分享：油氣管道腐蝕與防護(hù)的研究進(jìn)展
管道腐蝕是當(dāng)今石油和天然氣行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，全球70%以上正在開發(fā)的石油和天然氣田具有高度腐蝕性，這種環(huán)境不僅提高了油氣田的開發(fā)成本，還使得設(shè)施維護(hù)和管理成本進(jìn)一步攀升[1]。根據(jù)歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組在2020年發(fā)布的第11份報(bào)告，26.63%的管道事故是由腐蝕引起的，這些事故不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)人類安全和環(huán)境構(gòu)成了重大威脅[2]。因此，國內(nèi)外針對(duì)油氣管道的腐蝕原因及防護(hù)措施開展了大量研究，旨在通過優(yōu)化操作環(huán)境和采取有效的防護(hù)手段，降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，保障管道的安全運(yùn)行。
1. 油氣管道腐蝕類型
油氣管道的腐蝕主要包括點(diǎn)蝕、微生物腐蝕（MIC）、應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）、氫誘導(dǎo)開裂（HIC）、硫化物應(yīng)力開裂（SSC）等類型。
點(diǎn)蝕是發(fā)生在油氣管道表面的局部腐蝕，以空腔或凹坑等形式存在[3]。這種腐蝕可能發(fā)生在管道的內(nèi)部或外部的任何一個(gè)面上，且可以被直接觀察到，嚴(yán)重的點(diǎn)蝕還可能導(dǎo)致管壁穿孔。點(diǎn)蝕發(fā)生的原因主要包括[4]：管道材料存在缺陷；保護(hù)性鈍化膜發(fā)生機(jī)械損壞；侵蝕性化學(xué)物質(zhì)滲透；材料選擇不當(dāng)。選擇適用于腐蝕環(huán)境的管道材料或使用陰極保護(hù)措施可以避免點(diǎn)蝕的發(fā)生。
MIC是一種較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)腐蝕[5]，常出現(xiàn)于石油和天然氣管道中。MIC與管道內(nèi)介質(zhì)的靜態(tài)流動(dòng)情況有關(guān)，還可能會(huì)引起嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。圖1為某一出現(xiàn)MIC的油氣管道。該管道的MIC是液體沉積在管道頂部表面引起的，腐蝕位置通常在十點(diǎn)鐘至兩點(diǎn)鐘之間[6]。影響管道MIC的因素有硫酸鹽、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)菌類型、pH、流速、溫度和鹽度等。
SCC是油氣管道另一種常見的腐蝕類型，由腐蝕介質(zhì)和金屬材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力共同導(dǎo)致。SCC發(fā)生前沒有明顯的預(yù)兆，因此很難預(yù)測(cè)。金屬材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力的根本原因是制造過程中冷卻階段即淬火階段的傳熱不均勻。SCC在油氣管道中是緩慢漸進(jìn)的，其裂紋擴(kuò)展速率一般為10-9~10-6 m/s。當(dāng)裂紋達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，剩余的材料斷面因不能承受外載而發(fā)生斷裂。圖2總結(jié)了管道SCC的主要影響因素，涵蓋材料特性（如微觀結(jié)構(gòu)、合金成分、殘余應(yīng)力、表面狀態(tài)）、環(huán)境條件（如鹽水介質(zhì)、pH、溫度等）和受力狀態(tài)等。這些因素共同影響了SCC的萌生與擴(kuò)展行為。