石油和天然气管道腐蚀和涂层背后的科学

在石油工业中，管道通常被认为是最经济和高效的运输工具碳氢化合物．预计管道将在温带到热带气候和不同地形下运行，从温和的环境到诸如北极和深海的边境环境。此外，管道允许碳氢化合物通过发达地区安全运输，对人类正常活动的阻碍最小。

在构建和运营管道时，成本和物流是重要的考虑因素。这是最重要的是，任何管道的安装和运营成本都是通过运输的流体实现的价值有利可图的。因此，由于管道工程差和运营较差，安全和环境保护是作为赔偿，惩罚和使用损失可能多倍于产品的经济价值。因此，保持管道完整性是重要的，这通常通过降低腐蚀速率来实现。

天然气中常见的杂质

考虑到天然气管道，天然气中的杂质在加速腐蚀方面发挥着关键作用，从而降低了使用寿命在增加维护成本的同时，管道。此外，由于腐蚀引起的管道泄漏可能导致土壤污染，威胁人类和水生生命，并具有不良的环境影响。

免费下载：如何检测地下管线的腐蚀，以及必须配备的腐蚀检测设备

天然气中存在的常见杂质是硫化氢（h₂S)，氧气（o₂），二氧化碳（CO₂），水（h₂o）和某些情况下汞（Hg）。（发现其他腐蚀导致杂质6种腐蚀性组分，可在原油中找到。）H的组合₂S和CO.₂普遍称为酸性气体。氧气也可以通过泄漏存在于气流中压缩机和表面设备。

天然气加工

图1描述了一个典型的天然气处理链，它容易受到气体杂质的腐蚀。开采出来的天然气通常含有一定量的游离水和冷凝物，它们由表面分离器除去。但是，在某些情况下，天然气产生干燥，这意味着它不含足够的冷凝物和游离水，但仍然含有不同量的H.₂S和CO.₂．

图1.典型天然气加工链的流程图。

如天然气处理链所示(图1)，酸性气体去除装置用于捕获CO₂和H₂在气流中，这可以通过吸收那吸附，膜或低温技术。在使用含水化学溶剂（吸收）的情况下，脱水单位位于酸性气体去除单元的下游。这是因为酸性气体去除使用含水胺溶液将使处理过的气体饱和（甜美的气体） 与水。因此，下游脱水单位消除了H.₂o到所需的规格。

考虑到在气流中患有汞的未来可能性，汞去除单元安装在脱水单元的下游。H.₂S，CO.₂， H₂无氧和无汞气体流被送至气体稳定装置，以去除天然气液体(戊烷+，C5 +)。含甲烷(C1)至丁烷(C4)的气体流被输送到气体分离装置，在分离装置中使用脱甲烷塔、脱乙烷塔、脱丙烷塔和脱丁烷塔分离塔来回收各个气体组分。

如何在天然气管道中形成腐蚀

不同浓度的CO₂， H₂S，H.₂o和Hg将导致来自天然气生产井的许多气体管道的腐蚀问题到气体分离单元。除了腐蚀问题外，人类和环境问题可能会受到这些杂质的威胁。因此，必须采取措施将这些杂质除以行业限额。h的可接受限制₂对于所有应用，S的最大值为4ppm，而对于H₂o最大值为7磅/ mmscf。CO的可接受限额₂管道天然气销售的最大值为2%，而天然气液化的最大值为50ppm(0.005%)。

管道煤气中水、酸性气体和氧气的存在是腐蚀的常见原因。(想了解更多，请阅读天然气脱水过程植物中的重要腐蚀来源.）

水（H.₂O)

如果没有除去气流中的空气流，它将导致沿着管道的水合物形成，将气体输送到下游加工厂。腐蚀腐蚀由于气体水合物的形成，可以发生（特别是在高气体速度），这是当自由水捕获碳氢化合物的分子空腔时形成的晶体化合物（即固体）。通常在沿气体管道发生压降时检测水合物形成。为了避免或减少天然气水合物形成，化学品抑制剂（甲醇，乙二醇等）以所需剂量注入气体管线。

