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石油、天然氣行業(yè)是設(shè)施和管道腐蝕問題比較突出的行業(yè)，行業(yè)本身決定了其危害性、復(fù)雜性和普遍性。石油天然氣屬于易燃易爆介質(zhì)，一旦由于腐蝕引起設(shè)施和管道的泄漏或開裂，將帶來極大的危害，造成人員傷亡、環(huán)境污染和財(cái)產(chǎn)損失，因此成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。無論是墨西哥灣漏油事故還是青島11.22管道事故，都是一直在警示整個(gè)油氣生產(chǎn)運(yùn)輸行業(yè)，必須不遺余力的確保設(shè)施和管道的服役安全。而腐蝕問題，恰恰是設(shè)施和管道服役安全的最重要威脅，與第三方破壞、誤操作、地質(zhì)災(zāi)害，并列為油氣設(shè)施和管道的主要風(fēng)險(xiǎn)源，同時(shí)，腐蝕問題也是其中唯一可以進(jìn)行防護(hù)和管控的。為了更全面地向人們科普石油、天然氣行業(yè)的設(shè)施和管道防腐方面的相關(guān)知識(shí)、最新技術(shù)，提醒人們采取有力的措施防患于未然。中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)記者特采訪到了北京科技大學(xué)張雷教授。
張雷，副教授，工學(xué)博士，現(xiàn)任北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院材料失效與控制研究所副所長，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)環(huán)境敏感斷裂專業(yè)委員會(huì)秘書長，美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）中國學(xué)生分會(huì)指導(dǎo)教師。主研方向?yàn)橛蜌馓锔邷馗邏篐2S-CO2腐蝕、氫脆及應(yīng)力腐蝕開裂、不銹鋼及耐蝕合金選材、管道及結(jié)構(gòu)失效分析、管道腐蝕完整性管理、管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估等。
記者：請您談?wù)勀壳皣鴥?nèi)石油天然氣設(shè)施腐蝕現(xiàn)狀？實(shí)施腐蝕控制的意義？
張教授：石油天然氣行業(yè)的腐蝕問題比其他行業(yè)更為復(fù)雜，一是油氣設(shè)施和管道內(nèi)部輸送的油氣介質(zhì)具有腐蝕性，二是油氣設(shè)施和管道所處的外部空間環(huán)境涉及地層、土壤、海水、大氣等，也均具有腐蝕性，三是油氣生產(chǎn)設(shè)施的運(yùn)行工況往往具有較高的溫度和壓力，同時(shí)需要承受不同的力學(xué)載荷，這進(jìn)一步增加了服役環(huán)境的苛刻性。同時(shí)，石油天然氣行業(yè)的腐蝕問題往往量大面廣，例如，一個(gè)油田區(qū)塊可能有上百口油井，每口井可能需要數(shù)千米的油管和套管管柱，管材用量極大，且鉆探和開采成本往往以億元計(jì)，一旦發(fā)生局部的腐蝕損傷，導(dǎo)致故障或大大縮短使用壽命，將帶來極大的損失和危害，直接影響油氣生產(chǎn)效益；再如，石油天然氣長距離輸送依賴管道運(yùn)輸，往往橫跨我國不同地域，我國陸上管道里程已經(jīng)超過12萬公里，還有大量海底管道和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，管材用量極大，覆蓋地域復(fù)雜，影響十分廣泛。因此，石油天然氣行業(yè)的腐蝕問題，具有與其他行業(yè)不同的特點(diǎn)和意義。
