国内外油气管道防腐新技术发展现状

发布时间：2012-11-20 15:46:17 来源：文档文库

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国内外油气管道防腐新技术发展现状

摘要：管道运输作为大量输送石油、水、气体等介质的最为安会经济的方法，在世界上已经有100多年的历史，然而管道的腐蚀问题是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素，我国的管道防腐技术发展很快，但与发达国家相比，还存在着不少问题。随着我国能源政策的调整，长输管线的建设将在我国形成高潮，对管道防腐技术提出了新的要求。介绍了几种管道防腐的新材料、新工艺、新技术，并提出了新的想法，同时展望了输油管道防腐的发展前景。

关键词：管道防腐现状

1 引言

石油、天然气埋地管道防腐层的破损、剥离和老化等，会造成管道的腐蚀、穿孔、泄露，给企业带来严重的财产损失，给公众和环境带来危害。我国的地下油气管线投产1-2年后即发生腐蚀穿孔的情况屡见不鲜，它不仅造成因穿孔而引起的油、汽泄漏损失，以及由于维修所带来的材料、人力上的浪费和停产停工造成的损失，而且还可能因腐蚀引起火灾【1】特别是成品油管因腐蚀引起的爆炸，威胁人身安全，污染环境，后果极其严重。据统计，我国钢铁年产量为1.6亿T，每年因管道腐蚀而损失6000多万T，差不多等于上海宝山钢铁总厂的年产量【2】。腐蚀不仅是钢铁资源的浪费，还会因腐蚀使管道、设备使用寿命缩短，而更换新管道和设备的造价费用远远超过金属材料本身的价格，生产成本因此而增高，降低了经济效益。腐蚀造成的直接经济损失是巨大的，我国每年因腐蚀造成的经济损失高达2800亿元，比每年风灾、水灾、地震、火灾等自然灾害造成的损失的总和还要多。为防范类似事件的发生，管道防腐技术越来越受到人们的重视。

2 油气管道防腐技术概况

20世纪50年代以前，国外地下长输管道主要采用石油沥青和煤焦油沥青作为外防腐材料，在防腐预制厂或现场涂抹施工。20世纪60年代，研制出了一些性能很好的塑料防腐材料，例如黏胶带，热塑涂层，粉末融结涂层等。20世纪70年代以来，由于管道施工遇到一些严酷的自然环境，对防腐层性能提出了更严格的要求，因此，在管道防腐材料的研究中，都大力发展复合材料或复合结构，强调防腐层要具有良好的介电性能、物理性能，稳定的化学性能和较宽的温度适应性能，以达到防腐、绝缘、保温、增加强度等多种功能，陆续发展形成了聚烯烃、环氧粉末、环氧树脂等防腐材料系列。三层PE（三层聚乙烯）就是在20世纪80年代由欧洲研制成功并开始使用的。它是将FBE（熔结环氧粉末）良好的防腐蚀性能、黏结性、高抗阴级剥离性和聚烯烃材料的高抗渗性、良好的机械性能和抗土壤应力等性能结合起来的防腐蚀结构，一经问世就在许多工程上得到了应用，尤其是欧洲国家，其应用呈不断上升的趋势【3】。20世纪90年代，防腐涂料得以广泛应用，其发展的特点是涂料产品结构发生了根本性改变，其改变方向以节省资源、无污染、经济、高效、有利于生产为原则，因此发明了聚氨酯沥青新型防腐材料，美国、加拿大和中东等地区在很多工程中都采用发这种涂料。

我国是世界上较早利用管道进行运输的国家之一，但是发展较慢。1949年以前国内的管道建设几乎是空白，1958年我国首次自行设计建造发克勤克拉玛依——独山子炼油厂的300KM输油管线。1970年以前，我国仅有3条长输管线，总长还不足400KM，改革开放以来，随着能源市场需求激增，我国的管输事业迅猛发展。据报道【4】，2009年我国华北原油管道总长度为1847.4KM;中部地区原油管道总长度为1347.5KM；东部地区原油管道达3399.6KM；华北地区原油管道总长度为2718.2KM。随着我国输油管线的迅猛增长，管道防腐技术不论是防腐材料还是防腐工艺整体水平都有了很大提高，国内重点输油钢质管道防腐，主要采用三层PE或FBE，已达到了发达国家20世纪末的防腐水平。

3 管道防腐新技术

提高管道防腐技术，延长管道使用寿命是全球化的技术难点之一，是科学技术与工程设计广泛关注的热点，具有很重要的经济意义。国内外在这方面做了大量的工作，近年无论是技术还是市场应用方面都取得了明显的成效。

