（油气田开发工程专业论文）埋地金属集输管道腐蚀机理腐蚀防护及修复技术研究.pdf

t h er e s e a r c ho fc o r r o s i o nm e e h a n i s m c o r r o s i o np r e v e n t i o na n dr e p a i r i n g t e c h n i q u e o fb u r i e dm e t a lc o l l e c t i n gp i p e l i n e p o s t g r a d u a t e ：w a n gj u l l s u p e r v i s o r ：c h e nd e c h u n s p e c i a h y ：o i la n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g s c h o o l ：u n i v e r s i t yo fp e t r 0 1 e h m a b s t r a c t ：b ur i e dm e t a l c o l l e c t i n gp i p e l i n e s a r et h e i m p o r t a n t c a r r i e r sf o ro i la n dg a st r a n s p o r t a l i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fo i l a n d g a sf i e l d ，w a t e r ，o x y g e n ，v a r i o u sk i n d so fm i n e r a l o g i c a l c o m p o s t t i o n s a n ds o i lb a c t e r i aw i l le r o d et h em e t a l p i p e l i n e o u t s i d e ；a n dw e l lp r o d u c t i o nf l u i dc o n t a i n sa1 a r g ea m o u n to f i n o r g a u i c s a l t s ，t e l a t e d n e g a t i v e a n d p o s i t i v e i o i la n ds o r e e b a c t e r i as u c ha ss r bw i l la l s oe r o d et h e p i p e l i n ei n s i d e t h e c o m p r e h e n s i v ea c t i o nh a sc a u s e dt h ec o r r o s i o na n dd e s t r o y i n go f t h ep i p e l i n e a f t e ral o t0 fe x p e r i m e n t s ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h e c or r os i o nm e c h a n is mo f b ur i e d p i p e l i n e r e s e a r c h e s t h e k e y c o r r o s i o nr e a s o no fc o l l e c t i n gp i p e l i n e ；np r o d u c t i o nf a c t o r y1 0 fj o e c 0 i ta l s o p u t s f o r w a r d m a n y k i n d so fe o r r os i o n p r e v e n t i o nm e t h o d s 。 a n a l y s i s ，a p p l i c a t i o n a n de c o n o m i c e v a l u a t i o na r em a d eo nt h er e p a i r i n gt e c h n i q u e so ft h ew a s t eo l d m e t a lp i p e l i n e s 。t h er e s e a r c hs h o w st h a tm o s to ft h e p i p e l i n e c o r r o s i o n so fp r o d u c t i o nf a c t o r y1 10 fj o e c o b e l o n gt oo x y g e n a b s o r b e dc o r r o s i o na n d o r i g i n a lb a t t e r y c o r r o s i o n a st ot h e s m a l la n dt h em e d i u ms i z ep i p e l i n e s ，c o m b i n e dp o l y m e rc e m e n t m o r t a r 1 i n i n gr e p a i r i n gt e c h n i q u e i sm u c hs u i t a b l e