油气储运长输天然气管道防腐工艺探析

油气储运长输天然气管道防腐工艺探析

蒋梦旎

中国石油天然气股份有限公司西南油气田物资分公司  四川成都  610017

摘要：随着天然气作为清洁能源需求的不断增加，长输天然气管道的安全性和可靠性成为能源储运中的重要议题。然而，管道在运行过程中常受腐蚀影响，导致使用寿命缩短并增加安全风险。为解决这一问题，提出了一种新型防腐工艺，将高分子复合材料防腐涂层与环保型生物质碳阴极保护结合，优化管道防腐性能。通过实验验证，新工艺明显提高了防腐层的完整性与耐化学腐蚀性，延长了管道的使用寿命，同时具备良好的环保特性和经济性。

关键词：长输天然气管道；防腐工艺；阴极保护；防腐涂层

引言：天然气逐渐成为全球能源结构调整的重要组成部分。长输天然气管道是天然气输送的关键设施，然而，管道在地下敷设过程中面临土壤腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀等多种挑战，严重影响管道的安全性和使用寿命。为了保证管道长期稳定运行，防腐工艺的优化显得尤为重要。近年来，随着新材料与新技术的不断发展，结合防腐涂层与阴极保护的多重防腐工艺得到了普遍应用。针对当前管道防腐的需求，新型防腐材料与技术的应用为进一步提高管道的防腐效果提供了可能性。

1 长输天然气管道防腐工艺原理

1.1 腐蚀机理与防护需求

腐蚀的主要机制可分为电化学腐蚀、微生物腐蚀以及环境腐蚀。电化学腐蚀是由于管道金属与土壤中的电解质溶液形成原电池，导致金属离子逐渐流失，管壁被腐蚀。这一过程受土壤电阻率、含水量、氧气含量等因素的影响。土壤电阻率低时，导电性能增强，加速腐蚀反应。同时，土壤中的水分和氧气含量越高，氧还原反应越活跃，管道腐蚀速度也会增加。微生物腐蚀则是由于厌氧菌等微生物在管道表面繁殖，通过分泌代谢产物，形成酸性物质，进一步加速金属的腐蚀和破坏。土壤酸碱度、温度、通风情况等也会影响微生物的活性，进而加剧腐蚀风险[1]。

理想的防腐工艺应具备良好的化学惰性、机械强度和持久的耐久性，能在恶劣的地下环境中长期保护管道表面。（1）需要在管道表面涂覆高效防腐涂层，以隔绝外部环境对金属的直接侵蚀，降低管道的电化学反应速率。（2）阴极保护通过外部电流改变金属表面的电化学环境，使管道金属转化为阴极，抑制腐蚀。阴极保护效果依赖电流的均匀分布与持续性，在复杂地质条件下保持有效分布是关键挑战。（3）防腐材料需与管道材料兼容，并在应力条件下保持涂层完整性和稳定性，以实现长效防护。

1.2 防腐工艺的基础技术

长输天然气管道的防腐工艺依赖防腐涂层和阴极保护技术的协同应用。防腐涂层作为物理屏障，有效阻止水分、氧气和腐蚀介质接触管道表面，减少电化学腐蚀的可能性。涂层材料的选择至关重要，应具备耐化学性、抗湿性、耐老化性和机械强度。根据不同地区的土壤条件和腐蚀环境，常用涂层材料包括熔结环氧粉末、聚乙烯、聚丙烯等高分子材料，它们能在恶劣环境中保持长期稳定。

阴极保护技术通过施加直流电改变管道表面的电化学状态，将其转化为阴极以防止腐蚀。常用方法有牺牲阳极法和强制电流法，前者利用较低电位的阳极材料（如锌、镁）逐渐腐蚀，后者则通过外部电源提供稳定电流，适合大面积管道的保护。强制电流法需精确控制电流强度与分布，确保电流均匀覆盖管道表面，避免局部过保护或欠保护，从而提升系统的可靠性。

2 新型防腐工艺设计与应用

2.1 高分子复合材料防腐涂层的设计

高分子复合材料防腐涂层在设计上需要综合考虑材料性能、施工工艺以及实际应用环境，以确保其在长输天然气管道中的有效防护作用。该涂层不仅提供物理屏障，阻隔水、氧气、盐类等腐蚀性介质，防止电化学腐蚀的发生，同时具备优异的电绝缘性能，进一步减缓腐蚀过程。

