石油运输管道腐蚀原因和腐蚀速率预测研究 (1).pdf

2 01 1正 第 5期 管 技木 5 设各 P i p e l i ne Te c h n i q u e a nd Eq u i p me n t 2 01 1 No ． 5 石 油运输 管道 腐蚀原 因和腐蚀速率预测研 究 牛雁坡 中原石油勘探局工程建设总公司， 河南濮阳4 5 7 0 0 1 摘要 管道运输是石油生产输送中一种重要的运输方式， 其运行的安全可靠性已经引起 了高度的 重视 。介绍 了管道的腐蚀机理 ， 分析 了影响腐蚀的 因素， 从 内、 外防腐蚀 ， 阴极保护等方 面论述 了防腐 蚀的应对措施 。为了对输油管道的腐蚀速率进行预测 ， 掌握输油管道腐蚀 的基本规律 ， 介绍 了几种 常 用的油气集输管道腐蚀速率预测研 究方法， 为今后石油运输管道腐蚀 的研究及腐蚀速率预测研究的发 展提供 了参考方向。 关键词 管道； 腐蚀机理 ； 防腐措施 ； 腐蚀速率； 改进的遗传算法 中图分类号 T E 9 8 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 1 0 5 0 0 4 5 0 3 St ud y o f t he Oi l Tr a n s p o r t a t i o n Pi pe l i n e Co r r o s i o n a nd Co r r o s i o n Ra t e Pr e di c t i o n NI U Ya n p o Z h o n g y u a n P e t r o l e u m E x p l o r a ti o n B u r e a u E n g i n e e r i n g C o n s t r u c t i o n C o r p o r a ti o n ， P u y a n g 4 5 7 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t P i p e l i n e s t r a n s p o r t i s a n i mp o r t a n t mo d e o f t r an s p o rt i n p e t r o l e u m p r o d u c t i o n c o n v e y a n c e ， an d d u e t o i t s s e c u ri t y an d r e l i a b i l i t y o f r u n n i n gi t i s w o rt h a h i g h d e g r e e o f a t t e n t i o n ． T h i s p a p e r d e s c rib e s t h e p i p e l i n e s c o r r o s i o n me c h a n i s m a n d a n a l y z e s t h e c o r r o s i o n i n flu e n c e f a c t o r s ． I t d i s c u s s e s a n t i c o r r o s i o n me a s u r e s i n l i g h t o f b o t h i n t e r n a l and e x t e rna l c o rro s i o n， a n d c a t h o d i c p rot e c t i o n asp e c t s ． I n o r d e r t o f o r e c a s t t h e c o r r o s i o n r a t e o f o i l p i p e l i n e s ， ma s t e r t h e b asi c l a ws o f p i p e l i n e c o rro s i o n ． I t i n t r o d u c e d s e v e r a l c o mmo n o i l and g a s p i p e l i n e c o r r o s i o n