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海底管線腐蝕與防護的研究進展

文檔作者：姜信德，李言濤，杜芳林文檔來源： 1．青島科技大學(xué)材料學(xué)院 2．中國科學(xué)院海洋研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年01月23日
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州偶 3卷
海底管線腐蝕與防護的研究進展
姜信德 ，李言濤 ，杜芳林
(1．青島科技大學(xué)材料學(xué)院，山東青島266042；2．中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071)
[摘要] 海底管線作為海上油氣運輸?shù)拇髣用}，對其進行腐蝕防護十分必要。介紹了海底管線的腐蝕分類、腐
蝕機理和主要防腐蝕措施，并對其腐蝕防護進行了展望。
[關(guān)鍵詞] 海底管線；腐蝕；防護
[中圖分類號]TG174 【文獻標(biāo)識碼] A 【文章編號]1001—156o(2olo)o4—0065—03
0 前言
作為海上油氣運輸?shù)拇髣用}，海底管線發(fā)揮著越
來越重要的作用。腐蝕嚴重影響海底管線的使用壽
命，使其損壞率逐年增大，泄漏和斷裂破壞事故逐漸增
多¨ ]。海底管線一般采用鋼質(zhì)管道，耐腐蝕性較差，
修復(fù)難度極大且費用較大。因此，有效防護海底管線
的腐蝕、延長海底管線的使用壽命就顯得非常重
要 ～ 。
目前，對海底管線腐蝕破壞機理的研究考慮的腐
蝕形式比較單一，采用簡單的局部管壁減薄腐蝕模型，
用腐蝕長度、深度和寬度的最大值來模擬，而實際管線
的腐蝕形狀具有一定的隨機性，海底管線不但受內(nèi)外
壓力、溫度等工作荷載的作用，還受到波浪、海流和地
震等環(huán)境荷載的作用，因此對海底管線服役的復(fù)雜條
件往往需要考慮周全，很多問題還有待解決。
1 腐蝕因素
海底管線腐蝕是指管線金屬材料表面與環(huán)境介質(zhì)
發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用，引起表面損傷或晶體破壞等
的現(xiàn)象和過程 ，是海底管線破壞的主要因素之一[ 。
海底管線腐蝕后，管壁整體或局部變薄，強度降低或發(fā)
生應(yīng)力集中，嚴重時造成管壁穿孔或破壞，導(dǎo)致海底管
[收稿日期]
[基金項目]
[通信作者]
2009——10’’21
中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目
(KZCX2-YW·210)；國家科技支撐計劃項目
(2007BAB27B01)
李言濤(1968一)，男，博士，副研究員，主要從
事材料腐蝕與防護研究， 電話：0532—
82898742．E．mail：ytli98@ 163．conl
線不能正常輸送，甚至導(dǎo)致海洋環(huán)境污染。海底管線
所處環(huán)境惡劣，其腐蝕破壞具有很大的隨機性和偶然
性。
目前對海底管線腐蝕的研究主要考慮單個腐蝕位
置的損傷，或者將多個腐蝕位置的損傷保守考慮成單
個位置的損傷，進而研究腐蝕深度、軸向和環(huán)向長度等
參數(shù)對管線破壞機理的影響。實際情況下腐蝕損傷可
能由2個或者多個腐蝕損傷形成腐蝕群，不同腐蝕損
傷之間是相互作用和相互影響的 ’ 。腐蝕損傷相互
作用的最初研究是從軸向槽形腐蝕開始的。
Chouchaoui B A等lll' 研究了內(nèi)壓荷載作用下不同長