s ot h is r e s e a r c hm a ys o m e w h a tb eag u i d e l i n et ot h ef a c t o r ys u c ha st h e p r o d u c t j o n f a c t o r y 1 10 fj o e c 0a n ds oo ni nt h ec o r r o s i o n p r e v e n t i o na n dr e p a i r i n go fc o l l e c t i n gp i p e l i n e s ， k e y w o r d s ：c o l l e c t i n gp i p e l i n e ，c o r r o s i o n ，p r e v e n t i o nm e c h a n i s m ， r e p a i r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 p ；年，月，8 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查 阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 2 年，月，g 目 尹 年 其| 器毯 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 腐蚀是材料与环境反应引起的材料破坏与变质，它存在于 各行各业，造成的经济损失引人注目。工业发达国家由于金属 腐蚀造成的损失约占国民生产总值的2 4 。据美国腐蚀工程 师国际协会介绍，目前美国每年的腐蚀经济损失已高达3 0 0 0 亿美元。 油气田开发过程中，金属管道的腐蚀也是不容忽视的。不 正常的、快速的腐蚀穿孔，将导致金属管道的过早报废，严重 影响油田的安全、经济、高效生产。另外金属管道穿孔后，其 输送介质泄漏，将导致对附近环境的严重污染。 每年石油系统都有大量的管道因腐蚀而报废，从而使油田 投资加大、效益减小、负担加重。有的油区新老管道纵横交错， 竟然达到了管道无法进行铺设施工的地步。 江苏油田试采二厂埋地集输管道总长约l0 0 0 公里。通常 情况下，埋地金属管道大修期为1 0 年左右，而该厂部分埋地 管道投产只有2 到3 年即发生穿孔现象，远不能与大修期同步。 据统计1 9 9 8 2 0 0 2 年全厂埋地管线不到大修期就因为大面积腐 蚀或多处腐蚀穿孔而不得不报废，从而新更换管道2 0 0 余公里， 总投资约5 0 0 0 万元。仅2 0 0 2 年全厂用于管线维修、更换、改 造上的费用就高达i i6 4 万元。由此看来，深入分析腐蚀原因， 探索解决这一生产问题的可靠途径显得十分必要。 对于埋地金属集输管道的腐蚀调查，应立足于江苏油田所 处水乡地带的特色及所产原油的物性，结合目前国内国际在腐 蚀研究方面的成果，总结分析江苏油田尤其是试采二厂埋地金 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 属集输管道的腐蚀原因。为此对报废、停用及事故管线进行调 查，对土壤化学性质、输送介质化学性质、管道的运行参数、 金属材质等因素进行现场取样及数据分析，从而找出造成金属 管道内外腐蚀的具体原因。 金属腐蚀的防护在全世界已全面展开，并取得了许多技术 突破。许多防腐技术已在油田推广应用。如选用富锌涂料对金 属管道外防腐，利用牺牲阳极的阴极防护技术在大型长输管线 上埋设阴极防护桩等等。 对因内腐蚀造成的报废管线，在调研了中原油田、江汉油 田、石油大学等单位的先进修复技术后，充分发挥自身的优势 基础上，经过室内试验、现场勘察、论证设计，提出了采用管 道清洗内衬修复技术对报废旧管线进行改造。这是一项充分利 用1 日管道剩余钢度，通过清洗后在管线内挤涂修复材料，提高 旧管道的耐压强度、减少管内腐蚀的一项技术。 当今世界技术发展日新月异，市场上除传统上的金属管材 外，还出现了许多新型的非金属管材。它们的许多独特性能是 金属管材所没有的，这样很好地弥补了金属管道易腐蚀、寿命 短等缺点，在油田集输系统具有较美好的应用前景。 玻璃钢管道 该管道具有双面防腐、质量轻、耐腐蚀、不结垢、不结蜡、 不易积砂、摩阻小和耐磨蚀等特点。并且安装方便是，维护工 作小，不污染水质，使用寿命长。缺点是机械强度较低、抗外 力破坏的能力差，修复时间较长，修复作业复杂等缺点。自l9 9 9 年开始，已在江苏油田试采二厂进行了小范围的推广应用，与 金属管道的对比评价尚在进行中。 尼龙管 尼龙管除具备玻璃钢管的所有优点外，还具有较强的耐磨 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 性。 钢骨架复合管 钢骨架复合管又称孔网塑料管，它同纯塑料管、玻璃钢管、 钢管料塑复合管、铝塑复合管相比，其显著特点是集塑料的耐 腐蚀性与钢网的高强度于一体，采用国际独有的钢丝编网及高 速点焊、塑料同步挤出一次成型技术，管壁的内外层塑料通过 管壁中间的金属网孔连接为一体( 如同钢盘混凝土的结构形 式) ，既解决了因双方热收缩率差异较大而易剥离的问题，又 提高了管材的抗腐蚀性能，与相同规格、相同壁厚的纯塑料管 相比耐压强度大大提高。生产过程中彩独特的新型复合机头， 制品内外壁光滑、均匀、生产稳定、质量可靠。管件生产采用 挤压注塑专利技术，大幅度降低了设备投资。