油气管道腐蚀问题解析

油气长输管道在能源运输领域担当重任。与海运和公路相比，管道运输效率更高，碳排放更低，而且能在大规模输送中保持稳定。但腐蚀长期以来一直威胁管道安全，这是管道运输中的主要问题。由腐蚀引发的管道事故会带来严重的次生灾害，引得研究人员的广泛关注。经多年研究发现，管道腐蚀机理较为复杂，其中包括CO₂和H₂S引起的化学作用，也包括微生物诱导腐蚀（MIC）和应力腐蚀开裂（SCC）。在研究机理的同时，检测与防护技术一直在发展，从早期的失重试片逐步发展到智能传感器和基于大数据的预测方法，研究人员深耕其中。由于腐蚀的发生是不可避免的，所以主要研究目的是将腐蚀风险控制在可管理的范围，不会发生突发不可挽回的意外并控制维护成本。本文将对油气管道腐蚀问题，从腐蚀机理、检测与监测到防护措施，一一为大家介绍。

图1. 烃类管道内部腐蚀的不同形式

图2. 管道的内部腐蚀

一、管道腐蚀的主要机理

1. CO₂与弱酸腐蚀（均匀腐蚀）

在2007年，Aria Kahyarian等人（2017, Corrosion Science）对CO₂腐蚀机理进行了系统性的研究。经研究发现，碳酸氢根离子是铁在CO₂饱和溶液中腐蚀速率的主要影响因素，同时腐蚀膜的形成和溶解过程决定了总体腐蚀速率。后来，他们又（2020, Corrosion）提出了统一机理模型，将CO₂环境中的腐蚀过程和弱酸环境下的阴极反应放在同一个理论框架内，并提出了弱酸解离和铁溶解存在耦合关系，此机理的提出使得内腐蚀的预测更加精确，更加适配于在高压和复杂流动条件下的管道系统中的应用。

图3. CO₂腐蚀的分类

图4. L485天然气管道的CO₂腐蚀

2. H₂S环境腐蚀（SSC、HIC、SOHIC）

SSC和HIC在往期推文中已详细介绍，本文便不赘述。

SOHIC常见于H₂S环境下残余应力较高的低强度钢焊接区。其同时具有HIC和SSC特征，裂纹沿厚度方向呈堆叠状分布，导致承载力降低。Haidemenopoulos 等人（2018, Metals）的研究表明，SOHIC的裂纹通常从焊接区开始萌生，并沿轧制方向延伸，但它其实是一种在拉应力作用下，由氢致微裂纹周围的局部应变引起的特殊SSC类型。

图5. 由H₂S腐蚀引起的严重开裂损伤

3. 微生物诱导腐蚀（MIC）

约一百年前，人们发现铁在缺氧条件下的腐蚀与微生物活动有关。Enning与Garrelfs（2014, Applied and Environmental Microbiology）发现硫酸盐还原菌（SRB）可以通过电子转移直接加速铁腐蚀，这一发现改变了过去认为腐蚀只由代谢产物引起的认识。Little等人（2020, Corrosion Science）研究发现微生物膜会改变局部的pH和离子环境，生物膜的形成加上细菌代谢会导致膜内的氧含量降低，因此金属表面在被生物膜覆盖的区域会处于厌氧环境。这些隔离的区域为细菌生长提供了条件，最终导致腐蚀。类似铁氧化菌（IOB）将可溶性的Fe²⁺氧化为不溶性的Fe³⁺。由于这种不溶性层分布不均，使腐蚀呈现明显的局部化特征。

图6. MIC发生在微生物、介质与金属三者作用交汇之处
（SRB——硫酸盐还原菌，以及IOB——铁氧化菌）

图7. 管道内外部的微生物腐蚀

二、检测与监测方法

Ma等（2025, Sensors）对管道在线检测（ILI）技术方面的研究进展进行了回顾。重点围绕以下四种方法：

• 电磁技术：虽应用较多，但仍有缺陷，例如MFL对铁磁性材料体积缺陷检测效率高，但对轴向裂纹敏感性较差；ECT对表面裂纹高敏感但穿透深度有限；PECT可穿透绝缘层但受电磁干扰影响。

• 声学技术：超声（UT）可以实现精确测厚和探测内部缺陷，声发射（AET）能够动态监测，但其定位精度不足。

• 光学技术：机器视觉直观识别缺陷，激光扫描提供高精度三维拟合，分布式光纤传感（DFOS）实现长距离监测，但各自受制于成本或分辨率。

• 机器人技术：轮式或履带式机器人适合中大管径直线管道，连续体机器人灵活，但成本与控制难度较高。

三、防护措施

Zhao等人（2024, Materials and Corrosion）提出了脉冲阴极保护（PCP）技术。在研究中发现，PCP技术与恒定电流阴极保护相比，其能耗更低，并在复杂干扰环境下有更好的表现。

Ma等人（2022, Process Safety and Environmental Protection）对现有的腐蚀增长模型进行了汇总分析，尤其是基于大数据和机器学习的预测方法，这类方法可以提前识别高风险区域。

Mingjiang Xie等人（2018, Engineering Failure Analysis）提出管道完整性管理（PIM）新框架，将风险评估、监测数据和维护措施一起结合起来，目的是能够给管道服役过程保驾护航。

四、结语

油气管道腐蚀很难完全避免，对此，行业目标并不是完全消除腐蚀，而是通过科学方法（减缓腐蚀率、预测与监测腐蚀）和系统管理（风险管理与安全保障），实现安全、经济、长服役的管道运行。

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