油气管道防腐技术进展

油气管道防腐技术进展主讲：袁宗明（教授）单位：西南石油学院油气储运研究所2001.112001年博士课程主要内容•引言•油气管道涂层技术综述•油气管道阴极保护技术进展引言金属腐蚀的定义金属腐蚀是金属和周围环境起化学或电化学反应而导致的一种破坏性侵蚀。由于物理原因造成的损伤不称为腐蚀，而称为磨蚀（erosion），磨损（galling），或磨耗（wear）。研究腐蚀与防腐的意义一个非常重要的原因就是“经济”因素在英国、澳大利亚、日本等国每年的腐蚀损失大约都占其当年国民生产净产值的3~4%我国每年因腐蚀造成的经济损失据1995年统计高达1500亿元，约占国民生产总值的4%以中原油田为例，1993年生产系统、管线、容器腐蚀穿孔8345次，更换油管590km，直接经济损失7000多万元控制管道腐蚀的途径改变管道接触介质的性质一是周围环境介质，二是是输送介质。改变管线周围环境介质的性质在现阶段几乎不可能，也很不经济，只能局部改变部分性质，一般情况下很少采用。而输送介质的性质则是我们所能控制的，如天然气的净化、原油的脱硫脱水等改变管道材料采用各种耐腐蚀的管材，如各种合适的金属、合金、合成材料、复合材料或陶瓷等控制金属电化学腐蚀中的极化过程如电化学保护技术将管道与腐蚀介质隔离开来如涂层技术1油气管道涂层技术综述涂层定义广义定义：用物理的、化学的、或者其它方法，在金属或非金属基体表面形成的一层具有一定厚度、不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层狭义定义：用物理的、化学的、或者其它方法，在金属或非金属基体表面形成的一层具有一定厚度的（一般大于10μm）的不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层两者的区别在于对覆盖层厚度的限定发展历史回顾我国自古就有用生漆保护埋在土壤中棺木的方法，在公元前就已经开始使用油漆来防腐了1822年《DinglersPolytechnischemJournal》杂志上发表了现代第一篇关于防锈漆的报告，报告建议使用油漆、树脂和植物油喷涂钢表面涂层技术是伴随着涂料工业的发展而发展起来的在我国，现代涂料工业的开创距今也只有80多年的历史历史发展阶段1940~1960年管道防腐涂层主要是煤焦油、石油沥青及乙烯基胶带1960~1970年，为煤焦油、沥青、高密度聚乙烯及PE胶带1980~1990年为高密度聚乙烯茄克、环氧粉末1990年以后主要是环氧粉末和PE组成的三层系统管道外涂层技术进展国内外涂层应用现状目前，全世界涂料的种类多达5000多种，而我国据粗略估计，防腐蚀涂料品种已超过1000多种经常用于管道防腐的却大致可以分为以下几类：石油沥青（包括各种改性石油沥青）、煤焦油瓷漆、聚乙烯类（包括聚乙烯胶带、挤出聚乙烯等）、环氧粉末（FBE）、环氧煤沥青、复合涂层、混凝土和聚氨酯泡沫等表1.1《PipelineDigest》1992~1996年度管道涂层用量调查汇总涂层比例涂层比例涂层比例涂层比例涂层比例1环氧粉末53.79环氧粉末42.11环氧粉末34.11环氧粉末37.33环氧粉末38.242煤焦油瓷漆15.39煤焦油瓷漆19.39混凝土涂层17.31混凝土涂层15.71三层聚乙烯25.073二层聚乙烯10.11二层聚乙烯18.86三层聚乙烯13.46煤焦油瓷漆15.6混凝土涂层10.594石油沥青5.87混凝土涂层14.04煤焦油瓷漆10.32内涂层15.35二层聚乙烯9.825混凝土涂层5.75胶粘带1.7二层聚乙烯10.01二层聚乙烯7.3煤焦油瓷漆7.266胶粘带0.39环氧煤沥青1.14石油沥青9.9石油沥青4.17内涂层3.237环氧煤沥青0.29石油沥青0.53胶粘带1.51硬质聚氨酯2.05石油沥青1.198粘接聚乙烯0.15内涂层1.39三层聚乙烯2胶粘带1.079煤焦油聚氨酯0.76胶粘带0.2环氧煤沥青0.3410