以多也金属板焊 接而成的管件状骨架为增强体，保证其具有与复合管相同的耐 压等级，产品质量可靠、壁厚均匀。管件内外层塑料通过骨架 孔连接在一起，不会产生脱层问题。 钢骨架塑料复合管的优点： 1 耐压性能好，钢骨架塑料复合管在输送介质时，钢网 是主要的应力承载体，承担大部分压力。并且约束塑料的蠕变、 收缩或膨胀变形，使管材的整体耐压性能得到显著提高。 2 耐腐蚀性能，钢骨架塑料复合管的增强钢网完全被聚 乙烯包覆，真正达到了双面防腐。钢骨架塑料复合管选用的 p e 8 0 、p e l0 0 级管材专用聚乙烯具有极好的化学稳定性，在2 0 时不溶于绝大多数无机和有机溶剂，可耐大多数酸、碱、盐 所引起的腐蚀。 3 水力学性能，钢骨架塑料复合管的内壁绝对粗糙度 r a ( 0 2 2 0 4 7 u m ) ，比钢管( 2 0 5 0 l u m ) 小约1o o 倍，其同样口径 的钢骨架塑料复合管的输送能力比钢管高，也就意味着在输送 同样流量介质的时候，可以选择较小的管材口径或较小的输送 压力。 石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 4 保温性能，钢骨架塑料复合管的导热系数为 0 4 3 w m k ，比钢管的导热系数要小得多，因此，除有特殊要 求外，一般不需要采取保温措施。 5 长期静液压性能，钢骨架塑料复合管的抗长期静液压 性能非常优异，这主要取决于其钢丝增强网与塑料的复合结 构。由于钢丝网的约束和支撑，使塑料内部所受力明显减弱， 有效提高了管材整体承压能力和使用寿命。 6 耐温性能，从长期静液压的试验结果看出，钢骨架塑 料复合耐温性能明显高于纯p e 管材，这是由于管壁中间的钢 网承担了大部分的应力，使塑料内部的应力降低，同时钢网也 有效地抑制了塑料的蠕变进程，提高了管材在高温时的使用寿 命，使这种管材可以在7 0 下长期使用。 金属管道以其独特的性能和价格比在石油系统几十年来 一起处于主导地位，但可以相信，在不远的将来，随着科学与 技术进步，新型的管材必将不断出现，它们将最终取代金属管 道在石油集输系统的统治地位。 综上所述，对管道腐蚀原因进行调查分析，充分弄清腐蚀 机理，找出诸多腐蚀因素中的主、次要矛盾，在集输管道的施 工、运行、维修、翻新修复等阶段，提出不同的整治方案，从 而最大限的延长集输管道的寿命是本文行文的主要目的。在下 文中，将以此为思路，展开埋地金属集输管道的腐蚀、防护、 修复探讨。 4 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章埋地金属集输管道腐蚀机理 第2 章埋地金属集输管道腐蚀机理 2 1 腐蚀的分类 由于腐蚀领域广而且多种多样，因此有不同的分类方法。 最常见的是从下列不同角度分类：腐蚀环境、腐蚀机理、腐蚀 形态类型、金属材料、应用范围或工业部门、防护方法等。下 面按腐蚀机理和腐蚀形态两种分类法介绍腐蚀的常见类别。 2 1 1 按腐蚀机理分类 ( 1 ) 化学腐蚀 化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用 而引起的破坏。其反应历程的特点是金属表面的原子与非电解 质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，形成腐蚀产物。腐蚀过 程中电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有 电流产生。 纯化学腐蚀的情况并不多。主要为金属在无水的有机液体 和气体中腐蚀以及在于燥气体中的腐蚀。 ( 2 ) 电化学腐蚀 电化学腐蚀是指金属表面与导电的介质离子发生电化学 反应而引起的破坏。任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包 含有一个阳极和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和 介质中的离子流形成回路。阳极反应是氧化过程，即金属离子 从金属转移到介质中并放出电子，阴极反应为还原过程，即介 质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子的过程。如碳钢在酸中 腐蚀时，在阳极区铁被氧化为f e ”离子，所放出的电子由阳极 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章埋地金属集输管道腐蚀机理 ( f e ) 流至钢中的阴极( f e 。c ) h ，被h + 离子吸收而还原成氢气 即： 阳极反应：f e 骨f e ”+ 2 e 阴极反应：2 h + + 2 e 营h t 总反应：f e + 2 h + 营f e ”+ h 2 从上述电化学机理可知，金属的电化学腐蚀实质上是短路 的电偶电池作用的结果。这种原电池称为腐蚀电池。电化学腐 蚀是最普遍、最常见的腐蚀。金属在大气、海水、土壤和各种 电解质溶液中的腐蚀都属此类。 ( 3 ) 物理腐蚀 物理腐蚀是指金属由于单纯的物理溶解作用而引起的破 坏。熔融金属中的腐蚀就是固态金属与熔融液态金属( 如铅、 锌、钠、汞等) 相接触引起的金属溶解或开裂。这种腐蚀不是 由于化学反应，而是由于物理溶解作用，形成合金，或液态金 属渗入晶界造成的。 2 1 2 按腐蚀形态分类 ( 1 ) 全面腐蚀或均匀腐蚀 全面腐蚀通常是均匀腐蚀，它是一种常见的腐蚀形态。