酸性气体（CO₂和H₂S)

的形成碳酸(H₂CO._3.）由于游离水和CO的存在₂是燃气管道中的另一个激进腐蚀来源。删除有限公司₂或自由水会干扰反应途径;因此，表面分离器应该有效地操作以避免使用气流携带自由水。另一方面，在管道运输气体的运输过程中，还可以在低气体速度和停滞区域中形成自由水，因此是H的可能性₂CO._3.形成。由于h引起的腐蚀₂CO._3.对于生产CO含量非常高的天然气的公司来说，这是非常令人担忧的问题₂浓度，特别是在生产非传统天然气的生产中或在有限公司的情况下₂注入的增强的气体回收．这是因为CO₂不容易从流动的气流中除去，直到进入酸性气体去除单元，并且在某些情况下，气体管道可以是几公里。

硫化氢（h₂S)也与CO共存₂在许多气流中，其存在导致管道内表面的严重腐蚀。金属的铁（铁离子）含量受到攻击₂S（硫化物离子）根据方程式形成硫化铁膜。（1）。虽然铁硫化物用作H之间的桥梁₂在气流和金属表面中，高气体速度可以扫除该硫化铁，因此发生额外的腐蚀。类似的场景₂， H₂o和金属反应，形成铁（II）碳酸铁（FECO）_3.），如eq所示。（2）。

eq。1：FE.^２＋+ S.^2－→FES._（s）

eq。2：FE.^２＋+ CO._3.^2－→摘要_3（s）

除腐蚀外，H₂S是天然气泄漏不会容忍的主要原因。有一个案例₂S清除剂(如三嗪)注入天然气管道转化H₂s到较少的腐蚀性二噻嗪（不溶性固体）。

氧气（O.₂）

O.₂在天然气流中的含量可以来自初始O₂来自天然气生产的内容井和o₂进入泄漏过程设备（压缩机，阀门，法兰， 等等。）。作为一个强大的氧化剂，o₂与铁快速反应生成铁(III)氧化物，如式(3)所示₂和co.₂由于o的解散而加速₂在H.₂O导致氢氧化铁(II)、氢氧化铁(III)和碳酸铁(II)的形成(方程式。(4)(6))。这些铁膜在高气速下有被冲刷掉的趋势，从而促进进一步的腐蚀。

eq。3：2FE._（s）+ 1.5O_2（g）→Fe.₂O._3（s）

Eq。4:2菲_（s）+ O._2（g）+ 2H.₂O._（l）→2Fe（哦）_2（s）

eq。5：2FE（哦）_2（s）+ 0.5o_2（g）+ H.₂O._（l）→2Fe（哦）_3（s）

eq。6：Fe + Co₂+ 0.5o₂→摘要_3（s）

其他可以加速CO的因素₂， H₂S和O.₂相关腐蚀是有限公司₂， H₂S和O.₂部分压力，气流温度等。

通过使用气体覆盖在注射甲醇（水合物对照）和H时，可以减轻氧相关腐蚀₂将清除剂进入天然气管道，避免对设备的机械损坏（井下到表面设备）。

管道涂层作为腐蚀屏障

最小化腐蚀的另一种方法是在金属表面和腐蚀性介质之间产生屏障。

腐蚀性介质可以是气流（内部管道腐蚀）或周围环境（外管道腐蚀）。涂层气体管道也非常重要，因为h₂S和CO.₂在进入酸性气体去除单元之前，在气流中难以去除。因此，将来自生产部位输送到酸性气体去除单元的管道易受腐蚀。这是涂层气体管道变成抗腐蚀缓解和控制的地方。当管道内表面的腐蚀严重时，外部涂层保护管道免受可能导致井喷，水生和人类健康问题和环境问题的泄漏。