SCC裂紋的擴(kuò)展模式由應(yīng)力強(qiáng)度因子主導(dǎo)：低應(yīng)力條件下傾向于沿晶界萌生（晶間型）；隨應(yīng)力增大，裂紋尖端塑性區(qū)擴(kuò)展可能引發(fā)穿晶擴(kuò)展；當(dāng)裂紋分叉導(dǎo)致局部應(yīng)力強(qiáng)度下降時(shí)，會(huì)再次回歸晶間擴(kuò)展路徑[7]。這種模式轉(zhuǎn)變與材料-環(huán)境-力學(xué)條件的協(xié)同作用密切相關(guān)。研究人員針對(duì)裂紋擴(kuò)展提出了多種機(jī)理，如滑脫機(jī)理、吸附誘導(dǎo)脫聚機(jī)理、吸附誘導(dǎo)位錯(cuò)發(fā)射（AIDE）機(jī)理、空位機(jī)理、表面遷移機(jī)理、薄膜誘導(dǎo)裂解機(jī)理、腐蝕增強(qiáng)局部可塑性機(jī)理等[8]。
圖 2 管道SCC腐蝕的影響因素
Figure 2. Influencing factors of SCC corrosion of pipeline
HIC是由于氫原子擴(kuò)散并聚集在鋼結(jié)構(gòu)的缺陷處（如夾雜物或晶界），導(dǎo)致局部脆化并形成裂紋的現(xiàn)象，也是敏感管道最常見的腐蝕類型之一。圖3為管道鋼發(fā)生HIC后的典型形貌[9]。當(dāng)管道所處環(huán)境存在氫原子時(shí)，就有可能會(huì)發(fā)生HIC現(xiàn)象。氫原子主要來自于石油和天然氣管道中的H2S。H2S與鋼的腐蝕反應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生氫原子和硫化物離子，其中硫化物離子通過吸附在鋼表面抑制氫原子復(fù)合為氫分子，從而促進(jìn)氫原子向鋼中滲透擴(kuò)散，最終加劇氫致?lián)p傷[10]。圖4為金屬內(nèi)部形成氫壓的機(jī)理。由圖4可見，H2S與金屬的腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子滲入金屬晶格，在缺陷處（如空位、夾雜物界面）聚集重組為氫分子。由于氫分子無法擴(kuò)散逸出，在密閉空間內(nèi)形成局部高壓。這種氫壓是導(dǎo)致氫鼓泡和HIC的關(guān)鍵力學(xué)驅(qū)動(dòng)因素。HIC現(xiàn)象的發(fā)生是沒有任何內(nèi)部或外部應(yīng)力的，裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)理尚不清楚。目前，內(nèi)部壓力理論最常用于解釋HIC現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)金屬內(nèi)部氫壓升高到臨界值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)HIC現(xiàn)象。HIC從裂紋萌生到開裂一般需要幾年時(shí)間。因此，需要對(duì)長(zhǎng)時(shí)間暴露在酸性環(huán)境中的設(shè)備采取一定的預(yù)防措施。同時(shí)，使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.003%以下的鋼材，也可以降低管道發(fā)生HIC的風(fēng)險(xiǎn)[9]。
SSC是金屬在水和H2S共存的環(huán)境中發(fā)生的一種開裂現(xiàn)象，通常由腐蝕和拉應(yīng)力共同作用引起。其機(jī)理涉及陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子在拉伸應(yīng)力（包括殘余應(yīng)力或外加應(yīng)力）作用下滲透進(jìn)入金屬晶格，氫原子在金屬內(nèi)部富集，降低金屬的延展性和變形性并導(dǎo)致金屬脆化，從而增加金屬應(yīng)力開裂敏感性，促使硫化物應(yīng)力裂紋萌生和擴(kuò)展，最終引發(fā)SSC失效[11]。SSC的失效過程極為迅速，從裂紋萌生至完全失效通常以小時(shí)計(jì)。該過程主要包含以下關(guān)鍵步驟：首先是H2S腐蝕環(huán)境中的氫氣陰極還原反應(yīng)；隨后氫原子在金屬表面吸附并擴(kuò)散至內(nèi)部；接著氫原子被位錯(cuò)等晶體缺陷捕獲；最終裂紋沿晶界處的碳化物或其他脆弱路徑擴(kuò)展，完成SSC的全程演變。