其 特点是腐蚀分布于金属整个表面，腐蚀结果使金属表面变薄。 ( 2 ) 局部腐蚀 包括电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀、选择 性腐蚀、丝状腐蚀。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章埋地金属集输管道腐蚀机理 ( 3 ) 应力作用下的腐蚀 包括应力腐蚀断裂、氢脆和氢致开裂、腐蚀疲劳、磨损腐 蚀、空泡腐蚀、微振腐蚀。 2 2 析氢腐蚀与吸氧腐蚀 在电化学腐蚀中，最典型的是析氢腐蚀和吸氧腐蚀。 2 2 1 析氢腐蚀 2 2 1 1 析氢腐蚀概念 以氢离子的还原反应为阴极过程的腐蚀，称为析氢腐蚀。 发生析氢腐蚀的条件是：金属的电极电位e 。必须低于氢离子的 还原反应电位，即析氢电位e n 。 一种金属在给定的腐蚀介质中是否会发生析氢腐蚀，可由 析氢电位和电极电位比较。一般说来，电位较低的金属如f e 、 z n 等在不含氧的非氧化性酸中；以及电位非常低的金属，如 m g ，在中性或碱性溶液中都发生析氢腐蚀。 2 2 1 2 减小析氢腐蚀的途径 ( 1 ) 减少或消除金属中的有害杂质，特别是析氢过电位小 的阴极性杂质。溶液中可以在金属上析出的贵金属离子，在金 属上析出后提供了有效的阴极。如果在它上面的析氢过电痊很 小，加速腐蚀。 ( 2 ) 加入氢过电位大的成分，如h g 、z 1 3 、p b 等。 ( 3 ) 加入缓蚀剂，增大析氢过电位。如酸洗缓蚀剂 ( 4 ) 降低活性阴离子成分，如c 1 、s 2 等。 2 2 2 吸氧腐蚀 2 2 2 1 吸氧腐蚀概念 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章埋地金属集输管道腐蚀机理 以氧的还原反应为阴极过程的腐蚀，称为氧还原腐蚀或吸 氧腐蚀。发生吸氧腐蚀的必要条件是金属的电位比氧还原反应 的电位低： e h e o2 在中性溶液中氧的还原电位为0 8 0 5 v 。可见， 溶液中的电位低于这一数值，就可能发生吸氧腐蚀 只要金属在 。所以，许 多金属在中性或碱性溶液中，在潮湿大气、水、海水、潮湿土 壤中，都能发生吸氧腐蚀，甚至在酸性介质中也会有部分吸氧 腐蚀。由此可见，与析氢腐蚀比较，吸氧腐蚀具有更普遍、更 重要的意义。 2 2 2 2 影响吸氧腐蚀的因素 ( 1 ) 溶解氧浓度的影响 随着溶解氧的浓度增大，氧的极限扩散电流密度增大，因 而吸氧腐蚀速度增大。但是，如果腐蚀金属具有钝化特性，则 当氧浓度增大到一定程度时，该金属反而由活化状态转为钝 态，氧去极化的腐蚀速度将显著降低。所以，溶解氧对金属腐 蚀往往有着相反的双重影响。这对研究具有钝化行为的金属在 中性溶液中的腐蚀有重要意义。 ( 2 ) 温度的影响 溶液的温度升高， 增大，所以温度升高会 度升到一定程度，特别 从而使腐蚀速度减小。 ( 3 ) 盐浓度的影响 其粘度降低，从而使溶解氧的扩散系数 加速腐蚀过程。但对于敞开体系，当温 是接近沸点时，氧的溶解度急剧降低， 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章埋地金属集输管道腐蚀机理 随着盐浓度增加，溶液的电导率增大，腐蚀速度有所上升。 ( 4 ) 溶液搅拌和流速的影响 溶液搅拌或流速增加，可使扩散层厚度减小，氧的极限扩 散电流增加，因而腐蚀速度增大。 2 3 局部腐蚀 局部腐蚀包括：电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、丝状腐蚀、 晶间腐蚀、选择性腐蚀。其中和埋地金属集输管线有关的是电 偶腐蚀 2 3 1 电偶腐蚀概念 当两种电极电位不同的金属或合金相接触并放入电解质溶 液中时，那可发现电位较低的金属腐蚀加速。而电位较高的金 属腐蚀反而减慢。这种在一定条件下产生的电化学腐蚀，即由 于同电极电位较高的金属接触而引起腐蚀速度增大的现象，称 为电偶腐蚀或双金属腐蚀，也叫接触腐蚀。 电偶腐蚀实际是宏观原电池腐蚀，它是一种最普遍的局部 腐蚀类型。 2 3 2 电偶腐蚀的影响因素 ( 1 ) 面积效应 电偶腐蚀率与阴、阳极相的面积比有关。通常，增加阳极 面积可以降低腐蚀率。从电化学腐蚀原理可知，小阳极和大阴 极构成的电偶腐蚀最危险。反之，大阳极和小阴极的连接，则 危险性较小。 ( 2 ) 环境因素 对电偶腐蚀来说，环境影响很大。不同的环境有着不同的 9 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章埋地金属集输管道腐蚀机理 腐蚀性，对双金属的腐蚀程度影响也各不相同。 ( 3 ) 溶液电阻的影响 溶液的电导率也会影响电偶腐蚀率，如电导性较高的海水， 使活泼金属的受侵面扩大( 扩展到离接触点较远处) ，因而降 低侵蚀的严重性。但在软水或大气中，侵蚀集中在接触点附近。 侵蚀严重，危险性大。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 第3 蠹腐蚀测试及分析 3 1 土壤环境测试 石油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孑l ，造成油气水的 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，对正确的选择防 腐措施有着十分重要的意义。 