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燃气常识

天然气管道的腐蚀特点

2020-07-15

 长输天然气管道在运行中与输送介质发生内腐蚀,同时外壁与土壤大气分别发生土壤腐蚀和大气腐蚀。天然气管道腐蚀的破坏形态包括全面腐蚀和局部腐蚀, 全面腐蚀是一种常见的腐蚀形态, 包括均匀全面腐蚀和不均匀全面腐蚀。局部腐蚀又可以分为点腐蚀(孔蚀)、缝隙腐蚀和疲劳腐蚀等。因为腐蚀类型不同对应的防护措施也不一样。

 

1.天然气管道的内腐蚀


 内壁腐蚀是由于天然气中残存的水分、和、等酸性气体造成的类似原电池的电化学反应和破坏金属晶格的化学反应。这两种反应都造成管壁疏松、脱落以致穿孔,不能再承受压力和输送天然气。

 金属的电化学腐蚀是指金属表面与导电离子的介质因发生电化学作用而产生的破坏,任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包含一个阳极反应和一个阴极反应,并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流联系在一起。阳极反应是金属离子从金属转移到介质中和放出电子的过程,即阳极氧化过程。相对应的阴极反应便是介质中氧化剂组分吸收来自阳极的电子的还原过程。天然气管道输送的介质中含有H2S、CO2溶于水,生成酸,碳钢在酸中发生电化学反应腐蚀,在阳极区铁被氧化为Fe2+离子,所放出的电子自阳极(Fe)流至钢中的阴极(Fe3C)上被H+吸收而被还原成氢气,即

 阳极氧化反应:Fe → Fe2+ + 2e

 阴极还原反应:2H + 2e → H2↑

 总的反应:Fe + 2H+ → Fe2+ + H2↑

 

2.天然气管道的外腐蚀


 2。1土壤腐蚀

 运输管道的排放,大多数在土壤之中。而天然气在开采和输送中大量地应用了钢质管道, 一般埋地钢质管道在土壤作用下常发生严重的腐蚀穿孔, 造成油气的跑、冒、滴、漏。不但造成经济损失,而且可以引起爆炸、起火、污染环境等。正确地评价土壤的腐蚀性, 对正确地选择防腐措施有着十分重要的意义。

 2。1。1土壤腐蚀特点

 由于土壤具有多相性和不均匀性, 并且具有很多微孔可以渗透水及气体, 因此不同土壤具有不同的腐蚀性, 又由于土壤具有相对的稳定性, 使得土壤腐蚀和其他电化学腐蚀过程不同。在土壤中, 氧的传递通过土壤孔隙输送, 其传送速度取决于土壤的结构和湿度, 在不同的土壤中氧的渗透率会有很大差别。在土壤中除具有可能生成的多相组织不均性有关的腐蚀微电池外, 还会因土壤介质的宏观差别而造成宏腐蚀电池[[i]]。宏腐蚀电池的种类有:

 (1) 长距离输油管道穿越不同土壤形成的宏腐蚀电池。

 (2) 管体不同材料差异埋在土壤中产生的宏腐蚀电池。

 (3) 由于管道埋深不同, 上、下部土壤的密实性, 含氧等差别造成管道上下部电极电位不同形成宏腐蚀电池。

 2.1.2土壤腐蚀的影响因素

 (1)土壤性质:土壤的固体颗粒含有砂子,灰,泥渣和植物腐烂后形成的腐殖土,土壤有各种不同的形状:粒状,块状,和片状,事实上,多数土壤是无机的和有机的胶质混合颗粒的集合,在这个集合体中还具有许多弯弯曲曲的微孔(毛细管),土壤中的水分和空气可以通过这些微孔到达土壤的深处,并且土壤还具有生物学的活性。土壤的孔隙度、含水量、含氧量、电阻率、pH 值以及含盐量、所含微生物等对土壤的腐蚀性有极大影响。

 (a)孔隙度的影响:土壤的孔隙有利于氧气的渗入和水分保存, 孔隙度越大管道腐蚀越严重。

 (b)土壤中含水量的影响:土壤中的水分有些与土壤的组分结合在一起,有些紧紧粘附在固体颗粒的周围,有些可以在微孔中流动,盐类溶解在这些水中,土壤就成了电解质,土壤的导电性与土壤的干湿程度及含盐量有关,土壤愈干燥,含盐量愈少,其电阻就愈大,土壤愈潮湿,含盐量愈多,电阻就愈小,干燥和少盐的土壤电阻率往往高于10000欧姆·厘米,而潮湿含盐的土壤,电阻率能低于500欧姆·厘米,土壤的腐蚀往往与电阻率有密切的关系。

