國內(nèi)外管道腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展
一、前言
管道輸送流體具有成本低、安全等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)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(zhì)、土壤、地下水以及雜散電流的腐蝕，腐蝕會導(dǎo)致管壁變薄，甚至穿孔泄漏，最終使管道失效，這不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，同時，泄漏物還會造成環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因腐蝕損失掉大約10%~20%的金屬，造成的經(jīng)濟(jì)損失超過1.8萬億美元。中國工程院調(diào)查結(jié)果表明，2008年我國因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)1.2萬億至2萬億元人民幣。目前國內(nèi)外學(xué)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(fā)、腐蝕的檢測、腐蝕預(yù)測模型的建立等。詳細(xì)的分析輸水管道、輸油管道、輸氣管道的腐蝕機(jī)理，對比防護(hù)方法和腐蝕監(jiān)測方法，可以為腐蝕防護(hù)的相關(guān)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(hù)、輸油管道腐蝕與防護(hù)以及輸氣管道腐蝕與防護(hù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并提出了一些建議和展望。二、管道腐蝕與防護(hù)
2.1 輸水管道的腐蝕與防護(hù)
輸水管道腐蝕是由水體中的腐蝕成分引起的，按輸送水質(zhì)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(hù)
水本身 是電解質(zhì)，在管道內(nèi)表面屬性有差異的部位形成電極，從而形成電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是城市供水管道腐蝕的主要機(jī)理。管壁表面是否清潔，有無雜質(zhì)，對腐蝕的發(fā)生和發(fā)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(dǎo)Fe2+水解，進(jìn)而腐蝕管道，通過實(shí)驗(yàn)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(yǎng)需氧型鐵細(xì)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(xué)者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(chǎn)物，加快金屬的腐蝕速率，進(jìn)而加快管道的腐蝕。當(dāng)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(nèi)襯里技術(shù)和陰極保護(hù)法三類。刮管法是成熟的供水管道防腐技術(shù)，包括炮彈法、高壓射流法、機(jī)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(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，射流角度在35°~45°之間，孔徑在1.4~1.6mm之間，孔數(shù)在8~10個之間射流將產(chǎn)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(shù)，其除銹效果不理想。內(nèi)涂襯里技術(shù)[6]是供水管道常用的防腐技術(shù)之一，如水泥砂漿襯里、環(huán)氧樹脂襯里、內(nèi)襯軟管法。楊軍用高分子環(huán)氧樹脂聚合物、聚酰胺-脂環(huán)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(jié)構(gòu)的粘結(jié)性強(qiáng)，滲透性好。陰極保護(hù)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(hù)法和犧牲陽極的陰極保護(hù)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(jù)Cr、Cu和Ca在水流停滯條件下，能夠?qū)Ρ砻驿P層金屬氧化物形成保護(hù)的現(xiàn)象，提出了在生產(chǎn)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(guān)檢漏法、區(qū)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的方法中漏水點(diǎn)檢測準(zhǔn)確率可高達(dá)95%，漏水點(diǎn)定位誤差不大于±1m。還有學(xué)者提出采用電磁波傳感器、小波變換法來檢測水管道。Safuzadeh等開發(fā)了一種管道內(nèi)部光學(xué)檢測系統(tǒng)，儀器包括激光二極管，光環(huán)狀圖案發(fā)生器和CCD照相機(jī)，系統(tǒng)利用反射和物理傳感器來對提取的圖像進(jìn)行缺陷和異常的識別。