土壤腐蚀是一种电化学腐蚀，土壤中含有水分、盐类和氧。 大多数土壤是中性的。但有些是碱性的砂质粘土和盐碱土，p h 值为7 5 9 5 。也有的土壤是酸性腐殖土和沼泽土，p h 值为 3 6 。土壤含有固体颗粒砂予、灰、泥渣和植物腐烂后的腐殖 土。土壤是无机和有机胶质混合颗粒的集合，是由土粒、水、 空气所组成，是一复杂的多相结构。土壤颗粒间形成大量毛细 管微孔或孔隙，孔隙中充满空气和水，常形成胶体体系，是一 种离子导体。溶解有盐类和其他物质的土壤水则是电解质溶 液，土壤的导电性与土壤的干湿度及含盐量有关。土壤的性质 和结构是不均匀的、多变的，土壤的固体部分对埋设在土壤中 的金属表面来说，是固定不动的，而土壤中的气、液相则可作 有限运动。土壤的这些物理化学性质，尤其是电化学特性直接 影响着土壤腐蚀过程的特点。土壤组成和性质的复杂多变性， 使不同的土壤腐蚀性相关很大。 3 1 1 取样地点 为了能准确评价埋地管道所处的土壤环境，选择了位于淮 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 河入江水道的卞杨长输管道附近土壤进行取样。按二个深度掘 取土样，即地下0 5 米和1 0 米，并将两个土样充分混合，成 为一个土样。 3 1 2 土样评价指标 3 1 2 1p h 值 以5 克的土壤样品分别与1 0 m l 、2 0 m l 、5 0 m l 的蒸馏水充 分混合后，利用国产8 6 8 型台面式i s ep h 直接测试并读数。 3 ，1 2 2 含水量 在l0 5 下真空干燥样品4 小时，称量前后的重量变化。 3 1 2 3 可溶盐含量 分三次取干燥的( 6 0 ，真空干燥2 4 小时) 5 克土壤样品， 依次与5 0 m l 的蒸馏水充分混合后过滤，称取干燥( 6 0 ，真 空干燥2 4 小时) 后残留物的平均重量。 3 1 2 4 氯离子含量 分别利用s 2 5 0m k 3 扫描电子显微镜a n l 0 0 0 0 能谱仪器对土 壤样品进行了分析，采用的测试条件为：激发电压15 k v ：束流 0 2 4 m a ；采集时间6 0 0 秒( 15 5 0 c p s ) ；定量分析程序：z a f 一 4 f l s ；样品处理：制取粘土薄片，微波干燥后加喷碳层。 3 1 2 5 硫酸根离子含量 分别利用s 2 5 0m k 3 扫描电子显微镜和a n l0 0 0 0 能谱仪器对 土壤样品进行了分析，采用的测试条件为：激发电压l5 k v ；束 流0 2 4 m a ：采集时间6 0 0 秒( 1 5 5 0 c p s ) ：定量分析程序：z a f 一4 f l s ；样品处理：制取粘土薄片，微波干燥后加喷碳层。 3 1 2 6 土壤电阻率 1 2 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 按照国标g b t 1 7 9 4 9 1 2 0 0 0 土壤电阻率测定方法进行测 量。 3 1 2 7 氧化还原电位 2 5 0 0 0 0 9 泥样+ 1 0 0 m l 蒸馏水，搅拌均匀，温度3 0 0 c 。以 p t 作指示电极，饱和甘汞电极作参比电极，用i m 6 e 电化学工 作站测量。 3 1 2 7 自然腐蚀电位 主要仪器：i m 6 e 电化学工作站；铜电极；铂电极；钢网电 极；锌电极：饱和甘汞电极：毫安表等。2 5 0 0 0 0 9 泥样+ 1 o o m l 蒸馏水，搅拌均匀，温度3 0 。 ( 1 ) 材在上述泥样中的自然腐蚀电位：用i m 6 e 电化学工作 站测其极化曲线，测量钢材在上述泥样中的自然腐蚀电位。 ( 2 ) 在上述泥样中的自然腐蚀电位：用i m 6 e 电化学工作站 测其极化曲线，测量锌在上述泥样中的自然腐蚀电位。 3 1 3 土样测试结果： 表3 一i 中列出了样品的七项指标： 表3 一l 土壤测试指标表 土壤带测指标内容指标的测试数值 p h 值 6 7 0 含水 l5 2 0 可溶盐总量 0 12 氯离子含量 ( 0 0 0 8 硫酸根离子含量 0 0 1 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章腐蚀测试及分析 电阻率 25 6q m 氧化还原电位 4 9 5 5 m v 自然腐蚀电位 一357 8 m v 3 1 4 测试结果分析 为了预测埋地钢质管道的使用寿命和对其防腐蚀措施进行 工程设计，土壤的腐蚀性是必需的基本技术数据。影响土壤腐 蚀性的因素很多，因为土壤是由固相、气相和液相构成的不均 一多相体系，可以说，至今还没有建立起一个评价壤腐蚀性 的完美方法。评价土壤腐蚀性可以用土壤理化性质的单项指 标，也可以用它们的综合指标。前者按单项指标作为一般性初 步估量，有一定的参考价值，目前经常在实际工程中应用，但 有一定局限性；后者考虑较为全面，同时选择多项指标分别按 数据给出评价指数，然后累加和评级。这样做需要一系列完整 的数据，实际操作比较烦琐，而且整个评价体系还不很成熟， 尚在讨论形成过程中。本项目中采用单项指标评估土壤腐蚀 性。 土壤电阻率表征土壤的导电性能，综合反映了土壤的含水 量、含盐量、土质、颗粒度、松紧度、有机质含量以及土壤温 度等。通常认为，土壤电阻率与土壤的腐蚀性成反比，电阻率 越小，腐蚀性越强。