度槽形腐蝕間的相互作用，指出腐蝕缺陷的相互作用
與腐蝕坑的長度、寬度、深度和距離有關(guān)，并提出了2
個準則來評估軸向腐蝕損傷。當(dāng)腐蝕坑之間的軸向距
離大于腐蝕坑長度的最小值，或環(huán)向距離大于腐蝕坑
寬度的最小值，則不發(fā)生相互作用。腐蝕損傷的相互
作用是個復(fù)雜的過程，多個與單個腐蝕損傷的破壞機
理有所不同，目前還沒有得出統(tǒng)一的結(jié)論，部分規(guī)范雖
然已經(jīng)給出相應(yīng)的評價準則，但適用范圍具有一定的
局限性，而且評估結(jié)果過于保守 。
海底管線的腐蝕形式與其所處的海洋環(huán)境和采取
的防腐蝕措施密切相關(guān)，按腐蝕位置不同可以分為管
內(nèi)腐蝕與管外腐蝕。管內(nèi)腐蝕一般發(fā)生在油水混輸、
油水交替輸送管道，尤其是含硫油氣管道中。管外腐
蝕包括海水腐蝕、大氣腐蝕(主要發(fā)生在海洋的浪花飛
濺區(qū))和海底土壤腐蝕，是引起海底管線腐蝕破壞的主
要原因。海底管線管外腐蝕形式與管線所處的海域海
水深度和海底地形有關(guān)，海水含氧量是影響海水腐蝕
的主要因素，海水流速也會影響管線的腐蝕速度。由
于海水受到波浪和海流的作用，空氣中的氧離子更容
易溶解到海水中并擴散到金屬表面，從而使海底管線
的腐蝕速度加快?。
海洋中存在著種類繁多的微生物，附著于工程材
料表面形成生物膜(Biofilm)，生物膜內(nèi)部pH值、溶解
氧、有機物和無機物種類等都與海洋本體環(huán)境完全不
同，膜內(nèi)微生物的活性控制著電化學(xué)反應(yīng)的速率和類
型，這種受微生物影響的金屬和合金的腐蝕稱為微生
物腐蝕(Mierobiologically Influenced Corrosion，簡稱
MIC)¨ 。在各種因素造成的海洋金屬材料腐蝕損失
中，生物腐蝕占20％左右。因此，必須對生物腐蝕予以
足夠的重視¨ 。
2 腐蝕防護措施
由于海底管線所處環(huán)境惡劣，很容易受到腐蝕損
傷，因而對其進行腐蝕防護非常必要。此外，由于海洋
潮汐流動所造成的不穩(wěn)定性，對管道的自體強度要求
較高。
目前海底管線按其用途不同可分為跨海供水管
線、采油的輸油管線和深海排污管線。其中，輸油管線
的防腐蝕等級最高，目前普遍采用3PE防護：噴砂除銹
后噴涂環(huán)氧粉末，然后涂共聚物膠，再纏上PE帶，其中
的共聚物膠會與環(huán)氧涂層和PE帶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使3
層材料相融為一體，每節(jié)管道留出焊口，管道焊接連接
后采用熱收縮套封裝焊口，完成管道的整體防腐蝕，檢
測電壓為15 V。
海洋供水管線現(xiàn)也多采用3PE防腐蝕，內(nèi)涂環(huán)氧
類瓷漆或采用水泥沙漿防腐蝕。污水排海管道防腐蝕
等級低，目前仍沿用常規(guī)防腐蝕方法——環(huán)氧煤瀝青
防腐蝕，存在的問題最多，但大多是近海排放，更換費
用不高。近年來，為保護近海環(huán)境，國家規(guī)定污水一定
要深海排放，使排海管道的大幅延長，腐蝕更換的費用
大幅增加。因此，提高污水排海管道的防腐蝕等級十
分重要 ]。
海底管線內(nèi)腐蝕的防護措施有：增加管壁厚作為
腐蝕裕度來減少腐蝕泄漏；對輸送介質(zhì)脫水、脫氧、脫
硫等來抑制輸送介質(zhì)對管線的腐蝕；在輸送介質(zhì)中添
加緩蝕劑來阻止和減緩管線內(nèi)的腐蝕速度。另外，在
管道內(nèi)壁噴涂液體涂料、固體涂料和砂漿涂層以及采
用耐腐蝕金屬合金內(nèi)襯也是常見的管內(nèi)防腐蝕措施。
海底管線外腐蝕的防護措施主要有外涂層和防腐蝕包