有各种类型的管道涂层，它们的选择取决于天气条件，土壤条件，气体组成，气体温度和压力，以及管道位置（地上，地下或海面床）。

煤炭搪瓷

煤炭搪瓷通常用于涂覆气体管道的外表面。

优点：

• 主要应用于海上床（海底管道）的埋藏（地下）管道和管道。
• 低安装和维护成本。
• 可以承受高工作温度。
• 对土壤中的碳氢化合物，水，细菌和化学品高抗性。

demerits：

• 致癌蒸气的排放是潜在的健康和环境危害，以及对水生生活的威胁。增强材料在煤焦油顶部施加，以避免相关的排放。
• 由于可能污染气流（差），不用于管道内表面涂层（差耐化学性）。
• 不再是一个流行的涂层选择。

熔合环氧树脂(FBE)

另一个选择是融合键合环氧树脂（FBE）．

优点：

• 对水分，氧气，氯化物等的抗性非常好。（即耐化学性）。
• 由于低电平，也用作绝缘材料电导率．
• 在金属表面上具有优异的附着力。
• 适用于天然气管道的内表面和外表面。

demerits：

• 由于管道和涂层的必要加热，安装成本更高。
• 材料很昂贵。
• 脆弱的。

聚烯烃涂料

两种主要类型的聚烯烃涂层是单一聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）涂料。

优点：

• PP具有比PE更高的机械强度。
• PP对有机溶剂具有高抗性。
• PP可用于内涂层。
• 低的价格。

demerits：

• 在不锈钢管上较低的粘附性。
• 具有低热电阻。
• PE对o具有低抗性₂和co.₂．
• PE对强氧化剂的耐低抗性₂．

聚氨酯(PUR)

聚氨酯是一种极其多功能的涂层。

优点：

• 耐化学性是优异的。
• 高附着力。
• 可以承受高效温度和压力。
• 快速地固化时间即使环境温度较低。
• 可用于内部和外部管道涂层。

demerits：

• 物质成本高。
• 对水分敏感。
• 可以在分解时产生有毒产品。

多层涂料

多层涂层适用于多个涂层，为管道提供更多保护。这可以是双层FBE，三层聚乙烯（3LPE）带和三层聚丙烯（3LPP）的形式。在3LPP和3LPE中，初始涂层是FBE，然后是一层粘合剂，然后施加聚丙烯或聚乙烯外层。PE和PP的较低粘附性是使用3LPE和3LPP背后的原因。

优点：

• 低材料和安装成本。
• 出色的机械抗性（3LPE和3LPP）。
• 非常低渗透水。
• 高粘合性能。
• 3LPE和3LPP在管道铺设过程中具有较高的弯曲特性。
• 双层FBE可通达110ºC（230ºF）。
• 双层FBE具有艰难的物理性质，在管道运输过程中是有益的。
• 3LPE可以承受40ºC至85ºC（104ºF至185ºF）之间的温度。
• 3LPP可以在-40的低温下运行^ºc）高达140ºC（-40ºF，高达284ºF）。
• 良好的性质组合。

demerits：

• 3LPP和3LPE为氧化剂如氧气，胺和硫的氧化剂提供有限的抗性。
• 如果厚度高，双层FBE具有差的灵活性。

结论

技术在不断发展，在管道工程中可以看到这种趋势。在日益困难的地形下开发油气基础设施的需求意味着，管道的设计、施工和操作必须采用最先进的设备和方法。模拟在管道设计中的应用和管道系统远程监控的使用(见石油和天然气工业中的远程腐蚀监测系统有关更多信息）在操作期间是管道工程中的高科技部署示例。此外，对油气勘探和生产的更深水域的转变意味着应修改传统的管道工程方法以安全地安装和构建这些恶劣环境中的管道。

在燃气管道操作期间，操作员应保持最佳的气体速度，以避免滞留区域和铁膜的剥落。这是天然气管道监测变得非常重要的地方。

使用表面分离器充分去除自由水，注入水合物抑制剂和H.₂SCAVENGERS都一起工作，以尽量减少腐蚀化学。

内部和外部管道涂层还发挥关键作用，以防止管道与腐蚀介质接触。结果延长了管道的使用寿命。

提出所有这些腐蚀缓解策略，以减少与管道腐蚀相关的停机时间，费用和环境和健康问题。