作者：潘一孫林楊雙春于斌 遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院撫順113001

    1、前言

    管道輸送流體具有成本低、安全等優點，是應用最為廣泛的流體輸送方式。但由于管道大都埋于地下，會受到輸送介質、土壤、地下水以及雜散電流的腐蝕，腐蝕會導致管壁變薄，甚至穿孔泄漏，最終使管道失效[1]，這不僅造成了巨大的經濟損失和資源浪費，同時，泄漏物還會造成環境污染。據統計，全世界每年因腐蝕損失掉大約10%~20%的金屬，造成的經濟損失超過1.8萬億美元[2]。中國工程院調查結果表明，2008年我國因腐蝕造成的經濟損失就高達1.2萬億至2萬億元人民幣。目前國內外學者對管道腐蝕的研究主要集中在防腐涂料的研制、緩蝕劑的開發、腐蝕的檢測、腐蝕預測模型的建立等。詳細的分析輸水管道、輸油管道、輸氣管道的腐蝕機理，對比防護方法和腐蝕監測方法，可以為腐蝕防護的相關研究提供參考，以減少腐蝕所帶來的損失。本文主要對輸水管道腐蝕與防護、輸油管道腐蝕與防護以及輸氣管道腐蝕與防護的研究現狀進行綜述，并提出了一些建議和展望。

    2管道腐蝕與防護

    2.1輸水管道的腐蝕與防護

    輸水管道腐蝕是由水體中的腐蝕成分引起的，按輸送水質的不同，輸水管道一般分為城市供水管道和排污管道。

    2.1.1城市供水管道的腐蝕與防護

    水本身 是電解質，在管道內表面屬性有差異的部位形成電極，從而形成電化學腐蝕。電化學腐蝕是城市供水管道腐蝕的主要機理。管壁表面是否清潔，有無雜質，對腐蝕的發生和發展速率有很大的影響。供水 過程中的溶解氧、CO2、硫酸鹽、氯化物、殘留消毒劑也對管道的腐蝕有一定影響。自來水中的Cl-會破壞鈍化膜，并且作為腐蝕的催化劑，誘導Fe2+水解，進而腐蝕管道，通過實驗得出Cl-腐蝕濃度范圍為0.2~0.6mg/L。微生物[3]亦是給水管道腐蝕影響因素之一，自養需氧型鐵細菌（IRB）和異樣厭氧型硫酸鹽還原菌（SRB）是最主要的腐蝕菌種。有學者[4]研究了水流速度對腐蝕的影響，水流速度與氧氣到金屬表面的速度成正比，同時水流沖刷金屬表面的腐蝕產物，加快金屬的腐蝕速率，進而加快管道的腐蝕。當然，水體的pH值也是影響管道腐蝕的因素之一。

    城市供水管道的防腐方法主要包括刮管法、內襯里技術和陰極保護法三類。刮管法[5]是成熟的供水管道防腐技術，包括炮彈法、高壓射流法、機械刮管法、彈性沖管器法、氣壓脈沖法、水錘法。其中在高壓射流法的實驗研究中發現，射流角度在35°~45°之間，孔徑在1.4~1.6mm之間，孔數在8~10個之間射流將產生較大沖擊力和推力。彈性沖擊器法由于沒有與之配套的襯里技術，其除銹效果不理想。內涂襯里技術[6]是供水管道常用的防腐技術之一，如水泥砂漿襯里、環氧樹脂襯里、內襯軟管法。楊軍[7]用高分子環氧樹脂聚合物、聚酰胺-脂環胺硬化劑、鈦白粉、混合溶劑、滑石粉，按5∶1∶1∶1∶1的比例合成出一種輸水管道專用防腐涂料，這種涂料對混凝土鋼結構的粘結性強，滲透性好。陰極保護法也是常用的防腐方法，有金屬熱噴涂與外加電流的陰極保護法和犧牲陽極的陰極保護法。另外采用抗腐蝕性管材對管道腐蝕也會起到一定的作用[8]。Choi等[9]根據Cr、Cu和Ca在水流停滯條件下，能夠對表面銹層金屬氧化物形成保護的現象，提出了在生產管道時可以加入以上金屬元素以提高低碳鋼的耐腐蝕性能。

    目前，對于輸水管道腐蝕的檢測方法有音聽檢 漏法、相關檢漏法、區域泄漏檢測法和埋地水管道泄漏檢測的方法。在埋地水管道泄漏檢測[10]的方法中漏水點檢測準確率可高達95%，漏水點定位誤差不大于±1m。還有學者提出采用電磁波傳感器[11]、小波變換法[12]來檢測水管道。Safuzadeh等[13]開發了一種管道內部光學檢測系統，儀器包括激光二極管，光環狀圖案發生器和CCD照相機，系統利用反射和物理傳感器來對提取的圖像進行缺陷和異常的識別。張業放[14]設計了一種自來水管道泄漏檢測器，單片機模塊分別與傳感器模塊、電源模塊、數據輸入模塊、顯示模塊、報警模塊連接；自來水管內設置傳感器模塊，傳感器模塊將泄漏信號轉換成脈沖信號發送給單片機模塊，最終送達到顯示模塊和報警模塊。該泄漏檢測器解決了日常生活中自來水管道系統存在的因管道年久失修等原因而破裂等問題。

