石油與天然氣是能源的重要組成部分，管道則是油氣輸送的首選方式。隨著服役時間的增加，油氣管道面臨嚴(yán)峻的腐蝕失效問題。

一、腐蝕失效類型

通常，金屬材料在接觸酸性物質(zhì)時將發(fā)生電化學(xué)腐蝕，但是酸性氣體不會直接造成腐蝕，只有在水溶液環(huán)境中才會發(fā)揮作用。在油氣管道中，酸腐蝕往往發(fā)生于未脫水的站場集輸管道中，其中最具有代表性的酸性物質(zhì)是CO2和H2S。CO2和H2S是天然氣開采過程中的附加產(chǎn)物。此外，二氧化碳提高采收率技術(shù)（CO2-EOR）將導(dǎo)致CO2伴隨管道的整個運(yùn)行過程。在油氣輸送過程中，源源不斷的CO2和H2S補(bǔ)給導(dǎo)致管道肘部積水的pH值長期處于較低水平。以CO2和H2S為代表的弱酸性物質(zhì)所導(dǎo)致的腐蝕始終是油氣管道領(lǐng)域最受關(guān)注的問題之一。

當(dāng)管道內(nèi)CO2分壓高于1 MPa時，材料表面將形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜，起到保護(hù)基體的作用，此時CO2的增加將不再導(dǎo)致腐蝕速率進(jìn)一步增大。然而，多相流狀態(tài)往往會對腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性造成一定影響，將多相流模型整合到腐蝕速率預(yù)測模型中是未來準(zhǔn)確評估油氣管道酸腐蝕的重要目標(biāo)之一。

1、微生物腐蝕

（1）微生物通過中間介質(zhì)或直接與金屬間發(fā)生電子傳遞，包括SRB與外細(xì)胞膜結(jié)合的c-細(xì)胞色素與鋼表面或半導(dǎo)電性FeS膜接觸的直接電子轉(zhuǎn)移（DET），通過導(dǎo)電菌毛的定向電子轉(zhuǎn)移（DET），以及通過氧化還原活性電子介體通過氧化和還原循環(huán)進(jìn)行的介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（MET）

（2）生物膜使金屬表面形成氧濃差電池；

（3）生物膜對金屬表面的鈍化膜、腐蝕產(chǎn)物膜以及防腐蝕涂層的破壞作用；

（4）生物膜通過代謝消耗介質(zhì)中的緩蝕劑等，加劇金屬腐蝕。微生物抑制腐蝕的主要原因則為其在金屬表面形成生物膜或分泌具有黏性的緩蝕劑類物質(zhì)，從而抑制金屬的腐蝕。

2、應(yīng)力腐蝕

管道在服役過程中受到多種應(yīng)力影響，如土壤應(yīng)力、管道內(nèi)部殘余應(yīng)力、焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力等。彈性、塑性拉應(yīng)力均可提高管線鋼的表面活性，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)在鋼表面進(jìn)行。其中，拉應(yīng)力對陰極反應(yīng)的促進(jìn)作用較陽極反應(yīng)明顯。特別是在高pH值環(huán)境下，局部應(yīng)力大于裂紋萌生閾值的晶界上將出現(xiàn)溶解裂紋，在應(yīng)力作用下，陽極溶解促進(jìn)裂紋持續(xù)擴(kuò)展直至斷裂。

3、氫損傷

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，天然氣摻氫輸送已成為油氣儲運(yùn)行業(yè)關(guān)注的熱點話題。利用現(xiàn)有天然氣管道以摻氫天然氣的形式輸送氫氣可以有效降低氫氣輸送成本，但氫對鋼制管道的危害已形成廣泛共識。在輸送過程中，吸附在金屬外表面的氫原子進(jìn)入金屬，被內(nèi)表面吸收，在氫原子濃度梯度的驅(qū)動下將擴(kuò)散到金屬內(nèi)部。

