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摘要：管道运输作为大量输送石油、水、气体等介质的最为安全经济的方法，已成为石油运输的命脉，然而管道的腐蚀问题是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素。近几十年来，管道防腐材料出现了较大的发展，从初期的煤焦油体系发展到现在的塑性防腐材料。主要介绍了埋地钢质管道外防腐层有机覆盖层的防腐蚀机理，分析了有机防腐覆盖层与阴极保护的关系，阐明了不同防腐材料在不同情况下的优缺点。
关键词：管道防腐；埋地管道；外防腐层；腐蚀机理
一、引言
随着油田的不断开发，油田含水率不断上升，油井生产管柱及地面集输系统的腐蚀现象己逐渐表露出来，特别是油气集输系统的腐蚀表现较为突出，油气管道的防腐对于保障能源的运输起着至关重要的作用。管道建设规模的不断扩大，石油、天然气埋地管道防腐层的破损、剥离和老化等问题带来的后果也愈发严重，会造成管道的腐蚀、穿孔、泄露，给企业带来严重的财产损失，给公众和环境带来危害。我国的地下油气管线投产 1-2 年后即发生腐蚀穿孔的情况屡见不鲜，它不仅造成因穿孔而引起的油、汽泄漏损失，以及由于维修所带来的材料、人力上的浪费和停产停工造成的损失，而且还可能因腐蚀引起火灾[李安军，张智亮，输油管道防腐技术。化工装备技术，2008.29 （1）：73 ~ 75；]特别是成品油管因腐蚀引起的爆炸，威胁人身安全，污染环境，后果极其严重。据中商产业研究院数据库最新数据显示，2014年中国钢铁总产量为112557.43万吨。每年因为金属腐蚀造成的损失占钢铁年产量的10% 20%。腐蚀不仅是钢铁资源的浪费，还会因腐蚀使管道、设备使用寿命缩短，而更换新管道和设备的造价费用远远超过金属材料本身的价格，生产成本因此而增高，降低了经济效益。为防范类似事件的发生，管道防腐技术越来越受到人们的重视。
二、油气管道防腐技术概况
20 世纪 50 年代以前，国外地下长输管道主要采用石油沥青和煤焦油沥青作为外防腐材料，在防腐预制厂或现场涂抹施工。20 世纪 60 年代，研制出了一些性能很好的塑料防腐材料，例如黏胶带，热塑涂层，粉末融结涂层等。20 世纪 70 年代以来，由于管道施工遇到一些严酷的自然环境，对防腐层性能提出了更严格的要求，因此，在管道防腐材料的研究中，都大力发展复合材料或复合结构，强调防腐层要具有良好的介电性能、物理性能，稳定的化学性能和较宽的温度适应性能，以达到防腐、绝缘、保温、增加强度等多种功能，陆续发展形成了聚烯烃、环氧粉末、环氧树脂等防腐材料系列。三层 PE（三层聚乙烯）就是在20 世纪 80 年代由欧洲研制成功并开始使用的。它是将 FBE（熔结环氧粉末）良好的防腐蚀性能、黏结性、高抗阴级剥离性和聚烯烃材料的高抗渗性、良好的机械性能和抗土壤应力等性能结合起来的防腐蚀结构，一经问世就在许多工程上得到了应用，尤其是欧洲国家，其应用呈不断上升的趋势[赵金榜。天然气地下管道用涂层品种、性能及选用设想。中国涂料，2000，（1）：44~46；]。
三、管道防腐技术
提高管道防腐技术，延长管道使用寿命是全球化的技术难点之一，是科学技术与工程设计广泛关注的热点，具有很重要的经济意义。国内外在这方面做了大量的工作，近年无论是技术还是市场应用方面都取得了明显的成效。
（一）有机防腐涂层技术