r a t e p r e d i c t i o n r e s e a r c h me t h o d s f o r a f u t u r e s t u d y o f o i l p i p e l i n e c o r r o s i o n a n d p ro v i d e s s o me r e f e r e n c e for c o r r o s i o n r a t e p r e d i c t i o n r e s e a r c h d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s p i p e l i n e s ； c o r r o s i o n me c h a n i s m ； a n t i c o rro s i o n me a s u r e s ； c o rro s i o n r a t e； i mp rov e d a d a p t i v e g e n e t i c a l g o r i t h ms 0引言 目 前， 随着能源市场需求激增 ， 管道运输事业发 展迅猛 ， 全世界形成了许多 国际性 的大型输 油管网和 供气系统。对于石油运输管道来说， 腐蚀是威胁其长 期安全运行的主要因素， 这已经引起了相关人员的高 度重视。国内的地下油气管线投产不 久后即屡次发 生腐蚀穿孔， 有必要深入研究腐蚀的机理和防腐应对 措施 。 1 管道腐蚀机理分析 埋地管道一般用于输送油气 等 ， 经常遇到的腐蚀 介质是二氧化碳、 氧、 硫化氢等 ] 。 1 ． 1 二氧化碳腐蚀原理 一 般都认为 C O 的腐蚀机理是溶解在水中的 C O 和水反应生成 H C O ， ， 然后 H C O 。 再和 F e反应 使之被腐蚀 CO2H2 O H2 CO3 F e H 2 C O 3 F e c 0 3 H 2 T 收稿 日期 2 0 1 1 0 53 1 收修 改稿 日期 2 0 1 1 0 7 2 1 但是溶液 中的 H C O 绝大部分是 以 H 和 H C 0 3 - 存在的 ， 故反应生成物 中大多数是 F e H C O ， ， 并在 高温下分解 F e H C O 3 2 F e C O 3 H 2 OC O 2 1 ． 2氧腐蚀原理 氧腐蚀是一种普通 的腐蚀 ， 凡有 空气、 水或水 蒸 气存在的场合 均会 发生氧腐蚀。氧腐蚀 的电化学 过 程如下 阳极反应 Fe一2e F e 阴极反应 O22H2 O 4e 0H 一 化学反应式 4 F e 3 0 2 6 H2 O F e O H 3 腐蚀过程中， 铁、 氧和水化合形成铁锈。氧腐蚀 的速率受水 中溶解 氧含量影响， 随着水 中溶解氧含量 的增加 ， 腐蚀速率也增加。 1 ． 3 硫 化 氢腐 蚀原 理 硫化氢水溶液是弱酸 ， 在水溶液中按下式分步离 46 Pi pe l i n e Te c hn i q u e a n d Equ i p me n t S e p． 2 0 1 1 解 H2 S H HS一 H S 一 在硫化 氢溶 液 中， 含 有 H 、 H S 一 、 s 和 H S分 子 ， 它们对钢质 管道 的腐蚀 是氢去极化过程 ， 反应 式 如 下 阳极反应 Fe一2 e } F e 阴极反应 2 H 2 e [ H] [ H] H 2 T F e 与溶液 中的 H S反应 F e 2 H 2S F e S2H 1 ． 4 土壤腐蚀原理 j 土壤腐蚀是指埋地钢质管道在土壤介质作用下引 起的腐蚀， 属于电化学腐蚀。土壤腐蚀大致可分两类 1 微腐蚀电池是因埋地钢质管道表面状态的影 响所形成的腐蚀电池。当夹杂有不均匀物质的钢质 管与土壤接触时， 在有差异的部位上， 便会由于电极 电位差而构成腐蚀 电池。 2 宏腐蚀电池是因土壤性质差异引起的腐蚀电 池。埋地钢质管道经过物化性质差异很大 的土壤时 ， 可形成较 大的 电位差 。由于构成 的腐蚀 电池两极 间 的距离较远 ， 故称宏腐蚀 电池 。 土壤的酸碱度 、 氧化还原 电位、 含水量、 湿 度 、 杂 散电流等， 均会直接或间接地影响埋地钢质管道的腐 蚀。