因此目前世界各国的现行标准都用土壤电 阻率来大致划分土壤腐蚀性等级，分级的具体档次各国有所不 同。总体说来，该测试区域土壤的电阻率较高，按照我国采用 的“强、中等、弱”三级标准，属于中等腐蚀。 1 4 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 土壤的腐蚀性随着含水量的增加而增加，直至达到某一临 界值，含水量进一步增加，土壤腐蚀性反而降低。本土壤样品 的含水量为15 2 09 6 ，( 因此地土壤在淮河入江水道内，含水量 数值随着洪水的进退，含水量是不等的) ，此时土壤保持最大 的腐蚀速率。 该区域的可溶盐含量中偏低。 土壤的p h 值代表了土壤的酸碱性。在中性土壤中金属腐蚀 的阴极反应主要是氧去极化，土壤酸度通过中和阳极反应形成 的o h 一而影响阳极极化；而在酸性土壤中则有氢去极化参与。 阳极反应产生的金属离予在不同p h 条件下形成的腐蚀产物的 溶解度也是不同的，从而影响到阳极极化。土壤的p h 测定结 果在6 7 0 ，表明为弱酸性土壤，从酸碱性的角度考虑，属于弱 腐蚀性。 土壤的氧化还原电位反映了土壤中各种无机物、有机物体 系的氧化还原平衡状况，e h 7 低时，容易发生以硫酸盐还原菌 为代表的微生物腐蚀。土样测得的e h 7 值为0 4 9 v ，同时考虑 到土壤样中存在轻微的硫酸根离子，表明该区域微生物腐蚀的 倾向属于极弱。 3 2 集输管道输送介质的性质 集输管道的输送介质为油气水。其中以地下采出污水对管 道的腐蚀严重。江苏油田试采二厂采出污水主要有以下几种类 型：n a h c o 。、c a c l ：、n a ：s o 。、m g c l ：几大类，具体的离子含量 差异很大，其中m 9 2 + 离子的含量一般在2 0 m g l 左右，最小为 0 m g l ，最高达3 2 5 l m g l ( 崔9 - 3 和崔9 4 的m g 含量分别为 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章腐蚀测试及分析 17 4 7 m g l 和3 25 1 m g l 为全厂最高) ，c a + 离子的含量差别也很 大，含量在0 1 0 0 m g l 的占7 5 ，最高达3 0 4 0 m g l ，其中韦2 - 2 5 在l8 9 2 m g l ，c l 一离子的含量差别也很大，低的只有2 0 m g l 左 右，例如西2 为7 o m g l ，韦5 17 井、5 一l3 井为8 7 m g l ，黄 5 9 为2 0 m g l ，大多数井的c l 离子含量在10 0 0 1 0 0 0 0 m g l ，最 高的达到3 1 9 0 5 m g l ，其中韦2 2 5 达到2 4 2 8 4 m g l 。n a + 、k + 离子的含量也是差别很大，最低的在4 0 m g 1 左右，最高的达 到了1 6 0 5 2 m g l ，其中闵3 3 井为11 m g l ，庄2 块普遍在 1 0 0 0 0 m g l 以上，庄2 3 达到1 6 3 7 0 m g l 为全厂最高。污水的 。矿化度差别也很大，低的在1 0 0 0 m g l 以下，高6 1 0 井、7 8 井分别为3 2 2 m g l 和5 5 3 m g l ，矿化度超过10 0 0 0 m g l 的占6 0 ， 最高的为5 6 9 9 6 m g l ，其中庄2 断块矿化度最高，普遍大于 4 0 0 0 0 m g l 。此外，s o ；”、h c o 。一、c o32 - 含量的差别也很大其含 量范围分别为o 6 4 4 7 m g l 、o 5 9 0 7 m g l 、o 1 4 8 3 m g l ，且期间 分布极不均匀。 通过以上单井的产出污水的分析，可以看出，二厂产出污 水水性多样，差别很大。对金属管道的腐蚀主要为电化学腐蚀。 3 3 金属埋地集输管道的腐蚀测试及分析 3 3 1 金属埋地集输管道的腐蚀特征 据19 9 5 年至2 0 0 2 年的有关统计，埋地金属集输管道的腐 蚀特征主要有以下几类： ( 1 ) 点腐蚀穿孔 该类腐蚀的主要特点为，管道本体不存在大面积的腐蚀。 除穿孔处被腐蚀外，其它部分的金属表面完好无损。 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章腐蚀测试及分析 ( 2 ) 冲刷腐蚀穿孔 此类腐蚀的主要特点是，腐蚀均发生在管道的弯头处，且 是由管道的内壁向外壁腐蚀，最终形成腐蚀穿孔。除穿孔处外， 弯头的外表面及相邻直管段一般均完好无损。 ( 3 ) 水陆气相交界腐蚀穿孔 此类腐蚀的主要特点是，腐蚀点处于水、陆、气三相中的 两相或三相交界处，腐蚀处常常是沿水、陆、气相的交界面呈 条带状分布。 ( 4 ) 面积腐蚀穿孔 此类腐蚀的特点是，腐蚀处不是一点面是一个有定面积 的腐蚀面，腐蚀产物呈鳞片状。受外力作用可成片脱落。上述 四类腐蚀穿也统计汇总见表3 2 。 表3 21 9 9 6 2 0 0 2 年江苏油田二厂管道穿孔记录 腐蚀类型 穿孔次数比例 点腐蚀穿孔 2 5 l3 8 9 冲刷腐蚀穿孔 8 21 2 7 水、陆、气相交界腐 2 3 53 6 4 蚀穿孔 面积腐蚀穿孔 7 81 2 3 3 2 腐蚀产物测试 上述四类腐蚀穿孔中，1 、2 两类提取腐蚀产物不容易，提 取了一个3 类腐蚀产物样品( 样品1 ) 和两个4 类腐蚀产物样品 ( 样品2 、3 ) 进行仪器测试。 