張業(yè)放設(shè)計(jì)了一種自來水管道泄漏檢測器，單片機(jī)模塊分別與傳感器模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、顯示模塊、報警模塊連接；自來水管內(nèi)設(shè)置傳感器模塊，傳感器模塊將泄漏信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號發(fā)送給單片機(jī)模塊，最終送達(dá)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(tǒng)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(zhì)成分 復(fù)雜，污水中的酸堿性物質(zhì)會對管線造成腐蝕；隨著污水在管道內(nèi)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(nèi)的厭氧環(huán)境會促進(jìn)硫化氫氣體的生成，H2S對管道會產(chǎn)生腐蝕；污水中的S經(jīng)過一系列的生物化學(xué)反應(yīng)還會轉(zhuǎn)變成H2SO4，進(jìn)而與管道中的水泥基材料發(fā)生反應(yīng)，腐蝕管道。 另外對于輸送某些特殊介質(zhì)的管道，如油田產(chǎn)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。含油污水中的pH值、溶解氧、溶解鹽、CO2，H2S、細(xì)菌以及壓力和溫度變化等都是對管道構(gòu)成腐蝕的因素。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(xì)菌（如鐵細(xì)菌），能在中性介質(zhì)中通過鐵離子價態(tài)的變化而獲取新陳代謝的能量，反應(yīng)生成的高價鐵具有很強(qiáng)的氧化性，可以把硫化物氧化成硫酸，進(jìn)而腐蝕管道。污水管道防腐同樣可以采用內(nèi)涂襯里技術(shù)，但由于污水水質(zhì)復(fù)雜，需要采用高性能的防腐內(nèi)涂襯里，如鈦納米聚合物涂料，該內(nèi)涂襯里涂料在涂層含量為6%時，三元復(fù)合液的防腐效果最佳，耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)越；涂料能夠填充結(jié)構(gòu)微孔、提高基體與涂層結(jié)合強(qiáng)度，在涂膜中分布均勻性好，沒有聚集現(xiàn)象。有學(xué)者提出向城市污水管道中注入空氣來抑制H2S腐蝕的技術(shù)，但該技術(shù)需要較高的成本，因此對于H2S腐蝕的防護(hù)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(hù)方法分為化學(xué)方法和工藝方法?；瘜W(xué)方法包括緩蝕法和水質(zhì)改性法。在油田的產(chǎn)出水中，CO2及HCO3-能構(gòu)成弱酸性緩沖體系，并與Mg2+，Ca2+，F(xiàn)e2+反應(yīng)生成沉淀導(dǎo)致結(jié)垢，水質(zhì)改性方法就是打破這種緩沖體系，用含有OH-的離子調(diào)整劑調(diào)整水體中離子比例，從而改變水性來控制腐蝕、抑制結(jié)垢、凈化水體。含油污水工藝防護(hù)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(yùn)行費(fèi)用低，操作簡單而廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。脫氣膜技術(shù)由于在水處理的應(yīng)用中有許多限制條件，其處理工藝的經(jīng)濟(jì)性還有待確認(rèn)，該技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
目前，對于污水管道檢測的方法有管道閉路電視檢測系統(tǒng)、管道內(nèi)窺聲納檢測、管道檢測機(jī)器人技術(shù)、管道掃描與評價技術(shù)、使用便攜式檢測系統(tǒng)-潛望鏡、聚焦電機(jī)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(tǒng)是國內(nèi)外普遍采用的技術(shù)，該技術(shù)有圖像清晰，操作安全，便于管理等優(yōu)點(diǎn)。另外還有學(xué)者研究出利用超聲法來對排水管道進(jìn)行檢測，該技術(shù)利用超聲波在水中傳播遇到障礙物會反射的原理來達(dá)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(wěn)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(diǎn)。
2.2 輸油管道的腐蝕與防護(hù)
石油中含有大量的烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等有機(jī)物和無機(jī)物，因此輸油管道的腐蝕機(jī)理和防護(hù)方法相對輸水管道復(fù)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(chǎn)生磨損腐蝕。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(tài)變化等因素的協(xié)同作用也會對管道構(gòu)成嚴(yán)重的腐蝕。Obuekwe等描述了一種“硫化物的無限層疊”現(xiàn)象。透過這種現(xiàn)象，作者認(rèn)為原油中的各種好氧和厭氧細(xì)菌會協(xié)同作用于硫化物，進(jìn)而產(chǎn)生硫化物層疊現(xiàn)象，造成輸油管道的腐蝕。