环氧煤沥青0.27环氧煤沥青0.1111其他8.26其他2.23其他0.96其他0.18其他3.19厂商数量总涂装量,m2序号1992参加调查厂商数量及其当年涂装量199219931994199519961427,969,03620,856,02122,517,02131,410,09620,287,536202015181993199419951996表1.21985~1998年国内主要长输管道防腐层各种涂层所占比例涂层比例石油沥青煤焦油瓷漆聚乙烯二层聚乙烯三层环氧粉末环氧煤沥青按项目统计（%）34.527.617.26.96.96.9按长度统计（%）29.72911.520.61.71.4按项目统计（%）10402510105按长度统计（%）8.741.916.729.82.40.41993年～1998年1985年～1996年注：上表是根据1985~1998年国内建设的33条、合计长度约8100km管道所用外防腐层统计出来的表1.31990~1995年世界管道主要覆盖层用量调查石油沥青煤焦油瓷漆挤出聚乙烯PE胶带FBE复合覆盖层1990年12827535246549796988127488321991年6048974042172396364143849741992年164117043042152827827109720150447801993年1114804802859395594720503887731601994年223019723237032254817340478768141030317341995年1309861489988622939176335611725262628545时间防腐覆盖层用量（m2）从表1.1和表1.3我们可以发现：（1）在国外，这几年环氧粉末的使用都是排在首位，说明它已经成了各用户的首选涂料，表明它的性能令人满意，我们将在后面讨论；（2）石油沥青的使用在国外已经越来越少了。一方面是处于环境保护的考虑，另一方面则是其自身使用条件的限制所造成的，在发达国家已经基本上不用了，但由于其工艺和技术现在都相当成熟，更重要的是其价格低廉，一次性投入低，而且货源比较广，因此，在第三世界国家还有一定的市场；（3）环氧煤沥青的使用在国外也受到了一定的限制。和石油沥青的情况类似；（4）煤焦油瓷漆尽管也存在环境保护的问题，但由于其优良的防腐性能仍然占据了很大的市场；（5）尽管三层聚乙烯等复合涂层有着优良的防腐性能，但还没有得到大力推广，这一方面是由于经济上的原因，另一方面则是由于施工的工艺、技术还没有其它涂层成熟；（6）聚氨酯类涂层的应用在油气管道中也不够广泛；（7）内涂层的应用量正在日益扩大，我们将在后面单独讨论它；•从表1.2中我们可以得到如下信息：（1）在过去石油沥青一直都是我们的首选涂层。这主要是我国的经济还相对比较落后，在当时正好能满足我们的要求，比较符合我国的国情；（2）在上个世纪90年代后期，煤焦油瓷漆成了国内的首选涂层；（3）在发达国家广泛使用的环氧粉末在我国还没有得到大力推广；（4）聚乙烯三层由于其极佳的防腐性能已在国内开始使用了，这意味着我国的防腐技术和国外的差距已经越来越小了，同时说明我国在防腐层选择上已不再象以前那样急功近利了，考虑的更长远一些，因为聚乙烯三层结构的一次性投入较其它涂层要大得多；（5）我国在选择涂层时，除了经济上的要求外，已经加大了对性能和环保要求的力度。