2. 油氣管道腐蝕的影響因素
2.1 外部腐蝕
導(dǎo)致埋地石油和天然氣管道的外表面出現(xiàn)腐蝕的原因很多，其中土壤腐蝕是主要原因之一。在土壤環(huán)境中，當(dāng)埋地管道外表面在特定情況下形成陰陽極區(qū)域時(shí)，就會(huì)構(gòu)成電化學(xué)腐蝕電池，如圖5所示[12]。土壤類型、pH、含水量、電阻率、厭氧菌的存在、溫度、暴露時(shí)間及曝氣的類型等因素均會(huì)影響埋地油氣管道土壤腐蝕的腐蝕速率，且各影響因素之間的關(guān)系復(fù)雜，如圖6所示。圖7總結(jié)了裸露和涂層油氣管道外部腐蝕的特征形式。
圖 5 電化學(xué)腐蝕電池
Figure 5. Electrochemical corrosion cell
圖 7 裸露和涂層油氣管道外部腐蝕的特征形式
Figure 7. Characteristic forms of external corrosion of exposed and coated oil and gas pipeline
研究表明，土壤pH是影響埋地管道腐蝕的關(guān)鍵因素。大量管道腐蝕研究證實(shí)，土壤pH與管道腐蝕速率存在顯著相關(guān)性。然而，由于天然土壤體系具有高度復(fù)雜性，直接在實(shí)驗(yàn)室條件下研究埋地管道的腐蝕行為存在較大困難。為此，研究人員通常采用模擬土壤環(huán)境的人工溶液進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，以盡可能減小試驗(yàn)誤差，提高研究結(jié)果的可靠性。WANG等[14]在酸性紅壤模擬溶液中通過電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)分析了pH對(duì)X80鋼腐蝕過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，X80鋼的腐蝕行為受溶液pH與溶解氧（DO）含量的協(xié)同作用控制：在低pH（3.0~3.5）、缺氧條件下，試樣表面形成細(xì)小而致密的點(diǎn)蝕坑；當(dāng)pH升高至5.5時(shí)，點(diǎn)蝕坑數(shù)量減少但尺寸增大，同時(shí)氧還原反應(yīng)開始主導(dǎo)腐蝕過程。LIU等[15]通過U型彎管試樣和缺口裂縫試樣的暴露試驗(yàn)，對(duì)比研究了X70、X80、X100、X120四種高強(qiáng)管線鋼在酸性土壤、堿性土壤和干燥沙質(zhì)土壤中的腐蝕行為。結(jié)果表明，四種管線鋼在上述三種典型土壤環(huán)境中均表現(xiàn)出不同程度的SCC敏感性，且SCC敏感性隨管線鋼強(qiáng)度的增加和土壤pH的降低而增加。
土壤含水量是影響其腐蝕性的關(guān)鍵參數(shù)之一。研究表明，隨土壤含水量增加，金屬在土壤中的腐蝕速率先快速上升，當(dāng)含水量達(dá)到臨界值時(shí)腐蝕速率達(dá)到峰值，含水量超過該臨界值后，由于氧擴(kuò)散受阻導(dǎo)致腐蝕速率逐漸降低[13，16]。此外，不同土壤類型具有特定的臨界含水量。需特別注意的是，高含水量環(huán)境會(huì)促進(jìn)腐蝕細(xì)菌的繁殖，增加MIC風(fēng)險(xiǎn)，干燥的環(huán)境則能顯著降低土壤的腐蝕性。
土壤氧含量是影響管道腐蝕的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，其分布特征與腐蝕行為密切相關(guān)。管道埋深直接影響土壤溶解氧含量，進(jìn)而改變腐蝕動(dòng)力學(xué)過程。在潮濕土壤環(huán)境中，氧含量與水分共同構(gòu)成電化學(xué)腐蝕的必要條件。土壤氧含量的空間異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致管道表面不同區(qū)域氧含量存在差異，形成宏觀腐蝕電池發(fā)生局部腐蝕：高氧區(qū)作為陰極發(fā)生氧還原反應(yīng)，低氧區(qū)作為陽極發(fā)生金屬溶解。影響土壤中氧含量的因素包括土壤類型、含水量和壓實(shí)程度，另外，土壤局部的干擾也會(huì)產(chǎn)生不同的氧含量。