国内长输管道的外防腐早期采用石油沥青、煤焦油瓷漆及溶剂型环氧煤沥青。由于国家对环境污染及员工健康的不断重视，目前石油沥青、煤焦油瓷漆或环氧煤沥青防腐方式已被熔结环氧粉末（FBE）和聚乙烯三层复合结构（3PE）防腐所取代。随着管道铺设新技术的不断提高和管道使用环境的恶化，开发防腐、绝缘、综合机械性提高、黏结力强的涂层材料是管道防腐的趋势，塑料粉末涂料以其特有的性能在管道防腐工程领域发挥了巨大的作用。在国外，塑料粉末涂料已成为油气管道防腐的首选材料，在国内塑料防腐管道已开始应用。目前我国在建的长输管道防腐层材料主要为溶结环氧粉末、二层聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆；主要集输管道多采用熔结环氧粉末、三层聚乙烯，非主要管道仍采用石油沥青；城市供水、供气管道采用环氧煤沥青和胶带。
（二）无机非金属防腐层
当前，用于管道防腐的涂层以有机涂层为主，虽然有机涂层的性能一直在不断改进，但始终不可能从根本上消除老化变质、耐热抗寒的问题，管道和使用寿命也因此受限，于是无机防腐技术便应运而生。无机防腐材料不老化，耐腐蚀、耐磨损和耐温性能优异，使用寿命比有机材料大大延长。现在的无机非金属防腐层主要有陶瓷涂层、搪瓷涂层和玻璃涂层。
陶瓷涂层具有高化学稳定性，耐腐蚀、耐氧化、耐高温，目前已有蔓延高温合成、热喷涂、化学反应法等较成熟的制备方法。搪瓷涂层具有极强的耐腐蚀性能，用它对钢制管道进行防腐将会使防腐水平得到极大的提高。目前无机防腐涂层急需研究解决的问题主要有：陶瓷涂层的封孔处理方法、搪瓷涂层成本的降低、玻璃涂层结合性和韧性的提高，以及开发适宜的焊后内补 EI 技术等。由于无机防腐技术巨大的发展前景，当前世界各国均已将无机非金属复合防腐管道作为重点攻关的课题，该技术有望取得得大的突破。
（三）电化学防腐技术
电化学保护是指利用外部电流使金属（包括合金，下同）腐蚀电位发生改变以降低其腐蚀率的防腐蚀技术。按照电位改变的方向，电化学保护又可分为阴极保护和阳极保护[李远利，雍歧卫，刘志等。管道防腐涂层新发展。涂料工业，2007，37（2）：55 ~ 57；
]。前者靠电位的负移使金属处于热力学稳状态免遭腐蚀，后者电位的正移虽使金属在热力学上处于更不稳定状态，然而在动力学上金属的阳极溶解过程却受到极大的阻滞。
1、牺牲阳极法阴极保护
在被保护体上偶接电位更负的金属或合金作为阳极，在腐蚀介质中依靠负电位金属不断溶解产生的阴极电流使被保护体阴极极化。牺牲阳极法阴极保护系统由牺牲阳极以及用二监测保护电位的参比电极组成，阳极性金属镀层是牺牲阳极法的另一种应用形式，即在钢铁等金属表面，通过热镀、喷镀都方法，覆盖一层比基体金属电位更负的金属镀层，如锌、镉镀层等。如镀层出现破损，在镀层与基体金属之间组成原电池，镀层作为阳极，而基体金属的破损部位，则得到了阴极保护。
2、外加电流阴极保护
将被保护体与直流电源的负极连接，利用外部电流使被保护体阴极极化。外加电流法阴极保护系统由辅助阳极、直流电源，以及用于控制和监测保护电位的参比电极组成。
3、外加电源法阳极保护
将被保护金属物体与外加直流电源的正极相连，在给定的电解质溶液中将金属进行阳极化至一定电位，如果有此电位下金属可以建立起钝化状态并能维持，则阳极过程受到抑制，而使金属的腐蚀速度显著降低，此时该金属物体得到保护。
四、有机防腐覆盖层与阴极保护的关系
有机覆盖层的防腐蚀作用是基于电化学腐蚀原理，将腐蚀电池的阴极与阳极隔离，阻止腐蚀电流的流动，将钢铁与电解质隔离，阻止离子移动，以防止铁的溶解。当覆盖层处于好的状态时，阴极保护不起作用，保护电流很小，这时可暂时关闭阴极保护系统；当覆盖层发生损坏出现露铁时，阴极保护提供保护电流，抑制露铁的腐蚀，但当覆盖层严重失效(例如阴极剥离、阴极屏蔽)时，通常阴极保护系统不能起到保护管道的作用，因此覆盖层的保护作用是主要的。
