输气管道的腐蚀与防护技术1

2020/2/12西南石油学院储运研究所1输气管道的腐蚀与防护技术主讲：李又绿电话：0817-2643885139908689222020/2/12西南石油学院储运研究所2第一章概述•一.腐蚀与防护的重要意义•金属腐蚀给国民经济造成了巨大的经济损失，甚至带来灾难性的事故，浪费宝贵的资源与能源，而且污染环境。在国民经济各部门中，每年都有大量的金属构件和设备因腐蚀而报废。据发达国家调查，每年由于腐蚀造成的损失约占国民经济总产值的2%—4%。在腐蚀作用下，世界上每年生产的钢铁中有10%被腐蚀消耗。随着天然气工业的发展，特别是含硫化氢、二氧化碳等腐蚀介质油气田的相继开发，天然气集输系统和长输系统的设备与管道的腐蚀与防护受到越来越多的重视。2020/2/12西南石油学院储运研究所3一.腐蚀与防护的重要意义•鉴于腐蚀问题的严重性，国内外对防腐蚀工作都很重视，采取各种措施来减轻腐蚀的危害。为了保证油气管道的长期安全运行，各国政府和企业都制定有防腐法规，作为设计、施工、管理必需遵循的准则。•研究腐蚀和防护的意义是多方面的。•1.经济方面：这包括降低因管道、储罐、设备和结构的腐蚀所造成的金属损失。•直接损失:指更换被腐蚀的构件、机械或它们的零部件，如管道、金属屋顶，并包括这种更换工作所需的劳动力在内合计花费的金额。2020/2/12西南石油学院储运研究所4•间接损失:•停产损失•产品损失•效率损失•产品污染•过度设计•2.安全性：因为腐蚀可能造成设备灾难性的破断事故。•3.保护环境：主要是指金属资源，因为它们在全球的储量有限，并且，它们的浪费还伴随着这些金属构件生产制造中的能源和水的浪费。2020/2/12西南石油学院储运研究所5二.金属腐蚀的定义•金属腐蚀：是指金属与周围环境发生化学反应、电化学反应或物理溶解作用而导致金属损坏。•这个定义明确指出了金属腐蚀是包括金属材料和环境介质两者在内的一个具有反应作用的体系。金属为什么很容易受腐蚀？从热力学的观点看，是因为金属处于不稳定状态，它有与周围介质发生作用转变成金属离子的倾向。•金属及其合金的腐蚀主要是化学和电化学作用引起的破坏，有时伴随有机械、物理或生物作用。单纯的物理作用的破坏，如合金在液态金属中的物理溶解（存放熔融锌的钢容器，Fe在高温下被液态锌溶解，使容器壁变薄），这种情况比较少。•不包含化学变化的纯机械破坏不属于腐蚀范畴，例如钢索断裂、机器轴的损坏等，这是材料本身性能的失效。2020/2/12西南石油学院储运研究所6三.金属腐蚀的分类•1.按腐蚀形态分类•1）全面腐蚀（generalcorrosion）•腐蚀分布在整个金属表面上，可以是均匀的，也可以是不均匀的。如碳钢在强酸中发生的腐蚀即属此例。均匀腐蚀的危害性相对较小，因为若知道了腐蚀的速度，即可推知材料的使用寿命，并在设计时将此因素考虑进去。2020/2/12西南石油学院储运研究所71.按腐蚀形态分类•1）局部腐蚀（localizedcorrosion）•腐蚀主要集中在金属表面某一区域，而表面的其他部分几乎未被破坏。常见的几种局部腐蚀有：•·点蚀（pitting）•又称小孔腐蚀。这种破坏常集中在某些活性点上，并向金属内部深处发展，通常其腐蚀深度大于其孔径，严重时可使金属穿孔。如不锈钢在含有氯离子的溶液中常呈现这种破坏形式。•·电偶腐蚀（galvaniccorrosion）•凡具有不同电极电位的金属相互接触，并在一定的介质中所发生的电化学腐蚀即属此类，如不锈钢和碳钢的连接处，碳钢在介质中做为阳极而被腐蚀。2020/2/12西南石油学院储运研究所81.按腐蚀形态分类•·氢脆（hydrogenembrittlement）•在某些介质中，因腐蚀或其他原因所产生的氢原子可渗入金属内部，使金属变脆，并在应力作用下发生脆裂。如含硫化氢的油、气输送管道中常发生这种腐蚀。