2.2 內(nèi)部腐蝕
油氣管道的內(nèi)腐蝕與外腐蝕往往同時(shí)存在。輸送介質(zhì)中的腐蝕性成分是內(nèi)腐蝕主要原因。另外，管道承受的內(nèi)部壓力以及空氣環(huán)境中的水分和CO2，都是內(nèi)腐蝕的重要原因。腐蝕活性和速率主要取決于流體的化學(xué)成分，其中水相的化學(xué)反應(yīng)是決定流體腐蝕性的關(guān)鍵特征。因此，在分析管道腐蝕問題時(shí)，必須首先檢測(cè)管道內(nèi)的水相成分[17]。管道內(nèi)可能因氯化鈉、硫酸鋇、硫酸鈉和碳酸鈣等溶解鹽的存在而形成結(jié)垢物，這些化合物與H2S共同作用會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。此外，某些油田中含有的乙酸會(huì)顯著提高含CO2系統(tǒng)的腐蝕速率[18]。
3. 油氣管道防腐蝕技術(shù)
3.1 外腐蝕防護(hù)技術(shù)
3.1.1 外涂層
在過去幾十年中，為了滿足安全和環(huán)境的需求，油氣管道涂層不斷發(fā)展優(yōu)化。目前工程應(yīng)用的主要涂層體系包括：傳統(tǒng)煤焦油瓷漆（CTE）、熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層（FBE）以及高性能復(fù)合涂層（HPCC）等[19]。煤焦油作為填料摻入交聯(lián)環(huán)氧基體所形成的復(fù)合涂層薄膜，兼具優(yōu)異的力學(xué)性能和耐環(huán)境特性。該材料不僅保留了環(huán)氧樹脂固有的高韌性和強(qiáng)附著力，同時(shí)展現(xiàn)出卓越的抗紫外線性能、熱穩(wěn)定性以及極高的耐濕性。
YIN等[20]在模擬土壤溶液中研究了煤焦油搪瓷（CTE）涂層對(duì)陰極保護(hù)（CP）電流的滲透特性。研究結(jié)果顯示：當(dāng)CTE涂層厚度為2.3 mm時(shí)，CP滲透率僅為0.541%，且隨著涂層厚度的增加，CP滲透率迅速降低；CTE涂層中的缺陷為CP電流提供了流動(dòng)途徑，當(dāng)缺陷尺寸達(dá)到4 mm時(shí)，CP電流可穿透缺陷達(dá)到管道表面對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)。但需指出的是，煤焦油中含有的多環(huán)芳烴等致癌物質(zhì)可能對(duì)施工人員健康和環(huán)境造成危害，這在一定程度上限制了該涂層的推廣應(yīng)用。
自FBE涂層技術(shù)應(yīng)用于管道防護(hù)領(lǐng)域以來，其配方體系經(jīng)過了持續(xù)優(yōu)化與創(chuàng)新。現(xiàn)代FBE涂層系統(tǒng)已發(fā)展出適用于管道主體、內(nèi)壁、環(huán)焊縫及各類配件的系列化產(chǎn)品。該技術(shù)通過在分子層面與鋼材基體形成強(qiáng)結(jié)合力，即使在長(zhǎng)期惡劣工況下仍能保持優(yōu)異的屏障性能，為鋼制構(gòu)件提供可靠的腐蝕防護(hù)。相較于傳統(tǒng)液體涂料，F(xiàn)BE技術(shù)具有施工便捷（可實(shí)現(xiàn)快速固化和高效生產(chǎn)）、經(jīng)濟(jì)性高（材料利用率高）和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（在較寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性能）等顯著優(yōu)勢(shì)。這些特性使FBE成為當(dāng)前管道防腐蝕工程的首選涂層技術(shù)之一。WANG等[21]將石墨烯納米片（GNPs）作為添加劑摻入環(huán)氧黏合劑中開發(fā)了一種高性能復(fù)合涂層。結(jié)果表明，添加0.5%~1.0%石墨烯納米填料的復(fù)合涂層在力學(xué)和電化學(xué)性能方面得到較大改善。