林 源

(中国石油化工集团有限公司科技部，北京 100728)

天然气输送管道内粉尘，在国外也称黑色粉末(black powder)，是天然气输送管道内产生的颗粒状物质的统称，全球大型天然气管道运营公司几乎都出现了管道粉尘问题。粉尘对天然气管道系统带来诸多危害，如影响气体质量、降低输送效率、加剧管内腐蚀、危害劳动健康、污染环境等。粉尘对管道内检测也有明显影响[1]，检测信号强度、检测器行进速度、数据解析准确性等都会受到管道内粉尘干扰。天然气管道内粉尘的形成机理、腐蚀机制、运移规律、防治技术等，一直是管道行业的重点关注问题和研究热点。

1 粉尘的成分及运动规律

1.1 粉尘成分

20世纪90年代末，美国天然气机械委员会对天然气管道的粉尘问题开展研究，分析发现管道中收集到的粉尘主要成分是硫化铁和氧化铁[2]。如果管输气体中含有硫化氢，或者管内微生物腐蚀，在一定条件下就可能发生化学腐蚀，产生铁硫化物并导致管壁发生点蚀。而氧化铁则是碳钢氧化或铁硫化物继续氧化形成的。硫化铁在管道中既有化学来源，也有微生物腐蚀来源，并且会在特定条件下发生自燃。

Sherik等人[3]从沙特阿美公司天然气管网的不同地点采集粉尘样品，对样品进行分析研究发现：粉尘样品的主要成分是Fe3O4、FeO(OH)和FeCO3，而管道锈蚀中的主要成分是Fe3O4、Fe3O2和FeO。FeCO3的存在证实了管内表面存在凝结水。此外，粉尘中还存在少量的盐类、沙子、金属碎片、岩屑、钻井泥土和硫元素等[4]。粉尘颗粒的平均粒径为0.1 μm，形状呈锯齿状且具有较高的硬度。由于粉尘成分比较复杂，分析认为粉尘附着于管壁后会对碳钢产生一定的腐蚀。

Yamada等人[5]收集了约1 400 km天然气管道气体过滤器中的粉尘样品，并进行理化性质分析。采用XRF、XRD、热重力仪、差热分析(TG-DTA)和傅里叶变换红外光谱法(FT/IR)的分析表明：粉尘主要成分为Fe3O4，由此推断管道中存在少量的氧气和水，在管道某些部位发生化学腐蚀产生了铁氧化物，而氧气和水可能是建设或大修期间残留在管道内部的。

1.2 粉尘颗粒的运动规律

Kharoua等人[6]研究了水平天然气管道中粉尘颗粒移动规律及所需的最小速度。管道直径0.2～1.22 m，天然气温度为60 ℃，颗粒粒径0.01～1 000 μm，管道压力1 379～9 653 kPa。研究表明，粉尘颗粒的运动速度与管道直径、气体压力和密度、气体流速和黏度、粒径大小和密度等因素相关，粒径大于或等于0.1 μm的粉尘颗粒在相同工况条件下会以与气体相同的流速在管道内运动。

Smart等人[7]在另一项研究中发现：随着管道直径增加和管道压力的降低，硫化铁粉尘颗粒移动所需的速度会增加；颗粒发生移动所需的速度随管道直径增加而增加；当管道气体流速低于颗粒发生移动所需速度时，粉尘颗粒则会在管壁上沉积并不断积聚；一旦粉尘颗粒开始移动，除非气体流量降低或者压力降低，粉尘颗粒的运动将不会停止。此外，Smart等人通过实验发现，如果管道中含水，湿颗粒发生移动所需的速度是干颗粒的3倍左右。

Kharoua等人[8]对水平和垂直段输气管道的颗粒沉降规律进行了模拟分析，研究表明：当颗粒粒径从1 μm增加到50 μm时，颗粒群因重力作用发生的沉降效应不断增大；水平管段内部颗粒有明显的沉降效应，粒径越大沉降越明显；垂直管段中，气体流向对颗粒沉降影响明显，气流向上时重力与流速方向相反，管道内颗粒近似均匀分布，而气流向下时，重力对颗粒沉降影响极其微小。

2 粉尘的形成机理

2.1 粉尘的化学来源

天然气管道内的粉尘最常见的成分是铁的硫化物、氧化物和碳酸盐，其来源主要是管道腐蚀产物及其氧化物、未净化天然气或净化不彻底气体中含有的盐和垢、管道内部未清除干净的其他沉积物等。此外，如果管道内存在有液体、液体气溶胶或腐蚀性物质(如CO2、H2S、有机酸等)，粉尘还可能是其腐蚀产物。

Dugstad等人[9]对集气管道的粉尘形成机理进行了实验研究，在5，25，40 ℃条件下，对气体分压为100 kPa CO、40 Pa H2S，100～10 000 μmol/mol天然气进行测试。分析表明，粉尘的形成与管道内壁的腐蚀密切相关，温度越高腐蚀速率越大，管壁表面的硫化铁颗粒也增多。