•·应力腐蚀开裂（stresscorrosioncracking）•它在局部腐蚀中居首位。根据腐蚀介质的性质和应力状态的不同，裂纹特征会有所不同，显微裂纹呈穿晶、晶界或两者混合形式，裂纹呈树枝状，其走向与所受拉应力的方向垂直。如奥氏体不锈钢在热氯化物水溶液（如NaCl2，MgCl2，BaCl2溶液）中常有应力腐蚀破裂发生。2020/2/12西南石油学院储运研究所91.按腐蚀形态分类•·晶间腐蚀（intergranularcorrosion）•这种腐蚀首先在晶粒边界上发生，并沿晶界向纵深处发展。这时，金属外观虽看不出什么变化，但其机械性能确已大大降低了。例如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢常出现这种腐蚀。•·选择性腐蚀（selectiveleaching）•合金中的某一组分由于腐蚀优先溶解到溶液中去，而另一种金属富集下来。如黄铜脱锌就是此类腐蚀。2020/2/12西南石油学院储运研究所101.按腐蚀形态分类•其他局部腐蚀:–缝隙腐蚀（crevicecorrosion）–沉积腐蚀–浓差电池腐蚀–湍流腐蚀–腐蚀疲劳（corrosionfatigue）–磨损腐蚀（erosioncorrosion）–氢致开裂（hydrogeninducedcracking）2020/2/12西南石油学院储运研究所112.按腐蚀环境分类（1）化学介质腐蚀（2）大气腐蚀（3）海水腐蚀（4）土壤腐蚀（5）工业水腐蚀（6）高温腐蚀•·液态金属腐蚀•·熔盐腐蚀•·燃气腐蚀2020/2/12西南石油学院储运研究所123.按腐蚀机理分类1）化学腐蚀金属的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。化学腐蚀是在一定的条件下,非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用,即氧化还原反应是在反应粒子相互作用的瞬间于碰撞的那一个反应点上完成的。在化学腐蚀过程中，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。过去，普遍的观点认为，金属的高温氧化属典型的化学腐蚀。但在1952年，瓦格纳（C.Wangner）根据氧化膜的近代观点提出，不再将高温氧化视为单纯的化学腐蚀。在高温气体中金属的氧化最初虽然是通过化学反应，但后来，膜的成长过程则属于电化学机理。2020/2/12西南石油学院储运研究所133.按腐蚀机理分类化学腐蚀可分为两种：气体腐蚀：一般指金属在干燥气体中发生的腐蚀。例如，用氧气切割和焊接管道时在金属表面上产生的氧化皮。在非电解质溶液中的腐蚀：例如金属在某些有机液体（如苯、汽油）中的腐蚀。2020/2/12西南石油学院储运研究所143.按腐蚀机理分类2）电化学腐蚀电化学腐蚀是指金属与电解质发生电化学反应而产生的破坏。在腐蚀过程中有电流产生。电化学腐蚀的过程至少包括有一个阳极反应和一个阴极反应，并与流过金属内部的电子流和介质中定向迁移的离子联系在一起。阳极反应是金属原子从金属转移到介质中并放出电子的过程，即氧化过程。阴极反应是介质中的氧化剂夺取电子发生还原反应的还原过程。例如，碳钢在酸中腐蚀时，在阳极区Fe被氧化成Fe2+，所放出的电子自阳极（Fe）流至钢表面的阴极区（如Fe3C）上，与H+作用而还原成氢气，即2020/2/12西南石油学院储运研究所153.按腐蚀机理分类阳极反应：Fe→Fe2++2e阴极反应：2H++2e→H2↑总反应：Fe+2H+→Fe2++H2↑由此可见，电化学腐蚀的特点是：介质为离子导电的电解质。金属/电解质界面反应过程是因电荷转移而引起的电化学过程，必须包括电子和离子在界面上的转移。