BENABIDA等[22]開發(fā)了一種基于八官能團(tuán)環(huán)氧樹脂分子的新型防腐蝕涂層。在0.5 mol/L H2SO4酸性介質(zhì)中，該涂層通過化學(xué)吸附機(jī)制在金屬表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，展現(xiàn)出優(yōu)異的防腐蝕性能，其緩蝕效率高達(dá)98%。KUMAR等[23]將聚苯胺（PANI）、殼聚糖（CS）和氧化石墨烯（rGO）結(jié)合制備三元復(fù)合材料，所得納米復(fù)合材料摻入環(huán)氧樹脂中獲得多功能PANI/CS/rGO涂層。該涂層在NaCl溶液中浸泡45 d后顯示出低吸水率（8.79%），阻礙了侵蝕性離子的滲透，減緩了金屬/涂層界面處的腐蝕過程。
HPCC是一種由FBE底漆層、化學(xué)改性聚乙烯黏結(jié)中間層以及中密度聚乙烯外防護(hù)層組成的多組分、三層涂層體系。該涂層體系采用獨(dú)特的粉末噴涂工藝和專有淬火技術(shù)制備。HPCC通過其獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決了單層涂層系統(tǒng)在復(fù)雜工況下易失效問題，在油氣管道腐蝕防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。ZHANG等[24]采用化學(xué)鍍-電沉積兩步工藝合成具有疏水性能的Ni-Cu-P復(fù)合薄膜，其結(jié)構(gòu)均勻致密，有效提高了L360管線鋼的耐蝕性，電化學(xué)腐蝕速率從0.417 mm/a降低到0.025 mm/a。MACLEAN等[25]合成一種新型Ni-P-納米NiTi涂層并成功電鍍?cè)贏PI X100管鋼上，發(fā)現(xiàn)加入2 g NiTi涂層的性能最佳，具有最低體積損失。
3.1.2 陰極保護(hù)技術(shù)
除保護(hù)涂層外，陰極保護(hù)（CP）是防止管道外腐蝕的另一種重要技術(shù)手段。該技術(shù)通過施加外加電流或采用犧牲陽極，使管道表面發(fā)生陰極極化，從而抑制金屬的氧化反應(yīng)，避免管道外部受到腐蝕[26]。CP成本較低，可保護(hù)防腐蝕涂層遺漏的部位，為提升防腐蝕效果，也可將CP和防腐蝕涂層結(jié)合使用。
ABATE等[27]提出一種新型的陰極保護(hù)網(wǎng)格控制系統(tǒng)（CPNCS），該系統(tǒng)將低成本電位監(jiān)測(cè)儀表布置在管道電位分布最薄弱區(qū)域，通過模糊邏輯控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)外加電流輸出，利用無線通信將控制信號(hào)傳輸至整流器，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)全域電位的動(dòng)態(tài)均衡控制。HE等[28]針對(duì)陰極保護(hù)電位區(qū)間（-1.15~-0.85 V）內(nèi)天然氣管道防腐蝕層破損處的腐蝕行為開展了試驗(yàn)研究。168個(gè)埋地鋼試樣和28個(gè)土壤樣品在三個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的分析結(jié)果表明：所有測(cè)試點(diǎn)均未出現(xiàn)在最高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，多數(shù)分布在亞風(fēng)險(xiǎn)及最低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；三個(gè)周期對(duì)應(yīng)的平均陰極保護(hù)效率分別為69.51%、81.27%和80.17%，證實(shí)了該陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性。