3.1 防腐涂层技术

国内长输管道的外防腐早期采用石油沥青、煤焦油瓷漆及溶剂型环氧煤沥青。由于国家对环境污染及员工健康的不断重视，目前石油沥青、煤焦油瓷漆或环氧煤沥青防腐方式已被熔结环氧粉末（FBE）和聚乙烯三层复合结构（3PE）防腐所取代。随着管道铺设新技术的不断提高和管道使用环境的恶化，开发防腐、绝缘、综合机械性提高、黏结力强的涂层材料是管道防腐的趋势，塑料粉末涂料以其特有的性能在管道防腐工程领域发挥了巨大的作用。在国外，塑料粉末涂料已成为油气管道防腐的首选材料，在国内塑料防腐管道已开始应用。目前我国在建的长输管道防腐层材料主要为溶结环氧粉末、二层聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆；主要集输管道多采用熔结环氧粉末、三层聚乙烯，非主要管道仍采用石油沥青；城市供水、供气管道采用环氧煤沥青和胶带。

3.1.1 三层聚乙烯（三层PE）

20世纪80年代，德国曼内斯曼公司发明发被称为“完美涂层”的三层聚乙烯。其制作工艺是首先在钢管表面喷涂一层环氧底漆，再将钢管按一定的旋转速度送入涂敷区，第一台挤出机按一定厚度和密度挤出胶黏剂薄膜并缠绕在钢管表面，在胶黏剂还处于熔化状态时，第二台挤出机挤出聚乙烯薄膜并缠绕在胶黏剂外而形成涂层。三层PE防腐层的结构是：底层为PBE，约50-127um,中间层为共聚物胶，约200um,外层为聚乙烯，约3mm.这一结构将FBE的高黏结构、抗氧性、耐化学腐蚀及耐阴极剥离性能和高密度聚乙烯的抗潮气、电绝缘及抗机械损伤的性能结合成一个完美的有机整体，具有与管道表面黏结力强、电绝缘性能好、耐冲击、寿命长等突出优点，而且阴级保护电流密度小，只有1-3UA/m2。三层PE使用寿命预计达40年以上，但价格较昂贵，目前在欧洲应用较多，而美国应用较少。我国自1995年引进这一技术以来，主要钢管厂都建立了三层PE防腐生产线。陕京输气管道、库鄯管道共计约有2000KM使用三层PE，西气东输管道工程也使用发该防腐层【5】。

3.1.2 液态聚氨酯防腐涂料（PU）

这种涂料属于双组合，一个是多元醇化合物，一个是异氰酸酯溶液，黏度用低相对分子质量树脂调节。它不含任何挥发性溶剂，通常处于液态，2个组合混合后全部转化为固体厚膜型涂料，可涂刷、浇注、喷涂，一次成膜，膜厚不小于1.2mm。

该防腐涂料性能优越，可以满足任何地质状况、输送条件及环境腐蚀的要求，施工性能好，抗装卸运输过程中的损伤。硬度高达HS（D）80-86，具有优异的耐磨性能，耐划伤、耐拖拉性能好，有一定韧性。抗阴极剥离性能强，有一定的吸水率，年久失效后来仍能够导通阴极保护电流，避免阴极屏蔽作用，管体仍能得到阴极电流的保护。低温快速固化，可配成弹性体或刚性体，既能与熔结环氧粉末黏结，也能与三层聚乙烯黏结，化学稳定性好，抗紫外线，最高使用温度可达109摄氏度，寿命可达50年，成本低。

液态聚氨酯无溶剂、施工简单、防腐层质量好并且有利于环保，作为防腐迷途料具有明显的技术经济优势，尤其适用于补伤、补口及旧防腐层的修复，已经成为目前国际上管道外防腐层修复的主要材料，在我国有广泛的应用前景。

3.1.3 无机非金属防腐层

当前，用于管道防腐的涂层以有机涂层为主，虽然有机涂层的性能一直在不断改进，但始终不可能从根本上消除老化变质、耐热抗寒的问题，管道和使用寿命也因此受限，于是无机防腐技术便应运而生。无机防腐材料不老化，耐腐蚀、耐磨损和耐温性能优异，使用寿命比有机材料大大延长。现在的无机非金属防腐层主要有陶瓷涂层、搪瓷涂层和玻璃涂层。

陶瓷涂层具有高化学稳定性，耐腐蚀、耐氧化、耐高温，目前已有蔓延高温合成、热喷涂、化学反应法等较成熟的制备方法。搪瓷涂层具有极强的耐腐蚀性能，用它对钢制管道进行防腐将会使防腐水平得到极大的提高。俄罗斯20世纪80年代已开始生产搪瓷管道，我国在这方面的研究才刚刚起步，只有西安人民搪瓷厂等少数企业引起进、开发发搪资管道生产技术。玻璃涂层致密性、耐蚀性、耐磨性优异，涂层表面光滑，作为内涂层可起到减阴作用。我国的北京伟业科技发展有限公司最新开发出一种制备玻璃涂层的“热喷玻璃（釉）防腐技术”，它通过一定的工艺技术，在金属管道内外壁上形成玻璃与金属的复合无机防腐涂层，玻璃釉料可根据防腐性能的要求、金属膨胀系数的工艺特点的不同进行配置，能应用于给排水、化工、石油、天然气管道等诸多领域。其突出特点有：生产工艺先进，永不老化，使用安全。耐腐蚀性能优越，内减阴及耐磨性、流动性好，耐候性强（使用温度范围在-50-300度），无毒、无害、无污染，造价低廉，施工规范，用途广泛等。