就石油天然氣行業(yè)的腐蝕現(xiàn)狀而言，可以根據(jù)油氣生產(chǎn)的上下游關(guān)系分為這么幾個(gè)方面。對(duì)油氣開采的上游而言，需要利用油氣井筒將油氣資源由地層開采到地面，并通過集輸管道進(jìn)行匯集計(jì)量，再進(jìn)行脫水凈化，使油氣達(dá)到商品級(jí)的原油或天然氣的狀態(tài)，以便向外輸送。由于在整個(gè)流程中，油氣介質(zhì)中含水率較高，因此，腐蝕主要由于油氣介質(zhì)中的CO2、H2S等引起的設(shè)施和管材內(nèi)腐蝕為主，并可能在油氣多相流體作用下，以不同形式表現(xiàn)出來，是我國各大油田普遍需要面臨的問題。同時(shí)，隨著我國高含硫油氣田的開發(fā)，由于H2S引起的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂問題，也是近十年我國油氣田面臨的主要難題。由于頁巖氣、稠油熱采等新工藝的應(yīng)用，腐蝕問題變得更加具有挑戰(zhàn)性。由于集輸管線一般采用埋地的方式，上游生產(chǎn)設(shè)施和管道的外腐蝕主要還是土壤腐蝕，但由于油田區(qū)塊地域跨度不大，往往遠(yuǎn)離城市和人口密度較大的區(qū)域，因此外部腐蝕和損傷的比重遠(yuǎn)低于內(nèi)部。但海洋油氣開發(fā)稍有不同，大量海底管道既具有同陸上集輸管道相同的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)遭受海水引起的外腐蝕威脅以及漁業(yè)作業(yè)等引起的第三方損傷。
對(duì)于油氣生產(chǎn)的中游，也就是長距離輸送和儲(chǔ)備，主要依賴管道將已經(jīng)處理過的油氣介質(zhì)運(yùn)輸至煉廠或城市門站，以及現(xiàn)在大量興建的儲(chǔ)氣庫和LNG液化天然氣設(shè)施。由于經(jīng)過了脫水脫硫等處理，油氣介質(zhì)本身的腐蝕性大大降低，內(nèi)腐蝕威脅的比重減小，主要腐蝕問題往往集中在管材的外腐蝕，也就是土壤腐蝕、雜散電流腐蝕等。由于地域跨度大、與交通電力設(shè)施存在大量并行穿越跨越等，且管道容易遭受第三方損傷，防腐涂層容易遭受破壞，陰極保護(hù)效果容易遭受各類電磁干擾等，外腐蝕威脅的復(fù)雜程度十分突出。
對(duì)于油氣生產(chǎn)的下游，一方面是石油煉廠，由于煉化設(shè)施的復(fù)雜性，服役溫度和壓力的增加，油氣介質(zhì)在煉制過程中引起的腐蝕威脅更為突出。腐蝕問題由于各類煉化裝置的不同情況而不同，對(duì)煉廠的監(jiān)測和檢修要求十分嚴(yán)格。另一方面是城市管網(wǎng)，主要腐蝕威脅來自于城市復(fù)雜地下空間的復(fù)雜性，一方面是基本的土壤腐蝕，另一方面還要考慮地鐵等引起的雜散電流的干擾，還要考慮地面建筑交通的力學(xué)載荷的影響，以及城市公共地下走廊中其他基礎(chǔ)設(shè)施的干擾和影響。
記者：您的主研方向是油氣設(shè)施和管道內(nèi)腐蝕，請您談?wù)勥@方面常遇到的腐蝕類型和特點(diǎn)？
張教授：油氣設(shè)施和管道的內(nèi)腐蝕是個(gè)綜合的概念，并非簡單的CO2腐蝕或者H2S腐蝕，實(shí)際涉及到油氣生產(chǎn)的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)和很多跨專業(yè)的知識(shí)。在十余年的研究過程中，我個(gè)人感覺，油氣設(shè)施和管道的內(nèi)腐蝕研究離不開現(xiàn)場實(shí)踐和理論的密切結(jié)合。
油氣管材的腐蝕問題由于其接觸介質(zhì)的多樣性，腐蝕形式復(fù)雜，往往給工程技術(shù)人員帶來諸多疑問，因此，有必要從多個(gè)層次認(rèn)識(shí)油氣管道和設(shè)施的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
可以根據(jù)管道環(huán)向上發(fā)生腐蝕的部位認(rèn)識(shí)腐蝕問題。例如，對(duì)于水平輸送管線，往往在管道底部由于連續(xù)的水相引起的腐蝕，對(duì)于未脫水的濕天然氣，則可能在管道頂部發(fā)生腐蝕。在這個(gè)層次判斷，實(shí)際上看到的是腐蝕發(fā)生的部位。
從人肉眼可直觀區(qū)分的腐蝕失效宏觀形態(tài)上來看，油氣管材的腐蝕包括均勻腐蝕和局部腐蝕，廣義上還包括以氫致開裂和應(yīng)力腐蝕開裂為代表的環(huán)境敏感斷裂。在石油天然氣管材應(yīng)用過程中，局部腐蝕種類很多，包括在碳鋼甚至不銹鋼表面形成的小孔狀點(diǎn)蝕、臺(tái)地腐蝕，也包括螺紋絲扣、法蘭面、沉積物下方等間隙結(jié)構(gòu)引起的縫隙腐蝕等。石油管材可能遭受的典型應(yīng)力腐蝕開裂往往由H2S和氯化物引起。在這個(gè)層次判斷，實(shí)際上看到的是腐蝕給管材帶來的直觀后果。