OGHLI等[29]提出一種基于分布式等效電路模型的新型油氣管道CP系統(tǒng)，并通過計(jì)算模擬驗(yàn)證了模型的有效性。該系統(tǒng)采用實(shí)際測(cè)量的土壤電阻數(shù)據(jù)替代傳統(tǒng)的固定平均值進(jìn)行系統(tǒng)建模，顯著提升了管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果。
3.2 內(nèi)腐蝕防護(hù)技術(shù)
3.2.1 內(nèi)部納米復(fù)合涂層
納米復(fù)合涂層具有良好的耐蝕性，其防腐蝕機(jī)理包括兩個(gè)方面：一方面納米復(fù)合涂層作為物理隔離層阻擋腐蝕介質(zhì)滲透；另一方面通過高介電常數(shù)抑制電化學(xué)腐蝕過程。WU等[30]研制了一種新型納米復(fù)合防腐蝕內(nèi)涂層。該涂層與金屬基體結(jié)合較好，通過腐蝕介質(zhì)物理阻隔、鈍化保護(hù)膜形成和電化學(xué)保護(hù)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬基體的保護(hù)。CHIONG等[31]采用溶劑澆注法以氧化石墨烯（GO）和3-氨基丙基三乙氧基硅烷-氧化石墨烯（APTES-GO）為納米填料成功制備了聚偏氟乙烯（PVDF）納米復(fù)合涂層PVDF/APTES-GO，該涂層具有高強(qiáng)度、顯著的耐化學(xué)腐蝕性（酸和堿）、優(yōu)異的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性等非凡特性。研究還發(fā)現(xiàn)，在腐蝕環(huán)境中，PVDF/APTES-GO納米復(fù)合涂層比純PFDF和PVDF/GO納米復(fù)合涂層表現(xiàn)出更優(yōu)異的防腐蝕性能，具有良好的商業(yè)應(yīng)用潛力，可作為天然氣管道的防腐蝕涂料。MOHAMED等[32]采用核殼技術(shù)在鋁箔廢料表面析出鋅和鈷氧化層，合成一種基于兩種黏合劑體系（聚氨酯和丙烯酸乳液）的聚合物涂料，并將其用于鋼管道的CO2腐蝕防護(hù)中。結(jié)果顯示，涂層的附著力、延展性和抗沖擊性較母體聚合物均有所改善。
3.2.2 緩蝕劑
在管道中引入合適的緩蝕劑可有效防止管道腐蝕。由于作用機(jī)制和組成的不同，緩蝕劑可以分為成膜劑、中和劑和清除劑三種[33]。油田中使用的緩蝕劑大多為成膜劑。膜既可以是薄的（單層）也可以是厚的（多層），該類緩蝕劑通過在金屬表面形成油性保護(hù)層，減少腐蝕性物質(zhì)的滲透，同時(shí)在陰極產(chǎn)生氫氣。目前，研究較多的有咪唑啉緩蝕劑、胺類緩蝕劑及酰胺類和酰胺基緩蝕劑等[34]。
陳慶國等[35]研發(fā)了一種混合型二酰胺基吡啶季銨鹽緩蝕劑，當(dāng)該緩蝕劑的加量為50 mg/L時(shí)，緩蝕率可達(dá)95%，對(duì)點(diǎn)蝕具有良好的抑制效果。張捷舒等[36]合成了一種新型季銨鹽咪唑啉緩蝕劑，研究顯示當(dāng)緩蝕劑的加量在1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，其緩蝕率最高達(dá)96.5%。
化學(xué)緩蝕劑在使用的過程中不可避免會(huì)帶來環(huán)境或健康問題，因此對(duì)天然無毒的綠色緩蝕劑的需求日益提高[37]。綠色緩蝕劑可分為有機(jī)和無機(jī)兩類[38]。有機(jī)綠色緩蝕劑是由對(duì)環(huán)境無毒無害的物質(zhì)合成的，如黃銅類化合物、植物副產(chǎn)物和生物堿等[39]。無機(jī)綠色緩蝕劑因具有高生產(chǎn)率而在水體系中被廣泛應(yīng)用[40]，如鉻酸鹽。此外，鑭系元素鹽也可作為環(huán)保緩蝕劑的替代品[41]。DEHGHANI等[42]利用新塔花葉提取物作為一種新型環(huán)保綠色緩蝕劑。電化學(xué)阻抗譜分析表明，當(dāng)新塔花葉提取物的質(zhì)量濃度為800 mg/L時(shí)，緩蝕率可提高到93%（2.5 h后）。SOTELO-MAZON等[43]以鱷梨油為原料合成了一種N-羥乙基咪唑啉綠色緩蝕劑，該緩蝕劑具有較好的緩蝕性能，緩蝕率最高達(dá)99.6%。WANG等[44]合成4種殼聚糖衍生物的新型綠色緩蝕劑，并研究了其在15%HCl溶液中對(duì)P110鋼的緩蝕性能。結(jié)果表明，4種殼聚糖衍生物作為綠色緩蝕劑，在15%HCl溶液中對(duì)鋼材有良好的緩蝕效果，所合成的緩蝕劑為混合型緩蝕劑，緩蝕劑加量和緩蝕率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。