3 3 2 1 测试结果 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 ( 1 ) 电子探针检测结果 图3 1 图3 - 3 为元素分析图谱 表3 3 表3 5 中列出了元素分析值 3 1 样品1 元素分析图谱 表3 3 样品1 元素分析值 图 兀重度比 原子比 复合物离子 浓度 密度组成 素 比数字 n ak35 6 40 9 4 882 3 22 26 4 13 1 2 9n a 2 036 9 m gk 0 290 6 4 4 0 0 ，280 300 4 7 m g o 0 0 4 a 1k1 2 20 7 6 3 10 990 9 61 87a l2 0 30 13 s ik3 8 90 8 6 2 82 782 5 95 9 6s i 0 20 3 6 s k5 5 40 97 4 33 5 12 878 7 8s 0 30 4 0 c 1k34 8 80 833 125 8719 0 80 0 02 6 7 k k1 2 01 0 07 3 o 7 4o 4 90 8gk2 00 07 c ak11 30 9 8 2 40 7 1 0 4 60 99ca 00 06 1 8 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 m nk04 70 85230 3 40 l 60 4 4m n 00 ，02 f ek 2 5 730 87 2 018 238 5423 4 5f e 0 1 19 023 333 8 14 5 33 t o tc a t i0 1 3 1 0 0 0o598 a 1s 图3 - 2 样品2 元素分析图谱 表3 4 样品2 元素分析值 重度比原子比复合离子 元素浓度密度组成 物比数字 n ak45 4 70 9 86 l2 5 8 32 9 7 03 4 8 in a 2 04 17 m gk 0 0 0o 6 4 l lo 0 00 0 00 0 0 m 9 0 0 0 0 a 1k0 8 80 7 6 3 20 640 6 31 2 2a 1 2 0 30 0 9 s ik2 7 60 8 6 6 8 1 7 9 1 6 83 82s i 0 2o 2 4 s k4 9 4o g87 l2 8 02 3 16 9 9s 0 30 3 2 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 c 1k45 1o 0 842 9 2 9 9 6 2 23 4o o o3 14 k k1 o5 09 98 4 o 5 9 o 4 0o 7 1 k 2 0o 0 6 c ak0 6 l o 976 6 035 0 2 3o 4 9 c a 00 0 3 m nk 0 330 852 90 2 20 1 00 2 8 m n 00 0 i f ek26 3 1d 87 3o】6 8 87 ，9 92 】7 if e 01 1 2 o 2 0 953 4 6 l4 8 6 t o t a lc a t io 1o0 006 0 5 sn 图3 3 样品3 元素分析图谱 表3 5 样品3 元素分析值 原子 重度比复合物比离子 元素浓度密度比组成 数字 n t ik2 3 87 0 8 0 87l9 9 42 3 4 22 6 8 8 n a 2 03 3 8 m gk 0 0 0o ，60 l2o 0 0o 0 00 0 0 m 9 0 0 0 0 a lko 7 00 72 5 30 6 5 0 6 6 1 2 4a 12 0 30 0 9 s ik2 230 83 3 51 8 11 743 87s i 0 2o 25 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 s k62 6o 96 0 644 03 7 01o9 8s 0 30 53 c lk2 1 52o 826 417 5913 4 0o o o1 93 k k0 7 01 0 4 l9o 45o 3 10 55k 2 00 0 5 cak0 4710 l500 3 10 2 l04 4c a 00 03 fek3 9 140 8 8 4 329 9 0l4 4638 4 6f e 02 0 8 02 4 9542 1 l6 07 t o ta 1c a t io l0 0 0 0 sn ( 2 ) 金相图 图3 4 腐蚀产物金相图 ( 3 ) 测试结果显示 从x 射线衍射图显示该腐蚀产物中存在f e 0 f e ：0 。、 m g o f e2 0 。、m n o a 1 。0 。，m n o f e2 0 。四种化合物组成。 下 电子探针测试值迸一步显示这些腐蚀产物的元素构成如 表3 - 6 腐蚀产物元素构成表 e le m e n t ( 元素) 样品1w e i g h t 样品2w e ig h t 样品3w e i g h t n a2 3 2 22 5 8 31 9 9 4 2 1 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 m g o 2 80 0 00 0 0 a 10 g go 6 40 6 5 s i2 7 81 7 91 8 l s3 5 12 8 04 4 0 c 12 5 872 9 9 617 5 9 ko 7 40 5 90 4 5 c a0 7 lo 3 5o 3 1 m n0 3 4o 2 2 0 o o f e1 8 2 316 8 82 9 9 0 o2 3 3 32 0 9 52 4 9 5 t o t a ls1 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 3 4 腐蚀穿孑l 原因分析 由上述对土壤及管道测试结果分析，可将埋地金属集输管 道的腐蚀原因归纳如下。 