從腐蝕發(fā)生的局部環(huán)境可以更細(xì)致深入的層次了解油氣管材的腐蝕問題。絕大部分腐蝕問題發(fā)生的前提條件是有液態(tài)水，即構(gòu)成腐蝕原電池中的電解質(zhì)的存在，水相存在的狀態(tài)直接影響了腐蝕發(fā)生的機(jī)制和形態(tài)，由此帶來許多腐蝕類型的分支。一方面這些分支使得認(rèn)識(shí)腐蝕過程更為容易，另一方面也給工程技術(shù)人員帶來一定的困惑。以管道內(nèi)腐蝕為例，根據(jù)管道內(nèi)部水的存在形式不同，腐蝕類型以不同的形態(tài)體現(xiàn)。如果管道輸送介質(zhì)中含水率較高且為層流，或者由于含水的輸氣管道在管道底部形成積水，均使得管道底部金屬內(nèi)壁接觸連續(xù)的水相，為介質(zhì)中的CO2、H2S等腐蝕性物質(zhì)提供了腐蝕環(huán)境。如果管道輸送過程中，在管道底部存在結(jié)垢、砂沉積或細(xì)菌菌落的附著滋生，則此時(shí)水相往往處于垢下環(huán)境或類似縫隙環(huán)境，往往引起嚴(yán)重的垢下腐蝕或細(xì)菌腐蝕。另外，還有高流速下的沖刷腐蝕，油水界面的水線腐蝕等等不同形式。從這個(gè)層次判斷，實(shí)際體現(xiàn)了腐蝕發(fā)生的真實(shí)局部環(huán)境和環(huán)境促進(jìn)腐蝕的機(jī)制。
當(dāng)腐蝕過程具有適宜的環(huán)境時(shí)，腐蝕的發(fā)生就依賴所謂的“腐蝕劑”，這也是許多文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)中經(jīng)常論及的腐蝕概念，如CO2腐蝕、H2S腐蝕、溶解氧腐蝕、元素硫腐蝕、有機(jī)酸腐蝕、細(xì)菌腐蝕等，實(shí)際上體現(xiàn)的是誰直接導(dǎo)致了腐蝕。
油氣管材某一部位腐蝕的發(fā)生，多數(shù)情況下是有多個(gè)因素或者機(jī)制協(xié)同作用產(chǎn)生。因此，綜合考慮各層次的腐蝕問題和腐蝕因素，在腐蝕選材、腐蝕預(yù)測和腐蝕控制各環(huán)節(jié)綜合應(yīng)對(duì)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，是控制腐蝕的關(guān)鍵。
記者：在管道內(nèi)腐蝕控制的方面有哪些有效的方法和創(chuàng)新？請分享一下您印象深刻的案例？
張教授：在管道內(nèi)腐蝕控制方面，主要的方法可以分為選材、涂層、藥劑、工藝等不同方面。首先是選材和腐蝕裕量設(shè)計(jì)，也就是說，如果我們能夠判斷某條管道的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高，那么就應(yīng)該根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和方法，選擇不銹鋼或者耐蝕合金作為管材，本質(zhì)上提高管道的耐蝕性，達(dá)到腐蝕控制目的。有時(shí)候，為了成本考慮，也可以采用雙金屬復(fù)合管，以碳鋼作為本體，在內(nèi)表面通過機(jī)械或冶金方式復(fù)合一層不銹鋼或耐蝕合金層，達(dá)到腐蝕控制目的。其次是內(nèi)涂層，有油氣田使用內(nèi)涂層技術(shù)控制儲(chǔ)罐等靜態(tài)設(shè)備，再配合犧牲陽極陰極保護(hù)，可以取得良好效果。但內(nèi)涂層的應(yīng)用，特別對(duì)于管道而言，有一定的限制，必須確保涂層的完整性，避免由于涂層局部破損或剝落，引起更嚴(yán)重的局部腐蝕。藥劑，包括緩蝕劑和殺菌劑等，是碳鋼類管道內(nèi)腐蝕控制的最有效措施，通過連續(xù)加注或批處理加注，改善管道內(nèi)部流體的腐蝕性或在管道內(nèi)壁表面形成保護(hù)性膜層，達(dá)到腐蝕控制的目的。但緩蝕劑的應(yīng)用也依賴對(duì)于現(xiàn)場工況條件和介質(zhì)條件的良好把握和評(píng)估，否則即使添加緩蝕劑，也仍然有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)腐蝕問題。
