埋地油气管道腐蚀失效类型及影响因素

石油与天然气是能源的重要组成部分，管道则是油气输送的首选方式。随着服役时间的增加，油气管道面临严峻的腐蚀失效问题。

腐蚀失效类型

对管道的影响

通常，金属材料在接触酸性物质时将发生电化学腐蚀，但是酸性气体不会直接造成腐蚀，只有在水溶液环境中才会发挥作用。在油气管道中，酸腐蚀往往发生于未脱水的站场集输管道中，其中最具有代表性的酸性物质是CO₂和H₂S。CO₂和H₂S是天然气开采过程中的附加产物。此外，二氧化碳提高采收率技术（CO₂-EOR）将导致CO₂伴随管道的整个运行过程。在油气输送过程中，源源不断的CO₂和H₂S补给导致管道肘部积水的pH值长期处于较低水平。以CO₂和H₂S为代表的弱酸性物质所导致的腐蚀始终是油气管道领域最受关注的问题之一。

当管道内CO₂分压高于1 MPa时，材料表面将形成致密的腐蚀产物膜，起到保护基体的作用，此时CO₂的增加将不再导致腐蚀速率进一步增大。然而，多相流状态往往会对腐蚀产物膜的保护性造成一定影响，将多相流模型整合到腐蚀速率预测模型中是未来准确评估油气管道酸腐蚀的重要目标之一。

微生物腐蚀

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微生物通过中间介质或直接与金属间发生电子传递，包括SRB与外细胞膜结合的c-细胞色素与钢表面或半导电性FeS膜接触的直接电子转移（DET），通过导电菌毛的定向电子转移（DET），以及通过氧化还原活性电子介体通过氧化和还原循环进行的介导电子转移（MET），如图1所示；

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生物膜使金属表面形成氧浓差电池；

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生物膜对金属表面的钝化膜、腐蚀产物膜以及防腐蚀涂层的破坏作用；

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生物膜通过代谢消耗介质中的缓蚀剂等，加剧金属腐蚀。微生物抑制腐蚀的主要原因则为其在金属表面形成生物膜或分泌具有黏性的缓蚀剂类物质，从而抑制金属的腐蚀。

图1  SRB与钢之间的电子转移过程示意图

[E^o’为25℃、溶质（不包括H⁺）浓度1 mol/L或气体压力0.1 MPa、pH=7条件下的标准（还原）电位]

应力腐蚀

管道在服役过程中受到多种应力影响，如土壤应力、管道内部残余应力、焊接产生的热应力等。弹性、塑性拉应力均可提高管线钢的表面活性，促进电化学反应在钢表面进行。其中，拉应力对阴极反应的促进作用较阳极反应明显。特别是在高pH值环境下，局部应力大于裂纹萌生阈值的晶界上将出现溶解裂纹，在应力作用下，阳极溶解促进裂纹持续扩展直至断裂（图2）。

图2 高pH值环境下钢的SCC行为各阶段示意图

氢损伤

随着新能源技术的发展，天然气掺氢输送已成为油气储运行业关注的热点话题。利用现有天然气管道以掺氢天然气的形式输送氢气可以有效降低氢气输送成本，但氢对钢制管道的危害已形成广泛共识。在输送过程中，吸附在金属外表面的氢原子进入金属，被内表面吸收，在氢原子浓度梯度的驱动下将扩散到金属内部（图3）。

图3 氢渗透过程示意图

（H_ads⁰、H_abs⁰分别为原子氢、吸收氢）

腐蚀影响因素

温度

在稠油输送工艺中，为保持油品良好的流动性，一般需要加热输送。稠油管道出站温度通常控制在70℃左右，温度对管材耐蚀性的影响备受关注。在酸性环境下，温度较低时的产生的腐蚀产物保护性较差，管道发生均匀腐蚀；在高温条件下，腐蚀产物致密，具有良好的保护作用；当温度高于120℃时，腐蚀产物晶体会快速长大从而导致腐蚀产物膜的内应力增加，最终致使产物膜破裂，引发严重的点蚀穿孔。

腐蚀性阴离子

管道敷设的土壤环境中通常存在大量腐蚀性阴离子（Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、S^2-等），其中Cl^-对管线钢腐蚀行为影响最为显著的阴离子。

阴极保护电位

管道在土壤环境中服役时，通常通过施加阴极保护（Cathode Protection, CP）电位进行防护，不同CP电位下管线钢的腐蚀失效行为差异较大。若阴极保护实施不当，特别是过度保护时，将增加管道运行过程中氢脆和氢致开裂风险。因此相关标准对阴极保护电位的最低值加以规定：一般土壤环境为-0.85 V（vs.CSE），SRB环境为-0.95 V（vs.CSE）。然而，由于管道服役环境十分复杂，杂散电流、涂层破裂等因素均可导致施加电位偏离。例如在埋地管道中，脱粘涂层下的管线钢更易受到阴极电位波动的影响。Ma等研究表明，脱粘涂层下的溶解氧含量将在CP作用下迅速降低，使其转变为厌氧状态，可为土壤中微生物提供良好的生存环境。此外，管道缺陷处的局部电场可导致局部电化学状态转变，即阴极极化状态瞬间转变为阳极极化状态，引发局部腐蚀穿孔。

图4 阴极保护电位负移及其与SRB协同影响钢的SCC行为机理示意图

磁场

在工程应用中，杂散电流、漏磁检测、发电机、电磁阀和各种地下电器设备均可引起复杂磁场，进而影响埋地管道的腐蚀行为。磁场方向对管道腐蚀行为有重要影响，以往研究表明，平行磁场中的洛伦兹力可加速液体对流，从而促进传质过程；垂直磁场产生的磁场梯度力则将导致顺磁性物质发生运动。此外，磁场在工程上也被用作去除微生物的一种手段。

交流电

埋地管道常存在与高压输电工程交叉的情况，此类管道将面临交流电腐蚀的问题。交流电主要通过电流密度、频率、波形3种因素影响钢的腐蚀行为。管道在电流密度较低时将发生均匀腐蚀，而在较高电流密度下将发生严重点蚀，同时较高的交流电流密度将导致钢的应力腐蚀敏感性增加。

图5 NRB和交流电在沈阳土壤浸出液中的腐蚀机理示意图

结论与展望

油气资源是人类赖以生存的重要资源之一，管道输送在未来很长一段时间内仍是主要的油气输送方式。在油气输送过程中，管道面临严重的腐蚀威胁，点蚀穿孔和应力腐蚀开裂是埋地长输油气管道的主要腐蚀失效形式。目前虽已对管线钢在各种环境因素下失效的行为规律和机理进行了大量研究，但仍具有相当大的发展空间。

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在点蚀穿孔方面，目前弱酸机理已经明确，相应的腐蚀速率预测模型也已经趋于成熟。结合多相流模型和弱酸腐蚀机理建立弱酸作用下的腐蚀速率预测模型是未来准确评估油气管道腐蚀的重要目标之一。

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在应力腐蚀开裂方面，目前埋地管线钢在高温下的应力腐蚀开裂行为研究还不充分，氢与阳极溶解间的相互作用机制尚未明确，微生物作用下的应力腐蚀开裂机理还尚不成熟。

作者：吴明，谢飞，陈旭，王丹，孙东旭

来源：油气储运、官网科技