石油、天然氣行業(yè)是設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、復雜性和普遍性。石油天然氣屬于易燃易爆介質，一旦由于腐蝕引起設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)境污染和財產損失，因此成為行業(yè)關注的重點。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油氣生產運輸行業(yè)，必須不遺余力的確保設施和管道的服役安全。而腐蝕問題，恰恰是設施和管道服役安全的最重要威脅，與第三方破壞、誤操作、地質災害，并列為油氣設施和管道的主要風險源，同時，腐蝕問題也是其中唯一可以進行防護和管控的。為了更全面地向人們科普石油、天然氣行業(yè)的設施和管道防腐方面的相關知識、最新技術，提醒人們采取有力的措施防患于未然。中國腐蝕與防護網記者特采訪到了北京科技大學張雷教授。
張雷，副教授，工學博士，現(xiàn)任北京科技大學新材料技術研究院材料失效與控制研究所副所長，中國腐蝕與防護學會環(huán)境敏感斷裂專業(yè)委員會秘書長，美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）中國學生分會指導教師。主研方向為油氣田高溫高壓H2S-CO2腐蝕、氫脆及應力腐蝕開裂、不銹鋼及耐蝕合金選材、管道及結構失效分析、管道腐蝕完整性管理、管道內腐蝕直接評估等。
張雷教授
中腐蝕與防護網記者：請您談談目前國內石油天然氣設施腐蝕現(xiàn)狀？實施腐蝕控制的意義？
張教授：石油天然氣行業(yè)的腐蝕問題比其他行業(yè)更為復雜，一是油氣設施和管道內部輸送的油氣介質具有腐蝕性，二是油氣設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，三是油氣生產設施的運行工況往往具有較高的溫度和壓力，同時需要承受不同的力學載荷，這進一步增加了服役環(huán)境的苛刻性。同時，石油天然氣行業(yè)的腐蝕問題往往量大面廣，例如，一個油田區(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，一旦發(fā)生局部的腐蝕損傷，導致故障或大大縮短使用壽命，將帶來極大的損失和危害，直接影響油氣生產效益；再如，石油天然氣長距離輸送依賴管道運輸，往往橫跨我國不同地域，我國陸上管道里程已經超過12萬公里，還有大量海底管道和城市燃氣管網，管材用量極大，覆蓋地域復雜，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)油氣生產的上下游關系分為這么幾個方面。對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，并通過集輸管道進行匯集計量，再進行脫水凈化，使油氣達到商品級的原油或天然氣的狀態(tài)，以便向外輸送。由于在整個流程中，油氣介質中含水率較高，因此，腐蝕主要由于油氣介質中的CO2、H2S等引起的設施和管材內腐蝕為主，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，隨著我國高含硫油氣田的開發(fā)，由于H2S引起的硫化物應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，上游生產設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低于內部。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腐蝕風險，也會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。
對于油氣生產的中游，也就是長距離輸送和儲備，主要依賴管道將已經處理過的油氣介質運輸至煉廠或城市門站，以及現(xiàn)在大量興建的儲氣庫和LNG液化天然氣設施。由于經過了脫水脫硫等處理，油氣介質本身的腐蝕性大大降低，內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，陰極保護效果容易遭受各類電磁干擾等，外腐蝕威脅的復雜程度十分突出。
對于油氣生產的下游，一方面是石油煉廠，由于煉化設施的復雜性，服役溫度和壓力的增加，油氣介質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，對煉廠的監(jiān)測和檢修要求十分嚴格。另一方面是城市管網，主要腐蝕威脅來自于城市復雜地下空間的復雜性，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載荷的影響，以及城市公共地下走廊中其他基礎設施的干擾和影響。