在材料选择方面，常用的高分子材料包括环氧树脂、聚乙烯和聚丙烯。这些材料具备卓越的耐化学腐蚀性、抗湿性和机械强度，能够在极端温度和应力环境下保持稳定的防护性能。此外，针对高温应用场景，高分子材料表现出良好的热稳定性，确保在温度波动较大的条件下，涂层依然能够有效防护。为了增强涂层的抗裂性和耐磨性，纳米填料或增强纤维通常与基体材料复合使用，以提高涂层在长期使用中的可靠性和耐久性。

在施工工艺方面。高分子复合材料的施工方法包括喷涂、热熔和浸涂，这些工艺对施工现场的温度、湿度和表面处理要求非常严格。在涂敷过程中，管道表面通常采用喷砂或打磨预处理，增加表面的粗糙度，以确保涂层与金属表面紧密结合，提升附着力。涂层的厚度根据工作环境和防护需求进行精确控制，建议在500-1000微米之间，以确保防腐效果和耐久性[2]。

高分子复合材料还具备优异的抗老化性能和耐候性，能够有效抵抗紫外线、臭氧和微生物的侵蚀，延长管道使用寿命。此外，部分高分子材料具备自修复能力，在轻微损伤后能够通过分子链重排修复涂层，提高了长期防腐性能的稳定性。

2.2 环保型生物质碳阴极材料的创新应用

环保型生物质碳材料作为阴极保护的创新应用，代表了防腐技术的绿色转型。生物质碳是由生物质材料（如农作物废料、木材残渣等）在高温缺氧条件下裂解生成，具备高比表面积、优异的导电性和化学惰性。这些特性使其能够作为阴极材料，在长输天然气管道防腐中起到关键作用。与传统牺牲阳极材料（如镁、锌等金属）相比，生物质碳不仅可再生、可持续，而且在防腐性能上有着很好的优势

[3]。

生物质碳阴极材料的多孔结构是其在阴极保护应用中的一大创新。多孔结构赋予了材料较大的比表面积，能更好的提高电流的分布均匀性，确保整个管道表面受电保护均匀，降低局部腐蚀风险。此外，这种多孔性还允许电解质与阴极材料的充分接触，提高了材料的导电效率。

另一个创新之处是生物质碳材料的表面化学活性。生物质碳含有丰富的氧化基团，如羧基、羟基等，这些官能团有助于增强材料的导电性和与金属表面的结合能力，进而提升阴极保护的性能。这一表面活性为其提供了自愈功能，当受到微小损伤时，材料能够通过这些官能团重新建立电化学稳定性，延缓管道的腐蚀进程。这种自愈能力在传统金属阳极材料中难以实现，体现了生物质碳材料的独特优势。

此外，与传统金属阳极相比，生物质碳的生产和使用过程中不会产生有毒有害物质，对环境的影响极小。而且由于来源范围较广、成本低廉，它能够有效替代传统昂贵且资源有限的金属阳极材料，减少对稀缺金属资源的依赖。生物质碳材料的使用寿命较长，维护频率大幅减少，这在长输管道的日常运行和维护中极具经济效益。

3 防腐工艺的实验验证

3.1 实验设计与材料选择

实验的设计目的是验证新型防腐工艺在长输天然气管道中的实际应用效果，主要针对高分子复合材料防腐涂层与环保型生物质碳阴极材料的防护性能。为了模拟真实运行环境下管道面临的腐蚀情况，实验设置了多种工况，包括不同的土壤电阻率、湿度和腐蚀介质。实验采用电化学测试和加速腐蚀测试两种方式相结合，保证数据的多维度覆盖。

实验分为三组进行对比：一组使用传统的防腐涂层和阴极保护作为对照，另一组采用高分子复合材料涂层，第三组采用高分子复合材料与生物质碳阴极材料相结合。在电化学工作站中，实时监测各组管道的腐蚀电流密度和电位变化情况，评估不同涂层和阴极材料的防护效果。同时，采用耐腐蚀试验机对管道表面进行加速腐蚀测试，记录各组样本在不同腐蚀环境下的涂层损伤情况和腐蚀速率。实验周期为6个月，数据采集频率为每周一次，最终通过对比分析各组的防腐性能，得出不同防腐工艺的效果差异。