表1.41990~1996年国内新建长输管道防腐覆盖层使用情况涂层比例涂层比例涂层比例涂层比例涂层比例1环氧粉末53.79环氧粉末42.11环氧粉末34.11环氧粉末37.33环氧粉末38.242煤焦油瓷漆15.39煤焦油瓷漆19.39混凝土涂层17.31混凝土涂层15.71三层聚乙烯25.073二层聚乙烯10.11二层聚乙烯18.86三层聚乙烯13.46煤焦油瓷漆15.6混凝土涂层10.594石油沥青5.87混凝土涂层14.04煤焦油瓷漆10.32内涂层15.35二层聚乙烯9.825混凝土涂层5.75胶粘带1.7二层聚乙烯10.01二层聚乙烯7.3煤焦油瓷漆7.266胶粘带0.39环氧煤沥青1.14石油沥青9.9石油沥青4.17内涂层3.237环氧煤沥青0.29石油沥青0.53胶粘带1.51硬质聚氨酯2.05石油沥青1.198粘接聚乙烯0.15内涂层1.39三层聚乙烯2胶粘带1.079煤焦油聚氨酯0.76胶粘带0.2环氧煤沥青0.3410环氧煤沥青0.27环氧煤沥青0.1111其他8.26其他2.23其他0.96其他0.18其他3.19厂商数量总涂装量,m21993199419951996参加调查厂商数量及其当年涂装量19921993199419951996序号19921427,969,03620,856,02122,517,02131,410,09620,287,53620201518注：上表中的“在建”是相对于1997的数据而言的管道常用外防腐涂层性能特性及适用条件（1）良好的电绝缘性（2）良好的粘接性，耐阴极剥离（3）良好的稳定性。要求耐老化性能好；化学稳定性好；耐化学和微生物腐蚀；耐水性好，吸水率低；有足够的耐热性，确保其在热输（原油）温度下不变形，不加快老化速度；耐低温性能好，确保其在低温下堆放、拉运和施工时不产生龟裂和脱漆现象；要能抵御由于环境介质与涂层反应而导致涂层性能变差，达不到保护要求（4）足够的机械强度。要求有一定的抗冲击强度，以避免在搬运、安装敷设等施工环节中对涂层的机械损坏；有良好的抗弯曲性，以确保管道弹性敷设或冷弯时不致损坏；能耐土壤应力，以防止土壤、岩石等摩擦而损伤；还要求能抗植物根茎穿透要将涂层实际应用到工程上，还需满足以下几个要求：（5）能机械化连续生产，满足工程建设需要（6）涂料来源广泛，质量可靠（7）易于现场补口补伤（8）经济上合理常用防腐层的特点及其适用条件（1）石油沥青优点主要是施工技术比较简单、在国内比较成熟、取材容易、造价较低（国内造价约为70元/m2左右）缺点主要是：吸水率高、易老化、机械性能差、耐土壤应力差、绝缘电阻低、耐热性差、不耐微生物、不耐深根作物、使用寿命较短、防腐工劳动条件差、对环境有一定的污染等可用于对涂层性能要求不高的一般土壤环境，如：沙土，粘土等，适用温度为-15℃~80℃。在碎（卵）石土壤、石方段、土壤含水量高和水下，生物活动频繁，植物根茎发达地区慎用或禁用（2）环氧煤沥青优点主要为：覆盖层固化后机械强度高、电性能好、化学性质稳定、使用寿命长久，施工方便，可常温冷冻施工、自然固化，可以机械化、半机械化和手工施工，耐土壤应力好，耐水、耐微生物及植物根茎穿透。这种防腐层的抗土壤应力能力仅次于熔结环氧粉末防腐层，其抗外力穿透能力良好。此外，其造价较低廉，在相同除绣条件下，其综合造价（含运输、加工、损耗等）可与石油沥青相媲美缺点主要是：固化时间长至少需要24h，低温（0℃）下固化时间更长，涂层质量易受天气影响，生产规模受限，北方冬季施工受限；双组分很难保证始终混合均匀，适用期短；施工中溶剂挥发，有一定环境污染；使用过程中（尤其热管道）绝缘性能下降很快，导致阴极保护电流很快上升可用于规模较小管径较小的管道工程，穿越套管及金属构件的防腐。同时对涂层机械性能要求不高，但要求耐水、微生物及植物根茎的地区。在多石土壤、石方段，强土壤应力区，大规模大口径管道工程慎用或禁用。适用温度为110℃（2）环氧煤沥青（3）煤焦油瓷漆优点主要是：耐石油产品、植物根茎、微生物，粘接力强，吸水率低，绝缘性好，抗土壤应力，抗阴极剥离，价格低廉，使用寿命长缺点主要是：机械强度较低，使用温度有限，有毒性、环境污染较重。由于环保的要求，在德国、法国、意大利早已停止使用，连美国的一些州也限制使用，澳大利亚从1977年起停止使用可用于人烟稀少的沙漠、戈壁地区和水位高，植物根茎茂盛，生物活动频繁的沼泽或灌木丛生地区。在碎（卵）石土壤、粘质土壤及环境保护要求高的地区慎用或禁用。煤焦油瓷漆有三种型号，其适用温度分别为A型：-13℃~35℃；B型：-8~60℃；C型：-3