中腐蝕與防護網記者：您的主研方向是油氣設施和管道內腐蝕，請您談談這方面常遇到的腐蝕類型和特點？
張教授：油氣設施和管道的內腐蝕是個綜合的概念，并非簡單的CO2腐蝕或者H2S腐蝕，實際涉及到油氣生產的各個工藝環(huán)節(jié)和很多跨專業(yè)的知識。在十余年的研究過程中，我個人感覺，油氣設施和管道的內腐蝕研究離不開現(xiàn)場實踐和理論的密切結合。
油氣管材的腐蝕問題由于其接觸介質的多樣性，腐蝕形式復雜，往往給工程技術人員帶來諸多疑問，因此，有必要從多個層次認識油氣管道和設施的腐蝕風險。
油氣田設施
可以根據(jù)管道環(huán)向上發(fā)生腐蝕的部位認識腐蝕問題。例如，對于水平輸送管線，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。在這個層次判斷，實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蝕、臺地腐蝕，也包括螺紋絲扣、法蘭面、沉積物下方等間隙結構引起的縫隙腐蝕等。石油管材可能遭受的典型應力腐蝕開裂往往由H2S和氯化物引起。在這個層次判斷，實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，即構成腐蝕原電池中的電解質的存在，水相存在的狀態(tài)直接影響了腐蝕發(fā)生的機制和形態(tài)，由此帶來許多腐蝕類型的分支。一方面這些分支使得認識腐蝕過程更為容易，另一方面也給工程技術人員帶來一定的困惑。以管道內腐蝕為例，根據(jù)管道內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壁接觸連續(xù)的水相，為介質中的CO2、H2S等腐蝕性物質提供了腐蝕環(huán)境。如果管道輸送過程中，在管道底部存在結垢、砂沉積或細菌菌落的附著滋生，則此時水相往往處于垢下環(huán)境或類似縫隙環(huán)境，往往引起嚴重的垢下腐蝕或細菌腐蝕。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。從這個層次判斷，實際體現(xiàn)了腐蝕發(fā)生的真實局部環(huán)境和環(huán)境促進腐蝕的機制。
當腐蝕過程具有適宜的環(huán)境時，腐蝕的發(fā)生就依賴所謂的“腐蝕劑”，這也是許多文獻和經驗中經常論及的腐蝕概念，如CO2腐蝕、H2S腐蝕、溶解氧腐蝕、元素硫腐蝕、有機酸腐蝕、細菌腐蝕等，實際上體現(xiàn)的是誰直接導致了腐蝕。
油氣管材某一部位腐蝕的發(fā)生，多數(shù)情況下是有多個因素或者機制協(xié)同作用產生。因此，綜合考慮各層次的腐蝕問題和腐蝕因素，在腐蝕選材、腐蝕預測和腐蝕控制各環(huán)節(jié)綜合應對腐蝕風險，是控制腐蝕的關鍵。
中腐蝕與防護網記者：在管道內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計，也就是說，如果我們能夠判斷某條管道的內腐蝕風險較高，那么就應該根據(jù)相關標準和方法，選擇不銹鋼或者耐蝕合金作為管材，本質上提高管道的耐蝕性，達到腐蝕控制目的。有時候，為了成本考慮，也可以采用雙金屬復合管，以碳鋼作為本體，在內表面通過機械或冶金方式復合一層不銹鋼或耐蝕合金層，達到腐蝕控制目的。其次是內涂層，有油氣田使用內涂層技術控制儲罐等靜態(tài)設備，再配合犧牲陽極陰極保護，可以取得良好效果。但內涂層的應用，特別對于管道而言，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，改善管道內部流體的腐蝕性或在管道內壁表面形成保護性膜層，達到腐蝕控制的目的。但緩蝕劑的應用也依賴對于現(xiàn)場工況條件和介質條件的良好把握和評估，否則即使添加緩蝕劑，也仍然有可能出現(xiàn)嚴重的內腐蝕問題。
天然氣管道
除了這些已經成熟的方法和技術，從油氣生產工藝方面進行腐蝕控制或管理，也一直是油氣田生產業(yè)主和現(xiàn)場人員不斷努力的方向。例如，加強管道內部的清理，也就是“清管”，是十分重要的改善內部腐蝕環(huán)境的措施。又如，為了避免管道內部積水，通過適當提產以增加流動性，也是一類措施。除此之外，加強現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測、防砂、殺菌等，也都是基于管道生產實際過程，所開展的有效方式。這實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單位在積極推動的技術創(chuàng)新。