除了這些已經(jīng)成熟的方法和技術(shù)，從油氣生產(chǎn)工藝方面進(jìn)行腐蝕控制或管理，也一直是油氣田生產(chǎn)業(yè)主和現(xiàn)場人員不斷努力的方向。例如，加強(qiáng)管道內(nèi)部的清理，也就是“清管”，是十分重要的改善內(nèi)部腐蝕環(huán)境的措施。又如，為了避免管道內(nèi)部積水，通過適當(dāng)提產(chǎn)以增加流動(dòng)性，也是一類措施。除此之外，加強(qiáng)現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測、防砂、殺菌等，也都是基于管道生產(chǎn)實(shí)際過程，所開展的有效方式。這實(shí)際上是管道腐蝕完整性管理的概念，也是目前我國油氣生產(chǎn)單位在積極推動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新。
由于石油天然氣工業(yè)的腐蝕介質(zhì)復(fù)雜，影響因素繁多，雖然人們已探索出許多解決腐蝕問題的控制措施，但還沒有一種包治百病的良方。將各種腐蝕控制技術(shù)綜合利用，對(duì)油氣田腐蝕進(jìn)行綜合管理和治理是較為普遍的作法。
記者：石油管道的安全性舉足輕重，請談?wù)勀鷮?duì)管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究的看法？
張教授：在石油天然氣工業(yè)，特別是油氣管道設(shè)施的腐蝕管理過程中，往往要將對(duì)腐蝕環(huán)境特點(diǎn)和腐蝕原因的分析，獲得對(duì)腐蝕狀況的認(rèn)識(shí)和判斷，同時(shí)借助腐蝕監(jiān)測技術(shù)、腐蝕檢測技術(shù)獲取腐蝕缺陷的信息與數(shù)據(jù)，利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、腐蝕預(yù)測，與現(xiàn)場腐蝕控制措施的實(shí)施相結(jié)合，借助安全評(píng)價(jià)和腐蝕完整性管理的理念，進(jìn)行積極的腐蝕控制和腐蝕防御。
腐蝕安全評(píng)估是了解油氣管道腐蝕狀況和潛在風(fēng)險(xiǎn)的重要渠道，國際上目前主要包括腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、腐蝕直接評(píng)估、含缺陷管道安全評(píng)價(jià)等幾類不同的方式。腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一般原理和方法，根據(jù)腐蝕狀況的調(diào)查確定腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的一種方法，多為定性或半定量評(píng)價(jià)。腐蝕直接評(píng)估是通過數(shù)據(jù)分析和一定的間接檢查，更為定量的評(píng)價(jià)管道不同部位的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，是腐蝕完整性管理的重要工具之一。含缺陷管道安全評(píng)價(jià)則是利用一定的缺陷檢測結(jié)果，結(jié)合腐蝕發(fā)展預(yù)期，估算管道剩余強(qiáng)度和剩余壽命。
目前國內(nèi)較為迫切需要了解和推廣的是腐蝕直接評(píng)估的方法，也就是針對(duì)大量無法進(jìn)行直觀檢測的管道，運(yùn)用從管道間接調(diào)查和直接檢查中獲取的信息以及所有其它相關(guān)信息，對(duì)管道的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法一般包含預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測、直接檢查和后評(píng)價(jià)四個(gè)步驟，方法簡單明了，便于實(shí)施，且有較為全面的標(biāo)準(zhǔn)可以參考，已成為國際上公認(rèn)較為成熟的腐蝕完整性管理技術(shù)?？墒褂萌N直接評(píng)估的方法查找隨時(shí)間變化的腐蝕缺陷類型：內(nèi)腐蝕直接評(píng)估（ICDA）、外腐蝕直接評(píng)估（ECDA）和應(yīng)力腐蝕開裂直接評(píng)估（SCCDA）。
