楊樹敏，董廣河

(中海油能源發(fā)展采油服務公司 海外作業(yè)籌備組，天津 300457)

?

陰極保護系統(tǒng)在“海洋石油118FPSO”上的應用

楊樹敏，董廣河

(中海油能源發(fā)展采油服務公司 海外作業(yè)籌備組，天津 300457)

分析FPSO在海上作業(yè)時的腐蝕機理以及相應的防護措施，介紹用于FPSO船體防護的犧牲陽極的陰極保護系統(tǒng)，以海洋石油118FPSO為例，進行防腐鋅塊的設計、選型以及計算。

FPSO；腐蝕機理；陰極保護技術；陰極材料；防腐鋅塊

FPSO的船體長期處于多鹽霧、潮濕的海水環(huán)境中，受到周圍介質(zhì)的侵蝕，結構腐蝕非常嚴重。而FPSO又遠離海岸固定作業(yè)，不能像航行船舶那樣定期進塢維修、保養(yǎng)，所以FPSO防腐蝕問題越來越被重視。

1 FPSO腐蝕機理

海水含有多種鹽類，此外還含有溶解氧氣體，以及海洋微生物。海水對金屬的腐蝕主要取決于含氯化物鹽類的濃度、溶解氧的含量，以及海水的導電性。

鑒于FPSO的特殊作業(yè)條件，其腐蝕的介質(zhì)來源主要有海水、海洋大氣。下面就這兩種介質(zhì)對FPSO船體的腐蝕機理進行分析研究。

1.1 海水對FPSO船體的腐蝕

在研究FPSO船體腐蝕時涉及到鋼鐵的表面狀態(tài)。鋼鐵在軋制或以后的熱處理中，由于高溫鐵被氧化，表面生成了氧化鐵皮。氧化鐵皮由三種鐵的氧化物組成，并按一定的順序分布在金屬表面上。緊貼著鋼鐵的是FeO，然后是Fe3O4，最外層是Fe2O3。氧化鐵皮具有較高的電位，在水中的穩(wěn)定電位比普通鋼的電位正0.2～0.5 V，且具有良好的導電性。所以鋼鐵表面的氧化皮加速了鋼在海水中的腐蝕，并且腐蝕速度隨氧化層表面積的增加而明顯增大。

1.2 海洋大氣對FPSO船體的腐蝕

FPSO水線以上暴露在大氣中的船體部分主要遭受海洋大氣的侵蝕。海洋大氣對金屬的侵蝕性主要取決于大氣中氯化物及其他鹽分的含量、相對濕度和溫度。此外，距離海面的高度、風速、雨量、太陽輻射、塵埃、大氣污染等因素也會影響金屬的腐蝕速度。據(jù)資料介紹，鹽在金屬表面上的沉積量可達10～1 000 mg/(m2·d)。如果沿海的大氣被污染，大氣中含有SO2，則鋼的腐蝕速度可增加數(shù)倍。有的海域易形成海霧，也會增加金屬的腐蝕速度。

再者，空氣中的濕度越大，金屬表面結露越容易，腐蝕速度也相應增加。

在一定溫度下，大氣的相對濕度達到100%，這時金屬表面溫度與露點一致時，就會有露珠在金屬表面凝結。如果金屬表面沉積有鹽粒、塵埃、狹窄的縫隙及疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物，則金屬表面的溫度即使高于露點，也會形成潮氣的凝結，在金屬表面形成水膜。

在大氣腐蝕條件下，隨著液層變薄，陰極過程將更容易進行，而陽極過程反而變得困難。

綜上所述，對于FPSO水線以上暴露在海洋大氣環(huán)境中的船體部分以及上部模塊的生產(chǎn)部分，由于其鋼鐵的陽極鈍化作用，其主要腐蝕來源是氧氣以及大氣中的潮氣，所以宜采用隔絕氧氣的腐蝕方法?，F(xiàn)在主要技術是涂層，利用防腐涂料隔絕氧氣、潮氣、日光、灰塵等，以達到防腐蝕的目的。而對于FPSO水線以下的船體以及壓載艙、貨油艙等沉浸在電解質(zhì)溶液中的部分，由于陽極(鋼鐵)的活化作用而極易失去電子而被腐蝕，所以單純靠涂層技術進行防腐蝕是遠遠不夠的，在此引入了陰極保護的概念。

2 陰極保護法

圖1給出了FPSO船體在海水中于金屬界面處發(fā)生的電化學腐蝕反應過程，以及陰極保護系統(tǒng)通過鎂陽極或外電源產(chǎn)生的外加負電流對這些反應過程的作用影響，說明了各種反應質(zhì)點和反應產(chǎn)物的存在和傳遞。由于陰極保護系統(tǒng)通過犧牲陽極或外電源，能對金屬提供足夠量的電子(施加所需的負電流)，使金屬界面呈負電性和達到足夠負的電極電位，從而抑阻氧化反應(Fe→Fe2++2e)；此時還原反應所需電子完全從犧牲陽極或外電源獲得。由此實現(xiàn)了陰極保護，停止了金屬的腐蝕過程。