 (c)土壤中的氧:土壤中的氧气,有一些溶解在水中,有些存在于土壤的毛细管和缝隙内,两者对金属在土壤中的腐蚀都有影响,土壤中的氧含量与土壤的湿度和结构都有密切的关系,在干燥的砂土中,因为氧比较容易通过,所以氧含量较多,在潮湿的砂土中,因为氧较难通过,氧量较少,而在潮湿密实的粘土中,因为氧通过非常困难,所以氧量最少,湿度不同和结构不同的土壤中,氧量相差可达几万倍,这种充气不均匀,正是造成氧浓差电池腐蚀的原因。

 (d)电阻率的影响:土壤电阻率与土壤的含水量、含盐量、孔隙度等很多因素有关, 土壤电阻率越小腐蚀速率越高。

 (e)pH值的影响:大多数土壤是中性的,pH值在6-7,有的土壤是碱性的,如碱性的砂质粘土和盐碱土,PH值在7.5-9.5,也有一些土壤是酸性的,如腐植土和沼泽土,pH值在3-6。我国大部分土壤属中性, pH 值在6~ 8 之间, 随着pH 值的降低腐蚀速率增加[[ii]]。

 (f)含盐量的影响。一般土壤中的含盐量为0.0088%~ 0.15% , 土壤中含盐量越大电导率也越大, 从而提高土壤的腐蚀性。当土壤中含CaCO3时, 其腐蚀速率随CaCO3含量的增加而降低。

 (g)土壤中的微生物;微生物对金属的腐蚀也有很大的影响,其中最重要的是厌氧的硫酸盐还原菌,硫杆菌和铁杆菌(好氧的细菌)。

 (2)杂散电流的影响:电车、电气化铁路、以接地为回路的输配电系统、电解装置等, 在其规定的电路中流动的电流, 其中一部分自回路中流出, 流入大地、水等环境中, 形成了杂散电流。当环境中存在埋地管线或金属构筑物时, 杂散电流的一部分又可能流入、流出埋地管线或金属构筑物, 产生干扰腐蚀。根据腐蚀干扰源的不同, 可分为直流干扰和交流干扰。杂散电流腐蚀程度, 要比一般的土壤腐蚀剧烈得多。

 (3)温度的影响:温度对腐蚀速度有很大影响, 一般来讲, 温度每升高20℃, 腐蚀速度加快一倍。

 2.1.3土壤腐蚀常见的几种形式

 (1)由于充气不均匀引起的腐蚀

 当管道埋设通过结构不同和潮湿程度不同的土壤时(如通过砂土时),由于充气不均形成氧浓差电池的腐蚀,处在砂土中的金属部分,由于氧容易渗入,电位高,成为阴极,而处在粘土中的金属部分,由于缺氧,成为阳极,它们之间构成氧浓差电池,而使粘土中的金属部分遭到腐蚀,同样,埋在地下的管道(特别是水平埋放直径较大的管子),由于各处深度不同,也会构成氧浓差电池,埋得较深的地方(如在管子的下部),由于氧到达困难,便成为阳极区,腐蚀就往往是发生在这个区域。必须注意的是:如果仅仅是微电池作用引起的腐蚀其结论则与上述情况完全相反,在粘土中,由于氧进入较为困难,氧去极化过程较难,所以腐蚀也就较慢,而在土壤中,氧容易渗入,氧去极化过程容易,所以腐蚀就较快。

 (2)由杂散电流引起的腐蚀

 杂散电流是一种漏电现象,在土壤的腐蚀中,防止它引起的腐蚀有很大的实际意义,杂散电流是由直流电源(如电气火车,有轨电车,电焊机,点解槽,电化学保护等)设备漏失出来的电流,一些地下设备,地下管道,电缆和混凝土的钢筋等都容易因这种杂散电流引起腐蚀,直流电往往从路轨漏到地下,进入地下管道某处,再从管道的另一处流出而回到路轨,杂散电流从管道流出的地方,成为腐蚀电池的阳极区,腐蚀破坏就发生在这个地方,如下图所示,金属的损失量与流过的杂散电流的电量成正比,符合法拉第定律,经计算:一安培电流流过一年就相当于约九公斤的铁发生电化学腐蚀而被溶解掉了,可见杂散电流引起的腐蚀也是相当严重的。