界面上的电化学过程可以分为两个相互独立的氧化和还原过程，金属/电解质界面上伴随电荷转移发生的化学反应称为电极反应。电化学腐蚀过程伴随电子的流动，即电流的产生。2020/2/12西南石油学院储运研究所163.按腐蚀机理分类综上所述，电化学腐蚀实际上是一个短路的原电池反应的结果，这种原电池又称为腐蚀原电池。油气管道和储罐在潮湿的大气中、海水中、土壤中以及油气田的污水、注水系统等环境中的腐蚀均属此类。腐蚀原电池与一般原电池的差别仅在于原电池是把化学能转变为电能，作有用功，而腐蚀原电池则只能导致材料的破坏，不对外界作有用功。当管、罐金属表面受到外界的交、直流杂散电流的干扰，产生电解电池的作用时，腐蚀金属电极的阳极溶解，即发生所谓的杂散电流腐蚀。电解池的正极进行阳极反应，负极进行阴极反应，其电极的正、负极性与腐蚀原电池相反。故电化学反应是借助于原电池和电解池进行的。电化学腐蚀较普遍和常见，是天然气气田设备及管道腐蚀的主要类型。2020/2/12西南石油学院储运研究所17腐蚀形态示意图2020/2/12西南石油学院储运研究所18四.金属腐蚀速率的表示方法•金属遭受腐蚀后，其质量、厚度、机械性能、组织结构、电极过程都会变化，这些物理性能和力学性能的变化率可用来表示金属腐蚀的程度。在均匀腐蚀的情况下通常采用质量指标、深度指标和电流指标来表示。•1.质量指标•2.金属腐蚀速率的深度指标•3.金属腐蚀速率的电流指标2020/2/12西南石油学院储运研究所191.质量指标•这种指标就是金属因腐蚀而产生的质量变化，换算成相当于单位金属表面积于单位时间内的质量变化的数值。所谓质量的变化，在失重时是指腐蚀后带有腐蚀产物时的质量与消除了腐蚀产物后的质量之间的差值；在增重时系指腐蚀后带有腐蚀产物时的质量与腐蚀前的质量之差，可根据腐蚀产物容易去除或完全牢固地附着在试件表面的情况来选取失重或增重表示法。•式中：v—表示金属腐蚀的速率，g/(m2•h)；•ΔW—腐蚀前后金属质量的变化，g；•S—金属的表面积，m2；•t—腐蚀进行的时间，h。tSWv2020/2/12西南石油学院储运研究所202.金属腐蚀速率的深度指标•此指标表示单位时间内金属的厚度因腐蚀而减少的量。在衡量不同密度的各种金属的腐蚀程度时，有以下换算关系：•式中：vL—腐蚀的深度指标，mm/a；•ρ—被腐蚀金属的密度，g/cm3。•除上述单位外，在不少文献中也经常用mdd即mg/(dm2•d)，ipy(in/a)，mpy(mil/a)等作为重量指标和深度指标的单位，它们可以相互换算，具体换算方法见表1。/76.8vvL2020/2/12西南石油学院储运研究所212020/2/12西南石油学院储运研究所22根据金属年腐蚀深度的不同，管道及储罐的介质腐蚀性评价标准及大气腐蚀性评价按SY/T0087-95进行，数据见表2与表3。最大坑深及点蚀的评价标准见表4及表5。2020/2/12西南石油学院储运研究所23等级弱中较强强第一年的腐蚀速率μm.a-11.28~2525~5151~8383表2大气腐蚀性评价表4管壁或储罐壁腐蚀程度评价级别轻中重严重穿孔最大坑深/mm11~22%~50%壁厚50%壁厚80%壁厚表5金属腐蚀性评价指标级别轻中重严重最大点蚀速率/mm·a-10.3050.305~0.6110.611~2.4382.438穿孔年限/a105~103~51~32020/2/12西南石油学院储运研究所243.金属腐蚀速率的电流指标•以金属电化学腐蚀过程的阳极电流密度的大小来衡量金属的电化学腐蚀速度。可通过法拉第定律把电流指标和质量指标联系起来，两者关系为：•式中：ia—腐蚀的阳极电流密度，A/cm2；•v—金属腐蚀的速度，g/（m2.h）；•n—阳极反应中化合价的变化值；•A—参加阳极反应的金属的原子量，g。•Anvia/108.2642020/2/12西南石油学院储运研究所25输气管道的腐蚀与防护技术