通過科學(xué)的管道安全評(píng)價(jià)，獲取與專業(yè)管理相結(jié)合的管道完整性信息，對(duì)可能造成管道失效的腐蝕因素進(jìn)行綜合分析，才能更加科學(xué)的指導(dǎo)腐蝕控制決策。
記者：請您談?wù)剬?duì)國內(nèi)石油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的未來展望？關(guān)于國內(nèi)石油設(shè)施防腐方面談?wù)勀慕ㄗh和看法？
張教授：石油天然氣行業(yè)的發(fā)展是我國能源安全的保障，也是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵依托。隨著我國超深井氣田的開發(fā)、深水油氣田的開發(fā)、高含硫油氣田的開發(fā)等，我們不斷在克服國際同行面臨的類似挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)材料學(xué)者和腐蝕學(xué)者提出了更加迫切的要求，對(duì)于腐蝕控制技術(shù)的發(fā)展也是前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
對(duì)于我國的石油天然氣設(shè)施和管道的腐蝕控制，一是建議加大科普和培訓(xùn)力度，讓更多的從業(yè)人員具有一定的材料和腐蝕的專業(yè)知識(shí)，才能在現(xiàn)場更為有效的將腐蝕控制技術(shù)發(fā)揮出其優(yōu)勢。二是建議從國家到行業(yè)，重視類似深水、超深井、高含硫等高難度油氣資源開發(fā)過程中的材料和腐蝕研究匹配，避免由于腐蝕控制研究的脫節(jié)而影響油氣生產(chǎn)安全。三是加強(qiáng)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制和建設(shè)，通過標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展來推動(dòng)我國油氣設(shè)施和管道腐蝕控制和安全保障的水平的進(jìn)一步提升。
后記：追求卓越，開拓創(chuàng)新！以科技實(shí)力保石油天然氣設(shè)施安全運(yùn)行，降設(shè)備材料腐蝕至接近零界限，是腐蝕學(xué)科追求的最終目標(biāo)，大家為著這一目標(biāo)共同努力吧！
人物簡介
張雷，副教授，工學(xué)博士，現(xiàn)任北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院材料失效與控制研究所副所長，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)環(huán)境敏感斷裂專業(yè)委員會(huì)秘書長，美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）中國學(xué)生分會(huì)指導(dǎo)教師。獲北京市青年英才計(jì)劃資助，曾于英國利茲大學(xué)進(jìn)行訪問學(xué)者研究，曾任華人腐蝕工程師協(xié)會(huì)（ACCE）副主席（2013-2014），并先后獲得國家注冊安全工程師、安全評(píng)價(jià)師、NACE CP Technologist（陰極保護(hù)技術(shù)專家），NACE PCIM（管道腐蝕完整性專家）等系列認(rèn)證。研究方向?yàn)橛蜌馓锔邷馗邏篐2S-CO2腐蝕、氫脆及應(yīng)力腐蝕開裂、不銹鋼及耐蝕合金選材、管道及結(jié)構(gòu)失效分析、管道腐蝕完整性管理、管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估等。先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、國家科技重大專項(xiàng)3項(xiàng)，以及中石油、中石化、中海油和各大鋼鐵公司相關(guān)科研項(xiàng)目八十余項(xiàng)，在石油石化行業(yè)中具有良好的口碑。發(fā)表SCI/EI論文四十余篇，獲國家發(fā)明專利三項(xiàng)、行業(yè)科技獎(jiǎng)二項(xiàng)，國際會(huì)議主題報(bào)告二十余次。