3.3 加強(qiáng)管道檢測(cè)
漏磁檢測(cè)（MFL）技術(shù)通過感應(yīng)管壁厚度變化引起的磁場(chǎng)畸變來識(shí)別管道腐蝕缺陷。當(dāng)磁場(chǎng)作用于管壁時(shí)，不同的腐蝕形狀會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)分布的變化，進(jìn)而引起檢測(cè)信號(hào)的特異性響應(yīng)[45]。其檢測(cè)精度高，但空間分辨率低。楊理踐等[46]基于二維磁偶極子模型，建立管道內(nèi)壁缺陷漏磁場(chǎng)空間分布的三維解析模型，對(duì)磁化方向垂直缺陷時(shí)磁荷產(chǎn)生漏磁場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。該模型可描述管道內(nèi)外壁缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)特征。張雪偉等[47]提出了一種直流磁軛式非飽和漏磁檢測(cè)技術(shù)。該監(jiān)測(cè)技術(shù)可有效區(qū)分油氣管道的腐蝕和機(jī)械損傷，為非飽和漏磁檢測(cè)技術(shù)在油氣管道腐蝕和機(jī)械損傷劃痕的檢測(cè)與識(shí)別中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。王鋒等[48]通過分析漏磁信號(hào)發(fā)現(xiàn)，被檢測(cè)的管道存在大面積腐蝕，部分管段金屬損失程度較大，建議對(duì)此類管道進(jìn)行定期清理、設(shè)置腐蝕監(jiān)控點(diǎn)、定期測(cè)試壁厚。
由于超聲波在材料中的傳播速度取決于其密度和彈性模量，因此可通過分析試樣返回的超聲信號(hào)來評(píng)估材料特性。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于厚度測(cè)量和腐蝕檢測(cè)等領(lǐng)域[49]。傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)方法通常依賴耦合介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)換能器與材料之間的聲學(xué)耦合，這在某些應(yīng)用場(chǎng)景中存在局限性。近年來，研究人員開發(fā)了無需表面處理的非接觸式超聲技術(shù)，為缺陷檢測(cè)提供了新的解決方案[50]。LI等[51]介紹了一種利用超聲聚焦檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)油氣管道水合物堵塞物的新裝置和分析方法。該方法利用超聲波的穿透性來測(cè)量管道內(nèi)部水合物堵塞的厚度，有效避免了沿管壁的接觸反射衰減。
3.4 油氣管材選擇
目前常用的管道材料有碳鋼與低合金鋼、不銹鋼、耐腐蝕合金及非金屬材料等，但不同的管道成本差異大，需要結(jié)合使用環(huán)境選擇合適的管道材料。耐腐蝕合金（鎳基合金等）成本較高，適用于深海、高溫高壓以及酸性氣田等極端環(huán)境。雙相不銹鋼（DSS）兼具奧氏體和鐵素體特性，抗腐蝕能力強(qiáng)。汪海濤等[52]開發(fā)的2205雙相不銹鋼連續(xù)管，在國內(nèi)某油田實(shí)際工況下，焊縫腐蝕速率為0.003 8 mm/a，母材腐蝕速率為0.004 2 mm/a，顯著優(yōu)于該油田現(xiàn)用80S碳鋼油管（腐蝕速率0.045 8 mm/a）。在常規(guī)環(huán)境中，一般采用碳鋼作為管材，并對(duì)管道進(jìn)行防腐蝕涂層及陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)，這種組合成本最優(yōu)；在高腐蝕性環(huán)境中，宜采用雙相不銹鋼或非金屬復(fù)合材料作為管材，雖然管材的投資成本高，但維護(hù)成本低，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)技術(shù)可以顯著提升管道耐腐蝕性。