该腐蚀是电化学腐蚀 ， 反应式如下 阳极反应 Fe Fe 2 e 阴极反应 2 H 2 e _ H 2 t 2 影响管道腐蚀的因素 2 ． 1 管道的材质与制造因素 管道 的材质与制造因素是管道腐蚀的 内因， 特别 是钢材的化学组分 ， 非金属组 分含量高 如 S和 P 易 发生腐 蚀 ， C和 s i 则易造成脆 性开裂 。在制造 过程 中 ， 表面存在缺陷， 也易造成管道的腐蚀开裂 。 2 ． 2 管道所处的环境 管道在工作环境下， 主要腐蚀情况有 细菌腐 蚀 、 土壤腐蚀和杂散电流腐蚀。 在一些缺氧 的土壤 中， 有 细菌参加 了腐 蚀过程 ， 细菌的作用是参加 电极反应 ， 将可溶硫酸盐转化为硫 化氢与铁作用 ， 产生细菌腐蚀 。 土壤是具有 固、 液 、 气三相 的毛细管 多孑 L 性 的胶 质体 ， 土壤 的空隙被空气和水充满 ， 水 中含有一定量 的盐 ， 使 土壤 具有 离子导电性 、 土壤 物理化学性 质 的 不均匀性和金属材质 的电化学不均匀性 ， 构成 了埋地 管道的电化学腐蚀条件 ， 从而会产生土壤腐蚀。 杂散电流是在 地下流动 的防护系统设计 之外对 金属管道产生腐蚀破坏作用的电流 ， 包括直流杂散 电 流和交流杂散 电流。直流 杂散电流腐蚀原理 与电解 腐蚀类似， 交流杂散电流腐蚀是管道附近高压电力线 产生的二次感 应交流 电叠 加在管道腐蚀 电化学 电池 产生的腐蚀 。 2 ． 3 管道操作运行过程中的使用应力 管道操作运行时 ， 输送压力与压 力波动是应力腐 蚀开裂的重要因素。过高的压力使管壁 产生过大 的 使用应力， 易使腐蚀裂纹扩展， 压力波动也易使裂纹 扩展 。 3 管道防腐蚀措施 3 ． 1 管道阴极保护技术 目 前 ， 阴极保护使用范围日趋广泛， 地下管道、 电 缆等凡是与电解质溶液接触而产生腐蚀的设备都可 以用阴极保护法来提高其抗腐蚀能力。 阴极保护有 2种方法 j 牺牲 阳极法 ， 将被保 护 金属和一种可以提供保护电流的金属或合金相连 ， 使 被保护体阴极化以降低腐蚀速率； 强制电流保护法， 将被保护金属与外加 电源负极相连 ， 由外部 电源提供 保护电流， 以降低腐蚀速率。 对于大 口径的长运输管道 ， 国内多采用强制 电流 为主、 牺牲 阳极为辅的阴极保护方法。为防止 阴极保 护 电流的流失 ， 在工艺站场 的管道进 出 口处设置 电绝 缘装置。在大型河流穿越段 的两岸边各安装 一组锌 合金牺牲阳极以加强保护。 3 ． 2杂散 电流排流保护 管道沿线与高压输电线路近距离平行 时， 高压输 电线 、 电气化铁路会对 管道造成 干扰 ， 加剧管道 的腐 蚀。因此 ， 管道 应尽量远 离交、 直 流 电干扰 源。管线 的排流保护， 依据被干扰管道阳极区有无正负极性交 变采用不 同的排流方式。 3 ． 3 涂层保护 目前 ， 国内外适用于运输管道 的防腐蚀涂层主要 有熔结环氧粉末涂层、 3层 P E结构 、 煤焦油瓷漆等。 熔结环氧粉末具有与钢管表面结合牢固、 耐温度变 化、 耐化学腐蚀等优点， 适用于各种恶劣自然环境。主 要缺点是耐紫外线性能差 ， 耐划伤和磕碰性能较差。 第 5期 牛雁坡 石油运输管道腐蚀原 因和腐蚀速率预测研 究 4 7 3 层 P E结构防腐蚀层结合了高密度聚乙烯包覆、 熔结环氧粉末 的优点。它利用 高密度聚乙烯耐机械 损伤 ， 利用环氧粉末与钢管表面牢 固结合 ， 实现 防蚀 性能 、 机械性能 的良好结合 ， 是 目前 国内大型管道工 程首选的涂层。 煤焦油瓷漆具有绝 缘性能好 、 吸水率低 、 耐细菌 腐蚀 、 使用寿命长 、 价格低 等优点。主要缺 点是机械 强度较低 ， 适宜温度范围窄， 低温易变脆等。 4 腐蚀速率的预测方法 4 ． 1 遗传算法 遗传算法 g e n e t i c a l g o r i t h m s ， G A 最初 由 H o l l a n d 于 2 0世纪 7 0年代提出， 主要特点是群体搜索 和群体 中个体之间的信 息交换 ， 搜索不依赖梯度信 息 ， 也不 需要求解函数可微， 只需要该函数在约束条件下可 解。因此 ， 该方法适用 于处理传统方法难以解决 的复 杂和非线性问题。