目前无机防腐涂层急需研究解决的问题主要有：陶瓷涂层的封孔处理方法、搪瓷涂层成本的降低、玻璃涂层结合性和韧性的提高，以及开发适宜的焊后内补EI技术等。由于无机防腐技术巨大的发展前景，当前世界各国均已将无机非金属复合防腐管道作为重点攻关的课题，该技术有望取得得大的突破。

3.1.4 纳米改性材料涂层

纳米技术是近年来出现的一门新兴技术，它带不了材料科学领域的重大革命，由于腐蚀防护所涉及的表面材料的性质由微观结构所决定，纳米技术的出现与应用无疑将给腐蚀控制技术的发展带来巨大的机遇，研究表明，利和纳米技术对有机涂层防腐材料进行改性，可有性提高其综合性能，特别是增加材料的机械强度、硬度、附着力，提高耐光性、耐老化性、耐候性等。例如：TiO、SiO2、ZnO，FeO等纳米粒子对紫外线有散射作用，加入这样的纳米材料可有效增强材料的抗紫外线能力，使耐老化性显著提高。通过向材料中加入一些颗粒很少的纳米粒子，能增加材料的密封性，达到更好的防水、防腐效果。对于无机涂层材料，如对其结构进行纳米化，也能达到明显改善其塑性、韧性的作用。

当前已有一些通过纳米技术对防腐材料进行改性的技术获得了专利，在市场上也已有这样的防腐材料出现。不过总的来看，这项技术还仅仅处于起步阶段，最有极大的发展前景。

3.2 电化学防腐技术

电化学保护是指利用外部电流使金属（包括合金，下同）腐蚀电位发生改变以降低其腐蚀率的防腐蚀技术。按照电位改变的方向，电化学保护又可分为阴极保护和阳极保护【6】。前者靠电位的负行色移使金属处于热力学稳定状态免遭腐蚀，后者电位的正移虽使金属在热力学上处于更不稳定状态，然而在动力学上金属的阳极溶解过程却受到极大的阻滞。

3.2.1 牺牲阳极法阴极保护

在被保护体上偶接电位更负的金属或合金作为阳极，在腐蚀介质中依靠负电位金属不断溶解产生的阴极电流使被保护体阴极极化。

牺牲阳极法阴极保护系统由牺牲阳极以及用二监测保护电拉的参比电极组成，阳极性金属镀层是牺牲阳极法的另一种应用形式，即在钢铁等金属表面，通过热镀、喷镀都方法，覆盖一层比基体金属电位更负的金属镀层，如锌、镉镀层等。如镀层出现破损，在镀层与基体金属之间组成原电池，镀层作为阳极，而基体金属的破损部位，则得到了阴极保护。

3.2.2 外加电流阴极保护

将被保护体与直流电源的负极连接，利用外部电流使被保护体阴极极化。外加电流法阴极保护系统由辅助阳极、直流电源，以及用于控制和监测保护电位的参比电机组成。

3.2.3 外加电源法阳极保护

将被保护金属物体与外加直流电源的正极相连，在给定的电解质溶液中将金属进行阳极化至一定电位，如果有此电位下金属可以建立起钝化状态并能维持，则阳极过程受到抑制，而使金属的腐蚀速度显著降低，此时该金属物体得到保护。

3.2.4 原电池法

将被保护体与电位更正的金属或其他导体（阴极）偶接，所构成的原电池产生的电流使被保护体阴极极化达到保护目的的方法叫原电池法。

3.2.5 联合保护法

阳极保护和涂料或缓蚀剂联合防腐的方法叫联合保护法，它能有效地减小致钝电流密度，增大表面电阻，改善分散能力。

4 管道防腐技术展望

随着我国能源政策的调整，长输管线的建设在我国很快就会形成高潮，防腐技术会呈现出新的需求。

由于地方财政、认识水平等多方面因素的影响，价格昂贵的防腐蚀涂料的应用必然受到局限，而综合性能好、成本低廉、使用方便、易于推广的防腐蚀新材料和新工艺将在主管道或支管道上受到欢迎，急需加强在这方面的研究开发工作。

在国内管道建设上往往存在以涂层防腐为主、阴极保护为辅的现象，甚至有些没有采取阴极保护技术。随着人们对阴极保护作用的认识，在加上阴极保护技术的逐渐完善，势必会出现两者并重的新局面，从而大大提高管道的运行寿命。