五、常用防腐材料的对比
（一）石油沥青防腐层
石油沥青防腐层技术成熟，价格低廉。但实践表明：该防腐层存在机械强度及低温韧性较差、吸水率高、易受细菌腐蚀、施工条件差等缺点。目前，该防腐层主要用于一些距离短、土壤腐蚀性弱的管道。石油沥青防腐层外层用塑料膜包覆，多采用聚氯乙烯工业膜或聚乙烯膜。一方面可以提高防腐层的强度和热稳定性，减缓防腐层的机械损伤和热变性；另一方面，塑料膜本身也是绝缘材料，它和沥青粘结在一起可以提高防腐层的防腐性能和抗老化性能，并且还能防止植物根茎穿透防腐层以及防止碱土使防腐层龟裂，为了增强沥青与钢管表面的粘结作用，在热浇沥青前涂刷一道底漆，用同类沥青及不加铅车用汽油或工业汽油调配而成。
（二）环氧煤沥青防腐层
环氧煤沥青防腐层采用冷涂敷工艺，施工方便；耐化学介质腐蚀、耐磨，对金属表面有很好的附着力。其主要缺点是施工过程中固化时间长、表面处理质量要求高、要求施工场地较大，由于溶剂的挥发，针孔率较高。环氧煤沥青防腐层可应用于埋地、水下各种金属结构的储罐以及短距离或中、小管径管道的防腐。环氧煤沥青涂料是甲、乙双组分涂料，分底漆和面漆两种：甲组分为漆料，主要成分为环氧树脂和煤焦油沥青；乙组分为固化剂，使用过程中应与相应的稀释剂配套，稀释剂的用量，应以固化后确保防腐层的厚度和无针孔为宜。表1为环氧煤沥青防腐层等级与结构。
该防腐层也存在以下缺点：
(1)质脆，抗冲击性能差。
(2)热喷涂操作，价格较高。
(3)用作补口材料时，现场施工质量无法保证与管体相同，且易发生未熔、未固化及搭接部位粘结失效等现象，漏点较多。
(4)施工质量要求高。
（四）聚乙烯防腐层
聚乙烯防腐层绝缘电阻高、机械性能好，能承受长距离运输、敷设过程以及岩石区堆放时的物理损伤，耐冲击性强。但是它对现场补口质量要求高，失去粘结性能的聚乙烯壳层对阴极保护电流会起到屏蔽作用。聚乙烯防腐层的制作工艺为挤出包覆或挤出缠绕，挤出聚乙烯防腐管的最高使用温度为70℃。
二层结构聚乙烯防腐层的内层为胶粘剂，外层为聚乙烯。防腐层的厚度与管径大小有关。聚乙烯有高密度、中密度、低密度之分，由于密度不同，其性能也不相同。胶粘剂的作用是：钢管进行表面处理后，先涂敷一层底胶，将钢管和聚乙烯牢固地结合在一起。三层结构聚乙烯防腐层是指底层为熔结环氧粉末(FBE)、中间层为胶粘剂、外层为聚乙烯(ＰＥ)的防腐层。三层结构聚乙烯防腐层将环氧粉末优良的防腐性能同聚乙烯优良的机械保护性能结合起来，大大提高了防腐层的防腐性能和使用寿命。
六、结语
近年我国油气管道防腐技术的应用愈来愈广泛，技术水平愈来愈高。及时总结管道防腐术的应用状况，对于与时俱进地掌握国内外先进技术，对于指导我们理论联系实际有着重要的愈义：虽然我国管道防腐还存在着不少的问题和困难，相信通过有关方面的共同努力的新材料、新工艺、新技术的不断被应用，我国的管道防腐技术会日臻完善，我国的管道建设也必将取得更大的成就。新型管道防腐涂层和非金属材料会有极大的发展和应用前景，阴极保护在输油管网防腐中的地位将更加突出。
参考文献：
[1]李安军，张智亮，输油管道防腐技术。化工装备技术，2008.29 （1）：73 ~ 75；
[2]赵金榜。天然气地下管道用涂层品种、性能及选用设想。中国涂料，2000，（1）：44~46；
[3]李远利，雍歧卫，刘志等。管道防腐涂层新发展。涂料工业，2007，37（2）：55 ~ 57；
论文作者:吴俊航
论文发表刊物:《防护工程》2017年第11期
论文发表时间:2017/9/19
标签：管道论文; 阴极论文; 沥青论文; 涂层论文; 聚乙烯论文; 阳极论文; 性能论文; 《防护工程》2017年第11期论文;