Sherik等人[10]的研究表明，粉尘颗粒是金属铁与含有H2S、CO2和O2的冷凝水发生反应，形成硫化铁、碳酸铁和氧化铁等反应物。天然气中的H2S或CO2，一方面是由于采出气未净化彻底；另一方面如果管道内有硫酸盐还原菌(SRBs)，则也会通过反应生成H2S和CO2[2]。

张鹏等人[11]介绍了我国长距离天然气管道面临的粉尘问题，提出气体质量、管道输送工艺参数、管道材料、内涂层、建造施工等也是管道内粉尘形成的影响因素。

2.2 形成粉尘的腐蚀机理

大量研究表明，腐蚀是天然气管道内黑色粉尘形成的主要原因，从腐蚀机理方面来看，粉尘形成主要包括以下化学反应。

天然气中的H2S与凝结水和碳钢反应生成FeS：

H2O+H2S→H3O++HS-

HS-+Fe→FeS+H2

硫酸盐还原菌与CH4反应生成H2S和CO2：

2H++SO42-+CH4→H2S+CO2+2H2O

天然气中的CO2与凝结水和碳钢反应生成FeCO3：

H2O+CO2→H2CO3

H2CO3+Fe→FeCO3+H2

O2引起碳钢氧化产生铁的氧化物：

2Fe+H2O+1.5O2→2αβorγ-FeO(OH)

8γ-FeO(OH)+Fe→3Fe3O4+4H2O

如果含有溶解氧的水是饱和的，则通常形成Fe2O3。

3 粉尘处理及预防

3.1 粉尘清除

目前天然气管道粉尘的主要清除方法可分为化学清洗和物理去除两类。化学清洗多以水为溶液添加化学药品，成本较高且清洗后需要干燥管道，通常很少采用；物理去除的最主要方式是清管，但是粉尘的清除效果较难评估。对于出现粉尘问题的天然气管道，至今仍无单一有效的方式实现完全清除。

Baldwin等人[1]提出，处理天然气管道粉尘最常见的方法是在管输前对气体进行过滤。Tsochatzidis和Maroulis[12]报道了希腊公共天然气公司(DEPA)输送管道遭受严重粉尘影响的案例研究，总结清除粉尘的主要方法包括清管作业、过滤器清洗、安装旋风分离器等，其研究发现管道粉尘量与输送气体露点呈反比关系，并提出使用不同类型和不同材料的清管器对粉尘进行物理去除是清除粉尘的最有效方式。

天然气管道内粉尘清除方法，包括化学清洗、干法清管、溶剂清洗、干空气清洗、高速冲洗、凝胶清管等技术[13]，各种方法的作业方式和特点见表1。

表1 管道内粉尘清除方法对比

Sherik等人[10]介绍了便于现场操作的粉尘去除方法，包括机械清管、化学清洗，以及使用分离器、过滤器和旋风分离器净化天然气，这些方法可以组合使用，也可以单独应用。

综上可知，清除天然气管道内部粉尘，需要对粉尘问题进行全面分析，收集全面完整的样本、进行成分、成因和机理分析，因为即使是同一条管道，沿线的粉尘组成、分布和成因都可能不同，并进一步结合管道生产工艺和运行工况确定合理可行的粉尘清除方案[13]。

3.2 粉尘预防

对于新建管道，内涂层保护、管内湿度控制和良好的调试可防止粉尘的形成。对于无内涂层的在役管道，应严格遵守控制气体组成以避免出现凝结水[14]，有条件的应当在管输前对天然气进行净化处理。此外，去除管道内壁氧化层和残留水、添加缓蚀剂也可以在一定程度上抑制粉尘产生。

4 结语

a) 天然气管道粉尘来源多样，粉尘形成机理、移动和沉积规律也不相同，需要结合气源成分、净化处理工艺、管道内部防腐方式、气体输送工艺，以及管道建设施工和清管质量等，综合分析确定粉尘问题的根源。

b) 大量研究表明，天然气管道内粉尘的主要成分以铁的硫化物、氧化物和碳酸盐等居多，通常是气体介质中的腐蚀性组分在一定条件下与碳钢的反应产物。因此，控制管道气质和内腐蚀是防治粉尘的有效途径。

c) 清除粉尘的方法较多，但是对于已出现粉尘问题的管道，难以或无法彻底清除或者一次性解决粉尘问题。应结合气质成分和管道生产运行特点，制定粉尘控制方案。对于在役管道，气质控制和清管作业是控制管内粉尘的有效方式。

d) 对于新建天然气管道，应在设计建设阶段充分评估管道内产生粉尘的可能性，并从管道设计角度考虑防治手段，如增加气源净化工序和装置、使用带内涂层的管道、管道投产前清管和干燥充分、增加管内腐蚀监测等。