证阴极保护的可行性,提高其有效性,确保管道的安全运行。
【关键词】：　长输管道　　山区　　阴极保护　　土壤电阻率　　设计
【6】A．P．Teixeira，C。Guedes Soares，T.A.Netto,S.F.Estefen.Reliability of pipeline with corrosion defects.International Journal of Pressure Vessels and Piping.2008,85,228～237
Abstract:This paper aims at assessing the reliability of pipelines with corrosion defects subjected to internal pressure using the first-order-reliability method(FORM).The limit-state function is defined based on the results of a series of small-scale experiments and three-dimensional non-linear finite element analysis of the burst pressure of intact and corroded pipelines. A sensitivity analysis is performed for different levels of corrosion damage to identify the influence of the various parameters in the probability of burst collapse of corroded and intact pipes. The Monte Carlo simulation method is used to assess the uncertainty of the estimates of the burst pressure of corroded pipelines. The results of the reliability, sensitivity and uncertainty analysis are compared with results obtained from codes currently used in practice.
Keywords: Pipeline; Corrosion defects ; Burst pressure; Reliability assessment

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