在传统遗传算法的基础上， 文献 [ 6 ] 提出了一种改进 自适应遗传算法 i m p r o v e d a d a p ． t i v e g e n e t ic a l g o r i th m s ， 在求解实际问题时， 能在广泛 的空间搜索和向最优解 的方向尽快收敛 于最优 目标 ， 做到了两者兼顾 ， 因而应用广泛 。 4 ． 2 人工神经网络方法 大量的仿真实验和理论研究已经证明， B P b a c k p r o p a g a t i o n 算法是一种有效的神经网络学习算法， 具 有很强 的处理非线性问题 的能力 ， 近年来应用广泛。 但实际应用中 ， B P神 经网络也有一些弱点 ， 如收敛速 度慢， 极易陷入局部极值点， 求得全局最优的可能性 较小等 。 4 ． 3 改进遗传算法和 B P算法结合的混合算法 B P算法的优点是寻优具有精确性 ， 但具有易陷入 局部极小、 收敛速度慢等缺点。局部极小问题在实际 计算过程中可以通过调整初始权值和阀值来解决， 而 收敛速度较慢往往是 网络训 练后期 陷入局部极小所 致。如果在 B P算法之前 ， 能用一种有 效的方法大致 搜索出一定的权值和阀值， 以此时的权值和阀值作为 B P算法的初始权值和阀值， 则可以解决上述问题。由 于改进的遗传算法具有很强 的宏观搜索能力 ， 并且具 有简单通用、 并行运算 的特点 ， 所 以用它来完成前期 的搜索， 能较好地克服 B P算法的缺点。综上所述， 将 二者结合起来， 形成一种混合训练算法， 达到优化网 络的目的。 4 ． 4 灰色系统理论方法 灰色系统是指既含有已知的又含有未知的信息 的系统。灰色系统理论以“ 部分信息已知， 部分信息 未知” 的“ 小样本 ” 、 “ 贫信息” 不确定性系统为研究对 象， 主要通过对“ 部分” 已知信息的生成、 开发， 提取有 价值的信息， 实现对系统运行行为、 演化规律的正确 描述和有效监控l_ l 。灰色预测是根 据过去及现在 已 知的或非确知的信息， 建立从过去引伸到将来的 G M G r e y Mo d e 1 模型 ， 从而确定系统在未来发展变化 的 趋势 ， 并为规划决策提供依据 。 5 结束语 介绍 了管道 的腐蚀 机理 ， 分 析 了影 响腐蚀 的因 素， 从内、 外防腐蚀、 阴极保护等方面论述了防腐性的 应对措施 ， 并介绍了腐蚀速率 的常用预测方法 。得 出 结论如下 1 管道腐蚀机理就是管道所处工作环境 中的二 氧化碳 、 氧、 硫化氢等与管道材质发生的化学反应或 者电化学反应。 2 影响管道腐蚀的因素主要有管道的材质与制 造因素、 管道所处的环境、 管道操作运行过程中的使 用应力等 。 3 管道腐蚀的防护措施有管道阴极保护技术、 杂散电流排流保护、 涂层保护等。 4 腐蚀速率的预测方法中的改进遗传算法和 B P 神经网络算法结合的混合算法充分发挥了遗传算 法全局搜 索的优点和 B P局域寻优迅速 的优点 ， 将两 者有机地结合起来 ， 具有 收敛速度快 ， 计算精度与计 算效率高的优点。 参考文献 [ 1 ] 秦国治， 丁良棉 ， 田志明． 管道防腐蚀技术． 北京 化学工 业出版社， 2 0 0 3 2 4 ． [ 2 ] 胡鹏飞， 文九巴， 李全安． 国内外油气管道腐蚀及防护技 术研究现状及进展． 河南科技大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 2 1 0 0 1 03． [ 3 ] 刘玲莉． 科学地进行埋地管道地腐蚀控制． 油气储运， 1 9 9 7 ， 1 1 6 3 6 3 8 ． [ 4 ] 张本新． 埋地长输管道的防腐与防护． 管道技术及设备， 2 0 1 1 1 4 6 4 7 ． [ 5 ] 刘海． 长输管道牺牲阳极保护的设计． 石化技术， 1 9 9 9， 6 2 1 0 11 0 6 ． [ 6 ] 祁世芳． 输油管道安全评估模式及其在我国的应用． 油气 储运， 2 0 0 2 ， 2 1 3 1 31 6 ． [ 7 ] 宋生奎． 油气管道内检测技术研究进展． 石油工程建设， 2 0 0 5 ， 3 1 2 1 01 5 ． 。 作者简介 牛雁坡 1 9 8 2 一 ， 技术员 ， 从事工艺管道安装工作。