 (3)由于微生物引起的腐蚀

 对于腐蚀有作用的细菌不多,其中最重要的是硫杆菌和硫酸盐还原菌(厌氧菌)。硫杆菌有排硫杆菌和氧化硫杆菌两种,这种细菌最适宜存在的温度为25-30度,当温度高到55度以上时,就无法生存,在地下管道附近,由于污物发酵结果产生硫代硫酸盐,排硫杆菌就在其上大量繁殖,产生元素硫,紧接着,氧化硫杆菌将元素硫氧化成硫酸,造成对金属的严重腐蚀。(2)硫酸盐还原菌(厌氧菌) 如果土壤中非常缺氧,而且又不存在氧浓差电池及杂散电流等腐蚀大电池时,腐蚀过程是很难进行的,但是,对于含有硫酸盐的土壤,如果有硫酸盐还原菌存在,腐蚀不但能顺利进行,而且更加严重,主要是由于生物的催化作用,使腐蚀过程的阴极去极化反应得以进行,从而大大加速了腐蚀。

 细菌腐蚀并非它本身对金属的侵蚀作用,而是细菌生命活动的结构间接地对金属腐蚀的电化学过程产生影响,主要以下述四种发生影响腐蚀过程:新城代谢产物的腐蚀作用细菌能产生某些具有腐蚀性的代谢产物,如硫酸,有机酸和硫化物等;生命活动影响电极反应的动力学过程;改变金属所处环境的状况;破坏金属表面有保护性的非金属覆盖层或缓蚀剂的稳定性。

 2。2大气腐蚀

 由大气中的水、氧、酸性污染物等物质的作用而引起的腐蚀, 称为大气腐蚀。钢铁在大气自然环境中生锈, 就是一种最常见的大气腐蚀现象。通常所说的大气腐蚀, 就是指金属材料在常温下潮湿空气中的腐蚀。

 2.2.1大气腐蚀特征

 一般地讲, 钢材在大气条件下, 遭受大气腐蚀有三种类型。

 (1)干燥的大气腐蚀。此时大气中基本没有水汽, 普通金属在室温下产生不可见的氧化膜, 钢铁的表面将保持着光泽。

 (2)潮湿的大气腐蚀。是指金属在肉眼看不见的薄膜层下所发生的腐蚀。大气条件下钢材的腐蚀实质上是水膜下的电化学腐蚀。此时大气中存在着水汽, 当水汽浓度超过临界湿度(铁的临界湿度约为65% , 某些镍的腐蚀产物临界湿度约为85% , 而铜的腐蚀产物临界湿度接近100% ) , 相对湿度低于100% 时, 金属表面有很薄的一层水膜存在, 就会发生均匀腐蚀。若大气中有酸性污染物CO2、H2S、SO2 等, 腐蚀显著加快。

 (3)可见液膜下的大气腐蚀。指空气中的相对湿度为100% 左右或在雨中及其他水溶液中产生的腐蚀。此时, 水分在金属表面上已成液滴凝聚, 存在肉眼看得见的水膜。

 2.2.2大气腐蚀的影响因素

 (1)水的影响。在大气环境下对钢材起腐蚀作用的物质中, 水是主要因素(一般地讲湿度越大, 腐蚀性就越强)。其腐蚀原理概述如下:

 (a) 水是一种电解质, 而且还能溶解大量的离子, 从而引起金属的腐蚀。

 (b) 水可离解成H+ 和OH-, pH值的不同对金属和氧化物的溶解腐蚀具有明显的影响。

 (2) SO2的影响。SO2在大气中被氧化成SO3,与水结合生成H2SO4,与钢铁产生化学反应导致腐蚀。在受工业废气污染地区, SO2 对钢材腐蚀的影响最为严重。以石油、天然气、煤为燃料的废气中含有大量的SO2, 钢材的腐蚀速率随大气中的SO2含量的增加而增加。

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