管道腐蚀会对经济造成数十亿美元的损失,了解管道腐蚀与防护方法非常重要

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如果一个国家没有大型复杂管道网络,就像一个人没有了动脉。运输和分配石油、天然气、化学药品、水、蒸汽、石油产品和其他物质的管道对经济至关重要。电化学劣化或腐蚀严重危害了这些关键资产的健康。


管道腐蚀是由于其与工作环境的相互作用而导致的管道材料及其相关系统的劣化。它会影响由金属和非金属制成的管道和配件。管道腐蚀以及可能引起的相关灾难性故障给经济造成数十亿美元的损失。

管道腐蚀会对经济造成数十亿美元的损失,了解管道腐蚀与防护方法非常重要

换句话说,腐蚀是一个大问题。它主要影响铜、铝、铸铁、碳钢、不锈钢和合金钢等金属管道,这些管道主要用于地上、地下、液体或其他管道设施中。这使得设计和选择用于管道及其腐蚀防护系统的最佳可用系统和材料成为石油和天然气行业极为重要的问题。联邦法规还要求,所有运输石油,天然气或其他有害物质的高风险管道均应使用可靠有效的管道材料和涂料,以及阴极保护。在这里,我们将研究影响管道的主要腐蚀类型,以及用于保护该基础设施的一些方法。


腐蚀过程


大多数管道的腐蚀是由于在电解液的存在下发生的电化学反应而发生的。该方法的电化学性质还促进了这种劣化的检测和减轻,这是通过监测与腐蚀速率相关的电压和电流来实现的。


管道系统的腐蚀速率通常与外部和内部因素有关。外部因素包括管道的工作环境,土壤化学性质和埋入式管道的水分,如果是浸入式管道,则为水化学性。


导致腐蚀的内部因素可能包括:


所含液体和气体的氧含量或反应性


在管道系统中使用异种金属


流体和气体的温度,流量和压力


管道腐蚀的类型


有几种不同类型的腐蚀。在这里,我们将看看它们是如何发生的。


均匀管道腐蚀


顾名思义,均匀的管道腐蚀会导致沿管道表面的材料均匀损失,从而导致其实体结构连续变薄或壁面损失。反应速率是通过每年以毫米为单位的表面渗透深度来衡量的。通过选择合适的管道材料以及腐蚀保护方法(例如阴极保护)和表面涂层的组合,可以防止这种类型的损坏。


点腐蚀


点蚀是有限表面积的严重局部腐蚀,导致管道表面形成空腔或凹坑。在某些情况下,这些凹坑可能会刺穿管道。点蚀的原因包括:


管道材料缺陷或表面缺陷


机械损坏保护性被动薄膜


被侵蚀性化学物质(例如氯化物)渗透


这种类型的腐蚀经常出现在被动金属合金和金属(例如铝甚至不锈钢)中。坑通常在形状和深度上有所不同。管道材料选择不当可能是原因之一。


可以通过以下方法防止这种腐蚀:


选择用于特定服务环境的管道材料,例如反应物的温度和化学浓度(耐点蚀)


设计阴极或阳极保护


选择性浸出


当贵金属和更具反应性的元素形成合金时,就会发生选择性浸出或石墨腐蚀。这可能会导致反应性元素从管道表面损失,从而导致强度损失和过早损坏。典型的例子是从铜合金中去除镍,钴或锌。这可能会导致颜色变化或受影响材料的密度变化。在某些情况下,添加铝或锡可以防止浸出。


电腐蚀


电连接具有不同腐蚀电位的异种合金或金属时,会发生电偶腐蚀。在这种情况下,仅金属会相对于另一金属充当阳极。可以通过使用电流系列更接近的金属组合并在两者之间放置绝缘层来防止此反应。阴极表面的涂层也将有所帮助。


缝隙腐蚀


缝隙腐蚀是由于氧气的可利用性不同而引起的,在接头和其他缝隙处的加速反应会引起缝隙腐蚀。缺氧的表面在电化学反应中成为阳极。用焊接接头代替铆接接头可以帮助克服这些问题。


晶间变质


晶间变质是指当晶界达到高活性而易于腐蚀时,表面晶界上的选择性变质(由于高温)。热处理和焊接热会引起这种转变,从而导致腐蚀。通过选择超低碳不锈钢材料可以避免此问题。