覆層的一次保護和電化學(xué)保護的二次保護。海底管線
外涂層應(yīng)根據(jù)管線所處的不同海洋環(huán)境采用不同的涂
層。電化學(xué)陰極保護是通過電流的保護使海底管線處
于陰極低電位，在陰極極化作用下受到保護。對海底
管線防腐蝕措施的調(diào)查表明，犧牲陽極的陰極保護對
防止管外腐蝕效果非常明顯。因此，海底管線一般采
用犧牲陽極保護作為二次保護。海底管線雖然采取了
各種防腐蝕措施，但經(jīng)過長時間運行后，防腐蝕措施不
可避免會發(fā)生失效，從而導(dǎo)致管線發(fā)生腐蝕損傷，引起
管線破壞。
目前，海底管線陰極保護最常用的標(biāo)準是DNV RP
B401(1993)——Cathodic Protection Design(陰極保護
設(shè)計)，雖已被DNV RP F103(2003)——Ca山odic Pro．
tection of Submarine Pipelines by Galvanic Anodes(海底
管線犧牲陽極保護)代替，但由于該標(biāo)準被習(xí)慣使用且
偏于保守，仍在部分新建海底管道陰極保護設(shè)計中使
用。針對DNV RP F103(2003)以及ISO 15589-2．Ca．
thodic Protection of Pipeline Transportation Systems—Part
2：Offshore Pipelines(輸送介質(zhì)管線陰極保護．第二部
分：海底管道)陰極保護設(shè)計中節(jié)點防腐蝕對于陰極保
護設(shè)計的影響及改進方案，在進行陽極間距計算中主
要以DNV RP F103(2003)進行校核。以1條10 km長
的海底管線為例來說明涂層破損率對陰極保護間距的
影響，陽極為手鐲陽極，陽極厚度與混凝土配重層相
同，陽極長度僅為0．5 m_z0 J。
測定或查閱已有結(jié)構(gòu)在所在區(qū)域海泥中的腐蝕形
態(tài)、腐蝕速率、保護方案、保護運行情況(包括覆蓋層狀
況和陰極保護狀況)，將有助于制定合理、經(jīng)濟的新方
案。調(diào)查包括：結(jié)構(gòu)的腐蝕情況；配重層材料及設(shè)計資
料；涂覆層的種類、配套體系、厚度、目前的表面電阻及
破損情況；采用的陰極保護的類型(犧牲陽極或外加電
流)、系統(tǒng)材料、設(shè)備、原始設(shè)計資料、運行檢測記錄及
水下探摸情況。
3 展望
(1)海底管線的腐蝕是一個隨時間變化的動態(tài)過
程，需要建立適于不同海洋環(huán)境的擴展模型，研究隨機
因素對海底管線的破壞機理和空間分布。
(2)海底管線的腐蝕程度和形式與管線所處的海
洋環(huán)境以及其采取的防腐蝕措施密切相關(guān)?？赏ㄟ^建
立管線腐蝕與海洋環(huán)境中的溫度、酸堿度和鹽堿度濃
度值的關(guān)系以及不同防腐蝕措施的數(shù)值模型，研究不
同海洋環(huán)境和防腐蝕措施下海底管線出現(xiàn)腐蝕的發(fā)生
模型。
(3)海底管線具有懸跨、埋地和平鋪等多種結(jié)構(gòu)形
式，會產(chǎn)生不同形式的腐蝕，需要針對不同結(jié)構(gòu)形式的
海底管線分別研究其腐蝕破壞機理。
偶秒 第43卷’第 4期 尊湖 黧
(4)需要加強在工作、環(huán)境等多種荷載綜合作用下
以及海流、波浪和地震等動力荷載作用下海底管線腐
蝕的破壞機理研究。
(5)需要考慮多種復(fù)雜腐蝕形狀海底管線的破壞
機理以及加強對腐蝕與疲勞藕合作用下海底管線破壞
機理的研究。
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