材料选择：实验中选择的核心材料包括高分子复合材料涂层和环保型生物质碳阴极材料。高分子复合材料以其优异的化学惰性和耐候性作为主要防腐涂层。选用的高分子材料为改性环氧树脂，该材料具备高机械强度和抗老化性能，能够在恶劣环境中保持长期稳定，且具有较强的抗化学腐蚀能力。为确保涂层的附着力，管道表面在涂层施加前经过精细喷砂处理，形成适当的粗糙度，以增强涂层与金属的结合[4]。

作为阴极材料的环保型生物质碳来源于生物质裂解，具备高比表面积和优良的导电性。这种材料不仅能够均匀分布阴极保护电流，还能通过其表面含氧官能团与金属形成强有力的电化学屏障，防止腐蚀反应的发生。相比于传统的金属阳极，生物质碳具有更长的使用寿命和更强的耐腐蚀能力，并且在应用中不产生有害物质，符合环保要求。

3.2 实验结果与数据分析

实验结果显示，高分子复合材料涂层与环保型生物质碳阴极材料的组合在长输天然气管道的防腐性能方面表现优异。在电化学腐蚀测试中，实验组表现出更低的腐蚀电流密度和更加稳定的电位变化，与对照组相比，腐蚀速率明显降低。高分子复合材料涂层提供了有效的物理屏障，防止腐蚀介质与金属管道表面的直接接触，同时生物质碳阴极材料通过均匀分布的阴极电流进一步抑制了电化学腐蚀反应。相比之下，传统防腐材料的电流密度较高，涂层的耐久性和电化学稳定性也较差，表现出明显的局部腐蚀现象。

加速腐蚀测试进一步验证了不同防腐方案在长时间腐蚀环境下的表现。涂层厚度均匀性和附着力被测量并记录，各组样本的腐蚀损伤程度通过表面形貌分析进行量化。实验数据表明，采用高分子复合材料与生物质碳阴极材料的组合在测试周期内保持了良好的涂层完整性和电化学保护性能。传统防腐技术组的涂层在实验后期逐渐出现裂纹和剥落，导致局部腐蚀的加剧，而新型防腐工艺组的涂层保持稳定，没有出现明显损伤[5]。

如表1所示，高分子复合材料与生物质碳组合的实验组在电流密度、腐蚀速率、涂层完整性及电位稳定性等关键指标上表现最佳。腐蚀电流密度明显低于其他组，达到了4.8μA/cm²，而腐蚀速率仅为0.08mm/年，表明腐蚀反应被有效抑制。涂层完整性保持在96.2%，远高于对照组的78.4%，这意味着在长时间腐蚀环境下，涂层的防护作用保持稳定。电位稳定性方面，生物质碳阴极材料的导电性显著提升了阴极保护效果，使管道表面电位更加均匀，减少了局部腐蚀的风险。数据分析显示，采用新型防腐工艺的实验组不仅在防腐性能方面大幅提升，而且在涂层耐久性和阴极保护效果上具有很好的优势。高分子复合材料提供了长期稳定的物理屏障，生物质碳材料则通过优化阴极电流分布，进一步提高了整体的防护效果。

表1不同防腐工艺实验组的防腐性能对比

结论

通过对长输天然气管道防腐工艺的研究与实验验证，新型高分子复合材料防腐涂层与环保型生物质碳阴极材料的组合展现出卓越的防护性能。实验结果表明，该组合明显降低了腐蚀电流密度和腐蚀速率，保持了涂层的完整性和稳定的电位，延长了管道的使用寿命。相比传统防腐技术，新型工艺在环保性、经济性和长期耐久性上具有明显优势，能够为天然气长输管道的安全运行提供更为有效的防护解决方案。

参考文献

[1]赵延平.长输天然气管道腐蚀与防腐措施探讨[J].石化技术,2023,30(07):104-106.

[2]安志强.基于天然气长输管道的防腐与防护策略分析[J].石化技术,2023,30(12):91-93.

[3]王坤鹏.天然气长输管道的防腐与防护措施[J].全面腐蚀控制,2023,37(03):150-152.

[4]郑康.天然气长输管道防腐补口采用热收缩带和双组分无溶剂液体环氧涂料工艺研究[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(02):214-215.

[5]韩超,王路远.油气储运中长输天然气管道防腐工艺研究[J].化学工程与装备,2024,(07):37-40.