二、腐蝕影響因素

溫度

在稠油輸送工藝中，為保持油品良好的流動性，一般需要加熱輸送。稠油管道出站溫度通?？刂圃?0℃左右，溫度對管材耐蝕性的影響備受關(guān)注。在酸性環(huán)境下，溫度較低時的產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)性較差，管道發(fā)生均勻腐蝕；在高溫條件下，腐蝕產(chǎn)物致密，具有良好的保護(hù)作用；當(dāng)溫度高于120℃時，腐蝕產(chǎn)物晶體會快速長大從而導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜的內(nèi)應(yīng)力增加，最終致使產(chǎn)物膜破裂，引發(fā)嚴(yán)重的點蝕穿孔。

腐蝕性陰離子

陰極保護(hù)電位

管道在土壤環(huán)境中服役時，通常通過施加陰極保護(hù)（Cathode Protection, CP）電位進(jìn)行防護(hù)，不同CP電位下管線鋼的腐蝕失效行為差異較大。若陰極保護(hù)實施不當(dāng)，特別是過度保護(hù)時，將增加管道運(yùn)行過程中氫脆和氫致開裂風(fēng)險。因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對陰極保護(hù)電位的最低值加以規(guī)定：一般土壤環(huán)境為-0.85 V（vs.CSE），SRB環(huán)境為-0.95 V（vs.CSE）。然而，由于管道服役環(huán)境十分復(fù)雜，雜散電流、涂層破裂等因素均可導(dǎo)致施加電位偏離。例如在埋地管道中，脫粘涂層下的管線鋼更易受到陰極電位波動的影響。Ma等研究表明，脫粘涂層下的溶解氧含量將在CP作用下迅速降低，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，可為土壤中微生物提供良好的生存環(huán)境。此外，管道缺陷處的局部電場可導(dǎo)致局部電化學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，即陰極極化狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)殛枠O極化狀態(tài)，引發(fā)局部腐蝕穿孔。

磁場

在工程應(yīng)用中，雜散電流、漏磁檢測、發(fā)電機(jī)、電磁閥和各種地下電器設(shè)備均可引起復(fù)雜磁場，進(jìn)而影響埋地管道的腐蝕行為。磁場方向?qū)艿栏g行為有重要影響，以往研究表明，平行磁場中的洛倫茲力可加速液體對流，從而促進(jìn)傳質(zhì)過程；垂直磁場產(chǎn)生的磁場梯度力則將導(dǎo)致順磁性物質(zhì)發(fā)生運(yùn)動。此外，磁場在工程上也被用作去除微生物的一種手段。

交流電

埋地管道常存在與高壓輸電工程交叉的情況，此類管道將面臨交流電腐蝕的問題。交流電主要通過電流密度、頻率、波形3種因素影響鋼的腐蝕行為。管道在電流密度較低時將發(fā)生均勻腐蝕，而在較高電流密度下將發(fā)生嚴(yán)重點蝕，同時較高的交流電流密度將導(dǎo)致鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性增加。

三、結(jié)論與展望

油氣資源是人類賴以生存的重要資源之一，管道輸送在未來很長一段時間內(nèi)仍是主要的油氣輸送方式。在油氣輸送過程中，管道面臨嚴(yán)重的腐蝕威脅，點蝕穿孔和應(yīng)力腐蝕開裂是埋地長輸油氣管道的主要腐蝕失效形式。目前雖已對管線鋼在各種環(huán)境因素下失效的行為規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了大量研究，但仍具有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

1、在點蝕穿孔方面，目前弱酸機(jī)理已經(jīng)明確，相應(yīng)的腐蝕速率預(yù)測模型也已經(jīng)趨于成熟。結(jié)合多相流模型和弱酸腐蝕機(jī)理建立弱酸作用下的腐蝕速率預(yù)測模型是未來準(zhǔn)確評估油氣管道腐蝕的重要目標(biāo)之一。

2、在應(yīng)力腐蝕開裂方面，目前埋地管線鋼在高溫下的應(yīng)力腐蝕開裂行為研究還不充分，氫與陽極溶解間的相互作用機(jī)制尚未明確，微生物作用下的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理還尚不成熟。

四、夢能服務(wù)與支持

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