由于石油天然氣工業(yè)的腐蝕介質復雜，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綜合利用，對油氣田腐蝕進行綜合管理和治理是較為普遍的作法。
中腐蝕與防護網記者：石油管道的安全性舉足輕重，請談談您對管道安全評價技術研究的看法？
張教授：在石油天然氣工業(yè)，特別是油氣管道設施的腐蝕管理過程中，往往要將對腐蝕環(huán)境特點和腐蝕原因的分析，獲得對腐蝕狀況的認識和判斷，同時借助腐蝕監(jiān)測技術、腐蝕檢測技術獲取腐蝕缺陷的信息與數(shù)據(jù)，利用風險評估、腐蝕預測，與現(xiàn)場腐蝕控制措施的實施相結合，借助安全評價和腐蝕完整性管理的理念，進行積極的腐蝕控制和腐蝕防御。
腐蝕安全評估是了解油氣管道腐蝕狀況和潛在風險的重要渠道，國際上目前主要包括腐蝕風險評價、腐蝕直接評估、含缺陷管道安全評價等幾類不同的方式。腐蝕風險評價是利用風險評價的一般原理和方法，根據(jù)腐蝕狀況的調查確定腐蝕風險的一種方法，多為定性或半定量評價。腐蝕直接評估是通過數(shù)據(jù)分析和一定的間接檢查，更為定量的評價管道不同部位的腐蝕風險等級，是腐蝕完整性管理的重要工具之一。含缺陷管道安全評價則是利用一定的缺陷檢測結果，結合腐蝕發(fā)展預期，估算管道剩余強度和剩余壽命。
目前國內較為迫切需要了解和推廣的是腐蝕直接評估的方法，也就是針對大量無法進行直觀檢測的管道，運用從管道間接調查和直接檢查中獲取的信息以及所有其它相關信息，對管道的完整性進行評價。該方法一般包含預評價、間接檢測、直接檢查和后評價四個步驟，方法簡單明了，便于實施，且有較為全面的標準可以參考，已成為國際上公認較為成熟的腐蝕完整性管理技術?？墒褂萌N直接評估的方法查找隨時間變化的腐蝕缺陷類型：內腐蝕直接評估（ICDA）、外腐蝕直接評估（ECDA）和應力腐蝕開裂直接評估（SCCDA）。
通過科學的管道安全評價，獲取與專業(yè)管理相結合的管道完整性信息，對可能造成管道失效的腐蝕因素進行綜合分析，才能更加科學的指導腐蝕控制決策。
中腐蝕與防護網記者：請您談談對國內石油產業(yè)發(fā)展的未來展望？關于國內石油設施防腐方面談談您的建議和看法？
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，也是我國經濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵依托。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)，同時也對材料學者和腐蝕學者提出了更加迫切的要求，對于腐蝕控制技術的發(fā)展也是前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。
對于我國的石油天然氣設施和管道的腐蝕控制，一是建議加大科普和培訓力度，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，才能在現(xiàn)場更為有效的將腐蝕控制技術發(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)而影響油氣生產安全。三是加強國家和行業(yè)標準的編制和建設，通過標準的發(fā)展來推動我國油氣設施和管道腐蝕控制和安全保障的水平的進一步提升。
后記：追求卓越，開拓創(chuàng)新！以科技實力保石油天然氣設施安全運行，降設備材料腐蝕至接近零界限，是腐蝕學科追求的最終目標，大家為著這一目標共同努力吧！
人物簡介：張雷，副教授，工學博士，現(xiàn)任北京科技大學新材料技術研究院材料失效與控制研究所副所長，中國腐蝕與防護學會環(huán)境敏感斷裂專業(yè)委員會秘書長，美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）中國學生分會指導教師。獲北京市青年英才計劃資助，曾于英國利茲大學進行訪問學者研究，曾任華人腐蝕工程師協(xié)會（ACCE）副主席（2013-2014），并先后獲得國家注冊安全工程師、安全評價師、NACE CP Technologist（陰極保護技術專家），NACE PCIM（管道腐蝕完整性專家）等系列認證。研究方向為油氣田高溫高壓H2S-CO2腐蝕、氫脆及應力腐蝕開裂、不銹鋼及耐蝕合金選材、管道及結構失效分析、管道腐蝕完整性管理、管道內腐蝕直接評估等。先后承擔國家自然科學基金項目3項、國家科技重大專項3項，以及中石油、中石化、中海油和各大鋼鐵公司相關科研項目八十余項，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、行業(yè)科技獎二項，國際會議主題報告二十余次。