3 4 1 管道外腐蚀原因分析 3 4 1 1 土壤腐蚀性 由上述土壤样品测试结果可以看出，江苏油田试采二厂辖 区的土壤呈微酸性、含盐量适中，由于处于水乡地带，土壤中 的水份较多，土壤中的吸附氧和水分中的溶解氧含量较高，由 电化学腐蚀机理可知，土壤对管道的腐蚀为吸氧腐蚀，反应方 程式为： 2 f e + 2 h2 0 + 02 = 2 f e2 + + 4 0 h 一 上文中提到的面积腐蚀即多受此种因素影响。 3 4 1 2 土壤的宏观微电池腐蚀 因土壤性质的改变形成的腐蚀。如管道穿过不同性质的土 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 壤的交界处形成的宏腐蚀电池，新旧埋地管道连接处形成的宏 腐蚀电池。对处于土壤湿度不同的管线，其管线的电位差可达 0 3 v 左右。如卞扬长输油管线的从农田穿越一片低洼地处，投 用来发生了数起穿孔现象，后请南京大学协作人员进行电位差 测试，不到l0 0 米的管段其电位差为0 26 v 。对处于土壤透气 性不同的管道，可形成较大的电位差，其宏腐蚀电池两极间的 距离可达几公里。 3 41 3 氧气、水分富集形成的腐蚀 水、气、陆三相中，水气界面、气陆界面都富集有水分和 氧气，在中性环境中，极易形成吸氧腐蚀。 3 4 1 4 保温层破损 在管道保温层破损处，水分由此向保温层的内部浸入，从 而使管道经常处于半干半湿的状态。此时管首发生氧浓差电 池腐蚀的危险增加，这种腐蚀主要发生在管道的中下部，一般 为局部坑蚀，对管道的威胁较大。另外，有的聚氨酯泡沫保温 层中加入了阻燃剂，泡沫内进水后，阻燃剂水解，生成含c l 的酸性腐蚀环境，c 1 一体积小，穿透力强，可加剧阳极去极化作 用，使腐蚀速度加快。 3 4 1 5 防腐层质量较差，阴极保护不足 当防腐层因施工质量或老化等因素出现防腐层质量较差 时，常常会影响到阴极保护的效果，使阴极保护半径减小，耗 电量增加，而使管道达不到完全保护。如果阴极保护不能正常 运行，那么埋地管道就更不能得到有效的保护。 3 4 1 6 杂散电流干扰腐蚀 在电气化铁路、两相一地输电线路、直流电焊机等引起的 杂散电流腐蚀对埋地管道的影响是较大的。 3 4 1 7 硫酸盐还原菌的腐蚀促进作用 土壤中的s o 。”的存在为硫酸盐还原菌的生长提供了条件。 6 0 的输油温度也适合硫酸盐还原菌的生存。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 3 4 1 8 温度影响 温度对腐蚀速度有很大影响，一般来说，温度每升高2 0 ，腐蚀速度加快一倍。从油田生产实际情况来看，埋地高温 管道及伴热管道的腐蚀发生率高于集油管道，而集油管道的腐 蚀率高于常温输送管道。 3 4 2 管道内腐蚀原因分析 造成集输管道内腐蚀的原因与被输送介质有关，h 2 0 、0 。、 h 2 s 、c l 一、s 0 。”、细菌、生成硫的化合物、固体组成或沉淀等， 均会导致或加剧管道的电化学腐蚀。主要原因如下： 3 4 2 1 管道底部腐蚀 剖开管道发现管道底部存在着连续或间断的深浅不一的 腐蚀坑。这些坑上，有的覆盖有腐蚀产物及垢，有的呈现金属 基体光泽，腐蚀形态为坑蚀或沟槽状。这种腐蚀与管道内输送 介质含水有关，在含水低于6 0 时，油与水能形成稳定的油包 水型乳状液，即使伴生气中含c 0 ：，因为管道接触的是油相， 腐蚀很轻微；另外，含水低时产出液中一般不含硫酸盐还原菌， 细菌腐蚀的可能性极小。含水率大于6 0 时，出现游离水，此 时管道内注体为“油包水+ 游离水”或“油包水+ 水包油”的 乳状液。当含水继续上升时，游离水的量可形成“水垫”，托 起油包水乳状液。此时管道底部为水，中部为油包水，上部为 伴生气。管道的底部直接接触水，腐蚀严重。 3 4 ，2 2 输量不够的管道腐蚀 在管道设计规格过大、输液量小、含水高、输送距离远的 情况下。管道多发生腐蚀穿孔、使用周期短的问题。含水超过 2 4 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章腐蚀测试及分析 7 0 ，流速低于0 2 0 3 m s 时腐蚀更为严重。此时管道内的环 境适合于s r b 生长，s r b 可造成管道底部点蚀穿孑l 。 34 2 3 油井出砂量大的区块管道易腐蚀 油井出砂量大的区块腐蚀非常明显，在流速低的情况下， 砂在重力作用下沉积于管道的底部。随着油气压力时大时小、 时快时慢的脉动，采出液不停地冲刷管道的底部，形成冲刷腐 蚀，从而加剧了管道的腐蚀穿孔。 3 4 2 4 含c 0 ：产出水的腐蚀 在油田采出水中常含有c 0 ：，其腐蚀严重的程度与c 0 ：分 压、水中o ：含量、水中h c o3 - 含量、温度等有关。c o 。分压升高， p h 值降低，c o 。腐蚀速率随c o ：分压增加而增加、随温度升高而 降低，当产出水中含有h c o3 - 时，c 0