目前，對輸油管道內(nèi)腐蝕的防護(hù)方法有添加化學(xué)藥劑、內(nèi)涂襯里保護(hù)和陰極保護(hù)技術(shù)。Mo-hanmed等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(chǎn)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(zhì)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(xiàn)研究出一種長鋼管內(nèi)外表面耐腐蝕處理技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了化學(xué)熱處理和電加熱方法，可以在任意長度的細(xì)鋼管內(nèi)外表面上形成一層高耐腐蝕性能的化學(xué)滲層，滲層深度可達(dá)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(dāng)；鋼管內(nèi)表層硬化層深度可達(dá)0.15~0.40mm，硬度可達(dá)HV1200以上，耐磨性提高2倍。還有學(xué)者提出金屬表面狀態(tài)也是影響腐蝕的重要因素，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(diǎn)掃描，費(fèi)用高，效率比較低，因此在長輸管道的檢測方面不能有效應(yīng)用。文獻(xiàn)提出了一種聲發(fā)射技術(shù)，該方法克服了常規(guī)檢測方法的不足，靈敏度高，操作簡便，檢測費(fèi)用低，適合長距離管道檢測。還有運(yùn)用光纖傳感器，使測量儀器和被測量物體固定在一起，當(dāng)管壁變薄或產(chǎn)生裂紋時，管道內(nèi)部壓力變化會導(dǎo)致管道表面結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而達(dá)到測量目的，15m傳感器的精度可達(dá)到1微應(yīng)變 。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(xiàn)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檢測輸油管道的報道，這種技術(shù)具有快速、高效和非開挖等特點(diǎn)，適合于長輸管道的檢測。
2.3 輸氣管道的腐蝕與防護(hù)
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(yùn)輸?shù)倪^程中會伴有水蒸氣，流動介質(zhì)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(xué)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(huán)境中會發(fā)生坑蝕，并且在含濕H2S的天然氣介質(zhì)中還會產(chǎn)生硫化物應(yīng)力腐蝕。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(shù)有涂層技術(shù)、電化學(xué)保護(hù)技術(shù)和緩蝕劑防腐技術(shù)。涂層技術(shù)包括防蝕涂層、復(fù)合涂層、三層聚乙烯/聚丙烯涂層、環(huán)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(xiàn)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(dá)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(nèi)電流測量法，內(nèi)腐蝕檢測有漏磁通法和超聲波檢測法。還有學(xué)者提出探測球法、半滲透檢測管法、聲發(fā)射技術(shù)法。Wang等在輸氣管道檢測方面運(yùn)用了管道網(wǎng)絡(luò)模擬和成熟的氣體數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（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(shù)，在輸氣管道檢測方面有很好的效果。另外，李蓮明等發(fā)明了一種天然氣管道在線腐蝕監(jiān)測裝置，該裝置由生產(chǎn)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(jìn)行在線腐蝕監(jiān)測，結(jié)果準(zhǔn)確，為管道清管提供數(shù)據(jù)；檢測過程中在不影響生產(chǎn)的情況下可以起下掛片，掛片還能重復(fù)利用。該技術(shù)減少監(jiān)測施工量，節(jié)約經(jīng)費(fèi)，可在氣田生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
三、總結(jié)與展望
（1）城市排水管道中H2S的產(chǎn)生機(jī)制，目前還沒有相關(guān)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(wěn)定。（2）脫氣膜技術(shù)在水處理工藝的應(yīng)用中有很多限制條件，其經(jīng)濟(jì)性還有待于確認(rèn)。
（3）在利用彈性沖擊器法防護(hù)管道的過程中，沒有行之有效的襯里技術(shù)與其配套，除銹效果也有待于加強(qiáng)。