空化和侵蚀性腐蚀


当流体的工作压力降到其蒸气压以下时,在管道中会发生气蚀损坏,从而导致蒸气袋和蒸气气泡的形成,这些气泡会在管道的内表面坍塌。这也会导致腐蚀腐蚀。在某些运行条件下,热交换器的管道部分,例如泵的吸入口,排放管,弯头,三通,膨胀或安装件(甚至是阀座),可能极易受到这种损坏。


在设计阶段,可以通过减小流体压力梯度和在液体蒸气压范围内的过度压降以及确保零空气进入来防止气蚀。涂层还可以减少材料损失的速度。


侵蚀性腐蚀归因于流体与管道内表面的相对运动。流体湍流会导致侵蚀速率快速上升。可能形成的内部管道表面或凹坑加工不良会扰乱流体的顺畅流动,从而导致局部流体湍流。这会导致高腐蚀速率。在高温或高压下,气蚀,侵蚀和腐蚀的结合会导致非常严重的点蚀。


在这种情况下,在钢中添加铬或钼可以改善防腐性能。


杂散电流腐蚀


流经管道的杂散电流会引起杂散电流腐蚀。这可能会在杂散电流离开表面的精确点上在金属表面上造成局部点蚀和针孔。


杂散电的来源包括:


附近有高压架空线或地埋线


电动铁路


电焊机


接地的直流电源


阴极保护


可以通过控制漏电,将杂散电流旁路到接地站或使用附加的保护系统来减少损坏。


应力腐蚀开裂(SCC)


应力腐蚀破坏是在腐蚀条件下预先存在的裂纹的增长。在拉伸应力下,尤其是在较高的温度下,它可能导致易延展的金属管突然失效。对于合金,裂纹会迅速增长,但仅在应力量超过特定阈值水平时才会发生破坏。因此,应力腐蚀开裂的预防措施包括限制载荷以确保其低于阈值应力水平。

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管道涂料


设计用于减轻腐蚀的不同类型的涂料包括工厂制造的系统以及在建筑工地上使用的胶带。以下是管道涂料的一些关键类型,以及它们的优缺点。


煤焦油搪瓷涂料


优点:这些材料对钢具有良好的附着力


缺点:与使用相关的严重健康问题


工厂应用的磁带系统


优点:这些对钢具有良好的附着力


缺点:他们在压力下可能会面临起泡问题


带有丁基胶的聚烯烃(十字头挤出)


优点:此涂层无污染


缺点:与钢管的粘合强度低;由于阴极保护,它可能会脱落


带有丁基胶的聚烯烃(双侧挤出)


优点:该涂层对钢具有良好的附着力;由于阴极保护,它可以抵抗剥离


缺点:无法将其拆下进行管道维修


环氧树脂(熔合)


优点:该涂层对钢具有极好的附着力,可以抵抗脱胶


缺点:需要高温应用,耐磨性差


聚烯烃多层挤出体系或多层环氧体系


优点:该涂层对钢具有极好的附着力,具有很高的耐磨性;由于阴极保护,可抵抗脱胶;对碳氢化合物有抵抗力


缺点:初始费用很高而且必须遵循严格的应用程序参数


金属喷涂层


在水下管道系统中,喷涂热镀层(例如锌和铝)是有利的。这些涂料可在各种环境条件下以低成本提供防腐蚀保护。


对于极高温的管道,使用耐火衬里,聚氨酯衬里,金属涂料和水泥砂浆衬里。


阴极保护(CP)


阴极保护(CP)是通过将管道的金属表面转化为电化学电池的阴极来降低其金属表面腐蚀速率的电气方法。这是通过由通过外部电源压印必要的电压(在的情况下移动所述管金属的电势为负方向来实现的外加电流CP),或通过提供牺牲阳极在系统中(在一个电CP)。


在外加电流保护系统的情况下,通过专用电源将校准后的电流叠加在管道结构上,该专用电源包括与本地市电相连的整流变压器。它连接到埋在地下的阳极。


在电流CP(牺牲阳极)系统的情况下,牺牲阳极金属(例如锌)和管道金属之间的电流等级用于提供所需的保护电流。


牺牲阳极由铝,锌或镁的不同合金制成。对于非常大的管道,牺牲阳极无法提供足够的保护电流以确保完整的管道保护。在这种条件下选择外加电流阴极保护系统。

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如何防止管道腐蚀?


研究特定管道的腐蚀破坏模式有助于确定腐蚀的根本原因和合适的解决方案。通过在设计阶段选择合适的系统和材料,可以最大程度地减少腐蚀。阴极保护系统有助于对管道进行连续监控。在规划新管道时,应采用先进的监视和保护方法。


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