    2.1.2排污管道

    排污管道輸送的介質成分 復雜，污水中的酸堿性物質會對管線造成腐蝕；隨著污水在管道內停留時間的增加，污水中的溶解氧和硝酸鹽完全被消耗，管道內的厭氧環境會促進硫化氫氣體的生成，H2S對管道會產生腐蝕；污水中的S[15]經過一系列的生物化學反應還會轉變成H2SO4，進而與管道中的水泥基材料發生反應，腐蝕管道。 另外對于輸送某些特殊介質的管道，如油田產出水管道，在氣田開采過程中需要在井口處向采氣管線注入甲醇，用來抑制天然氣水合物的生成，最終形成氣田含醇污水，這種含醇污水會加快管線腐蝕[16]。含油污水中的pH值、溶解氧、溶解鹽、CO2，H2S、細菌以及壓力和溫度變化等都是對管道構成腐蝕的因素[17]。CO2，H2S溶于水后形成酸，對鋼材造成腐蝕，另外由于O2是一種去極化劑，因此溶解在水中的O2能夠加劇CO2，H2S對金屬管壁的腐蝕。而一些微生物細菌（如鐵細菌），能在中性介質中通過鐵離子價態的變化而獲取新陳代謝的能量，反應生成的高價鐵具有很強的氧化性，可以把硫化物氧化成硫酸，進而腐蝕管道。

    污水管道防腐同樣可以采用內涂襯里技術，但由于污水水質復雜，需要采用高性能的防腐內涂襯里，如鈦納米聚合物涂料[18]，該內涂襯里涂料在涂層含量為6%時，三元復合液的防腐效果最佳，耐化學腐蝕性能優越；涂料能夠填充結構微孔、提高基體與涂層結合強度，在涂膜中分布均勻性好，沒有聚集現象。有學者提出向城市污水管道中注入空氣來抑制H2S腐蝕的技術[19]，但該技術需要較高的成本，因此對于H2S腐蝕的防護還需要探討更廉價的方法。

    對于含油污水中溶解性腐蝕氣體的防護方法分為化學方法和工藝方法?；瘜W方法包括緩蝕法和水質改性法。在油田的產出水中，CO2及HCO3-能構成弱酸性緩沖體系，并與Mg2+，Ca2+，Fe2+反應生成沉淀導致結垢，水質改性方法就是打破這種緩沖體系，用含有OH-的離子調整劑調整水體中離子比例，從而改變水性來控制腐蝕、抑制結垢、凈化水體。含油污水工藝防護方法包括電解、脫氣膜、超重力和氣提工藝。其中氣提工藝因處理量大，運行費用低，操作簡單而廣泛應用于工程實際中。脫氣膜技術由于在水處理的應用中有許多限制條件，其處理工藝的經濟性還有待確認，該技術還處于實驗室研究階段。

    目前，對于污水管道檢測的方法[20]有管道閉路電視檢測系統、管道內窺聲納檢測、管道檢測機器人技術、管道掃描與評價技術、使用便攜式檢測系統-潛望鏡、聚焦電機滲漏定位儀與掃描電鏡、使用多重傳感器。其中管道閉路電視檢測系統是國內外普遍采用的技術，該技術有圖像清晰，操作安全，便于管理等優點。另外還有學者研究出利用超聲法[21]來對排水管道進行檢測，該技術利用超聲波在水中傳播遇到障礙物會反射的原理來達到檢測排水管的目的。但在檢測時超聲回波的信號不是特別穩定，容易造成誤檢和漏檢，因此對于超聲法檢測仍是今后研究的重點。

    2.2輸油管道的腐蝕與防護

    石油中含有大量的烷烴、環烷烴、芳香烴等有機物和無機物，因此輸油管道的腐蝕機理和防護方法相對輸水管道復雜。

    油品中摻雜了CO2，H2S，SO2等氣體，這些氣體溶于水生成碳酸、硫酸會造成酸腐蝕。油品中的泥沙在輸送過程中能夠沖刷管道破壞管道壁的鈍化膜，產生磨損腐蝕[22]。油品中的溶解氧和硫酸鹽還原菌等微生物以及溫度、壓力、流速流態變化等因素的協同作用也會對管道構成嚴重的腐蝕。Obuekwe等[23]描述了一種“硫化物的無限層疊”現象。透過這種現象，作者認為原油中的各種好氧和厭氧細菌會協同作用于硫化物，進而產生硫化物層疊現象，造成輸油管道的腐蝕。