較早建造的FPSO，對于船體，以及壓載艙、貨油艙等艙室的腐蝕多采用涂層加犧牲陽極來進行防護，而現(xiàn)在建造的FPSO即采用犧牲陽極的陰極保護技術來保護艙室，又在船艏到船艉的不同區(qū)域增加外加電流防護來對船體進行防腐，這2種技術相結合的方法越來越被普遍采用。

圖1 FPSO船體在海水中的電化學腐蝕反應過程及陰極保護作用的圖解

中國海洋石油總公司于2014年建成并投用的海洋石油118FPSO就是采用犧牲陽極和外加電流相結合的方法對船體以及壓載艙、貨油艙等艙室的腐蝕進行防護。在壓載艙、貨油艙、污油艙、艏/艉間艙等艙室刷涂防腐底漆與安裝鋅塊陽極相結合的方式進行防腐蝕，而對于船體的防護，則是在船艏、左右舷、船艉的4個不同區(qū)域安裝了外加電流保護裝置，以此達到船體防腐的目的。

3 海洋石油118FPSO應用

海洋石油118是一座15萬t級的FPSO，船體以上部分為生產(chǎn)模塊，對原油進行油氣水處理，處理后的合格原油進入貨油艙進行存儲，等待外輸；船體部分的艙室由12個壓載艙、10個貨油艙、2個污油艙、1個艏間艙、2個艉間艙組成。

對于海洋石油118艙室的防腐方式，首先刷涂防腐底漆，然后再根據(jù)相應的計算來推算出每個艙室的陽極數(shù)量，合理進行安裝。其基本設計思路見表1。

表1 海洋石油118防腐蝕鋅塊設計參數(shù)

3.1 陽極材料的選擇

優(yōu)良的陽極材料應具有以下典型的特點。

1)有足夠的負電位，且很穩(wěn)定。

2)使用過程中，陽極極化小，電位及輸出電流穩(wěn)定。

3)陽極溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。

4)陽極自身腐蝕要小，電流效率要高，即實際電容量與理論電容量的比值要大。

5)腐蝕產(chǎn)物應無毒，不污染環(huán)境。

6)價格低廉，材料來源充足，加工容易。

鋅合金具備上述特點并且陽極產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3在土壤中無法消散，使陽極鈍化而失效，所以被廣泛用于海洋環(huán)境中的金屬構筑物的陰極保護系統(tǒng)中。海洋石油118FPSO的陰極保護系統(tǒng)就是采用的鋅合金(以下稱鋅塊)作為陽極。

3.2 陰極系統(tǒng)保護區(qū)域

海洋石油118FPSO的陰極保護系統(tǒng)的保護區(qū)域見表2。

針對于不同的保護區(qū)域所選擇的陽極鋅塊的尺寸和重量不同。

3.3 陽極鋅塊設計

陽極鋅塊的尺寸，見圖2，各艙鋅塊具體情況見表3。

圖2 陽極鋅塊尺寸示意

m2

表3 海洋石油118鋅塊數(shù)量計算結果

3.4 陽極鋅塊的安裝

通常，不論是FPSO的船體或壓載艙、貨油艙等艙室安裝陽極鋅塊的方法有2種，其一是直接焊接在船殼上，其二是焊接螺栓，然后通過螺母固定在螺栓上，海洋石油118FPSO采用第2種方法。

4 結論

FPSO長期佇立于海洋中，其腐蝕是不可避免的，但其腐蝕的速度則是可以控制的。如果能夠控制其腐蝕的速度為原來應該發(fā)生的腐蝕速度的1/10，則FPSO的壽命將延長為原來的10倍。

Application of Cathodic Protection System in FPSO Industry

YANG Shu-min, DONG Guang-he

(Overseas Operation Preparatory Team, CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The corrosion mechanism of FPSO in offshore operations and the corresponding protective measures were investigated theoretically. The cathodic protection system for sacrificial anode in FPSO vessel protection was introduced. Taking the HYSY 118 FPSO as example, the design, type selection and calculation of the anticorrosive zinc block were discussed about.

FPSO; corrosion mechanism; cathodic protection technology; cathodic material; anticorrosive zinc block

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.019

2016-07-10

楊樹敏(1972—)，男，學士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0076-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:FPSO的建造、改造以及生產(chǎn)運營的管理

E-mail:yangshm@cnooc.com.cn