3.5 油氣管道的全流程管理
油氣管道全過程的完整性管理也是腐蝕防護(hù)的重要組成部分，涵蓋設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行、維護(hù)及退役的全過程管理。在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段通過地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，避開高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，選擇最佳管道鋪設(shè)路徑，結(jié)合腐蝕環(huán)境選擇合適的材料并進(jìn)行腐蝕防護(hù)集成設(shè)計(jì)；在施工階段要做好防腐蝕涂層的完整性管理及焊縫檢測(cè)，采用合適技術(shù)加強(qiáng)焊縫處理；在運(yùn)行階段要加強(qiáng)管道的檢查、維修和保養(yǎng)工作，加強(qiáng)管道腐蝕監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，并采取有效的措施進(jìn)行改善和解決。同時(shí)結(jié)合腐蝕速率、載荷變化等進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)等，避免出現(xiàn)泄漏事故。管道完整性技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控，提升油氣管道使用的安全性[53]。
4. 結(jié)束語
在油氣成分、外界環(huán)境等因素的影響下，油氣管道容易產(chǎn)生不同程度的腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)油氣泄漏、火災(zāi)和爆炸等安全事故，未來主要防腐蝕技術(shù)的發(fā)展仍會(huì)聚焦于智能監(jiān)測(cè)、新型材料、防護(hù)技術(shù)等方面。
（1）在腐蝕監(jiān)測(cè)方面，應(yīng)注重智能化技術(shù)及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，通過檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、評(píng)估的多技術(shù)融合，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)用于腐蝕監(jiān)測(cè)，通過部署分布式傳感器、電化學(xué)噪聲傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的腐蝕速率，在提升腐蝕檢測(cè)效率的同時(shí)提升腐蝕定位的精確性。
（2）加強(qiáng)新型耐腐蝕材料及涂層技術(shù)研發(fā)，開發(fā)高性能、低成本的管道材料及耐蝕材料，可在源頭上阻止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，如開發(fā)適用于高腐蝕環(huán)境的非金屬復(fù)合耐蝕材料以及具備自修復(fù)功能的納米涂層，可以大幅度降低后續(xù)維護(hù)頻率和成本。
（3）開發(fā)更經(jīng)濟(jì)可行且環(huán)境兼容的綠色緩蝕劑，從植物提取物或微生物代謝產(chǎn)物中開發(fā)可降解的緩蝕劑，或者通過微生物調(diào)控技術(shù)減少微生物腐蝕，為解決油氣管道腐蝕問題提供更多更有效的解決途徑。
文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)
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