    目前，對輸油管道內腐蝕的防護方法有添加化學藥劑、內涂襯里保護和陰極保護技術[24]。Mo-hanmed等[25]合成了一種芽孢桿菌B21拮抗劑，這種拮抗劑能降低硫酸鹽還原菌的增長，減少產生的硫化物，并且會消耗硫酸鹽，從而減輕對管道的腐蝕。對于不同介質和使用條件，選用合適的金屬材料也是降低管道腐蝕的有效方法。文獻[26]研究出一種長鋼管內外表面耐腐蝕處理技術，該技術結合了化學熱處理和電加熱方法，可以在任意長度的細鋼管內外表面上形成一層高耐腐蝕性能的化學滲層，滲層深度可達0.25~0.80mm，在3%NaCl水溶液中，耐蝕性可以提高5倍，與1Cr18Ni9Ti不銹鋼相當；鋼管內表層硬化層深度可達0.15~0.40mm，硬度可達HV1200以上，耐磨性提高2倍。還有學者提出金屬表面狀態也是影響腐蝕的重要因素[27]，加工粗糙不光滑的表面比磨光的金屬表面易受腐蝕。

    油氣管道泄露的檢測方法有超聲波法、漏磁法、渦流法等，但檢測時需要逐點掃描，費用高，效率比較低，因此在長輸管道的檢測方面不能有效應用。文獻[28]提出了一種聲發射技術，該方法克服了常規檢測方法的不足，靈敏度高，操作簡便，檢測費用低，適合長距離管道檢測。還有運用光纖傳感器，使測量儀器和被測量物體固定在一起，當管壁變薄或產生裂紋時，管道內部壓力變化會導致管道表面結構的變化，進而達到測量目的，15m傳感器的精度可達到1微應變[29] 。還有一種管道壁瞬變電磁（TEM）檢測法，是通過檢測管道的壁厚來判斷其腐蝕程度的。文獻[30] 研制一種微波檢測法，該方法通過檢測管道保溫層下的水分從而判斷管道的腐蝕情況。還有金屬磁記憶方法[31] 檢測輸油管道的報道，這種技術具有快速、高效和非開挖等特點，適合于長輸管道的檢測。

    2.3輸氣管道的腐蝕與防護

    天然氣主要成分是CH4，還含少量C2H6，C4H10，CO2，CO，H2S等，另外在天然氣運輸的過程中會伴有水蒸氣，流動介質的溫度、壓力降低可以使水蒸氣液化，并與CO，H2S形成酸從而腐蝕管道。電化學腐蝕也是輸氣管道腐蝕的一個重要因素。鋼在氣相和液相環境中會發生坑蝕，并且在含濕H2S的天然氣介質中還會產生硫化物應力腐蝕[32] 。氣體的流速、溫度、壓力對管道的腐蝕速率也有影響。

    目前，用于輸氣管道防腐的技術有涂層技術、電化學保護技術和緩蝕劑防腐技術。涂層技術包括防蝕涂層、復合涂層、三層聚乙烯/聚丙烯涂層、環氧粉末涂層和液體聚氯脂涂層。其中，三層聚乙烯在防腐蝕方面效果比較好。由于液相緩蝕劑接觸不到管道頂部，濕氣管道的頂部管線腐蝕一直是一個問題，文獻[33]提出在泡沫基體里注入緩蝕劑，緩蝕劑在注射端口緩慢覆蓋，形成氣相流過管道，這樣使緩蝕劑在濕氣管道頂部均勻覆蓋，達到抑制腐蝕的目的。 目前，輸氣管道外腐蝕的檢測方法有管-地電位測量法和管內電流測量法[34]，內腐蝕檢測有漏磁通法和超聲波檢測法。還有學者提出探測球法、半滲透檢測管法、聲發射技術法。Wang等[35]在輸氣管道檢測方面運用了管道網絡模擬和成熟的氣體數據采集與監控系統（SCADA）來檢測輸氣管道的腐蝕情況。對輸氣管道的檢測，Safizadeh等[36]采用了一種脈沖渦流技術，在輸氣管道檢測方面有很好的效果。另外，李蓮明等[37]發明了一種天然氣管道在線腐蝕監測裝置，該裝置由生產管線、閥門、分流管線和掛片裝置組成。裝置能在多種壓力、溫度情況下，對天然氣管道進行在線腐蝕監測，結果準確，為管道清管提供數據；檢測過程中在不影響生產的情況下可以起下掛片，掛片還能重復利用。該技術減少監測施工量，節約經費，可在氣田生產領域廣泛應用。

    3 總結與展望

    （1）城市排水管道中H2S的產生機制，目前還沒有相關的理論予以闡釋；在利用超聲法檢測污水管道時，超聲回波的信號不是特別穩定。 （2）脫氣膜技術在水處理工藝的應用中有很多限制條件，其經濟性還有待于確認。 （3）在利用彈性沖擊器法防護管道的過程中，沒有行之有效的襯里技術與其配套，除銹效果也有待于加強。