牛 童 王基威
中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽(yáng) 471023
海洋環(huán)境下的金屬由于長(zhǎng)期受到高濕度、高鹽度、強(qiáng)烈紫外線(xiàn)、海洋微生物和海冰等各種因素的侵蝕,存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象[1]。隨著海上油(氣)田勘探開(kāi)發(fā)工作的不斷深入,海洋平臺(tái)和海底管線(xiàn)等陸續(xù)服役,腐蝕問(wèn)題也越發(fā)成為影響油(氣)田生產(chǎn)安全的主要因素之一。大多數(shù)金屬因熱力學(xué)穩(wěn)定性及材料電化學(xué)不均勻性等原因,不可避免地會(huì)發(fā)生腐蝕,但我們可以通過(guò)某些方式來(lái)減緩腐蝕的速率。
金屬腐蝕的原因有多種,其中最廣泛、最常見(jiàn)的是電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與電解質(zhì)接觸發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞。反應(yīng)過(guò)程中陽(yáng)極(原電池負(fù)極)發(fā)生氧化反應(yīng)并溶解,而陰極(原電池正極)也會(huì)伴隨發(fā)生相應(yīng)還原反應(yīng)[2]。
負(fù)極:Me-ne-=Me+
正極:2H2O+O2+4e-=4OH-(吸氧腐蝕)
或者:2H++2e-=H2↑ (析氫腐蝕)
金屬在海洋環(huán)境中的腐蝕,按形態(tài)可分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕指整個(gè)金屬表面發(fā)生均勻腐蝕。而局部腐蝕包括晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和電偶腐蝕等,其中晶間腐蝕指在金屬的微小晶粒四周發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象;點(diǎn)腐蝕指在金屬表面分散發(fā)生的腐蝕,通常點(diǎn)蝕孔徑小于1mm;電偶腐蝕指兩種金屬相互接觸于電解質(zhì)水溶液時(shí)發(fā)生的類(lèi)似于電池作用的腐蝕現(xiàn)象;縫隙腐蝕指在金屬表面有縫隙的地方產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。
影響導(dǎo)管架平臺(tái)腐蝕的因素有三類(lèi),即化學(xué)因素、物理因素和生物因素[3]。
2.1.1 化學(xué)因素
溶解氧氣的含量是影響導(dǎo)管架平臺(tái)腐蝕性的重要因素。氧氣的含量隨著結(jié)構(gòu)所處位置、海水溫度和海水深度的變化而變化。根據(jù)氧氣作用的不同,將金屬分為活性金屬和鈍態(tài)金屬兩類(lèi)。其中活性金屬在金屬表面不會(huì)形成具有保護(hù)性的氧化膜,所以氧氣濃度越高腐蝕破壞就會(huì)越嚴(yán)重;鈍態(tài)金屬在金屬表面會(huì)形成具有保護(hù)性的氧化膜。另外,二氧化碳也會(huì)增加海水的腐蝕性。圖1給出腐蝕速度與溶解氧濃度的關(guān)系。
圖1 腐蝕速度與溶解氧濃度的關(guān)系
2.1.2 物理因素
海水流速的作用隨著金屬環(huán)境體系的不同而不同。對(duì)于形成鈍化膜的金屬,在高速海水中具有較高的耐腐蝕性,在低速靜滯的海水中耐腐蝕性卻不佳。因?yàn)?,在高速海水中金屬表面可以不間斷地獲得氧氣從而形成鈍化膜。圖2表示腐蝕速度與流速的關(guān)系。
圖2 腐蝕速度與流速的關(guān)系
2.1.3 生物因素
海洋結(jié)構(gòu)表面上附著的海洋生物會(huì)影響導(dǎo)管架平臺(tái)的腐蝕作用。對(duì)于鈍態(tài)金屬而言,這些生物附著在金屬表面,阻礙了維持鈍態(tài)所必需的氧氣的供應(yīng)。對(duì)于活性金屬而言,生物附著可以減少腐蝕破壞。生物附著引起的腐蝕破壞強(qiáng)度隨著所處地理位置的不同而不同。在熱帶海域,全年都可以產(chǎn)生生物附著,在北極海域則不會(huì)有生物附著情況。
對(duì)于海洋環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕,無(wú)論是實(shí)驗(yàn)檢測(cè),還是生產(chǎn)實(shí)踐,都顯示出了很強(qiáng)的規(guī)律性。根據(jù)腐蝕特點(diǎn)和平均腐蝕速率不同,一般將其劃分為5個(gè)區(qū)域:大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū),如圖3所示。對(duì)于大氣區(qū)、飛濺區(qū)和潮差區(qū),目前主要采用涂漆或保護(hù)層的方法來(lái)減緩腐蝕速率;對(duì)于全浸區(qū)和海泥區(qū),則主要采用陰極保護(hù)的方法。
圖3 海洋平臺(tái)腐蝕區(qū)域劃分示意圖
導(dǎo)管架平臺(tái)一般采用重防腐涂裝系統(tǒng)[4],通常涂層厚度小于1000μm,設(shè)計(jì)防腐壽命15年。對(duì)于飛濺區(qū),一般采用玻璃鱗片環(huán)氧耐磨涂層(涂層厚度750~1000μm),面漆顏色由業(yè)主指定。渤海海域主樁式導(dǎo)管架材用的涂裝系統(tǒng)如下:
3.1.1 系統(tǒng)A
系統(tǒng)A適用于飛濺區(qū)的結(jié)構(gòu)物表面,包括導(dǎo)管架腿、泵護(hù)管、電纜護(hù)管、隔水套管、靠船件和(登船)平臺(tái)等,具體如表1所示。
表1 系統(tǒng)A涂裝系統(tǒng)
3.1.2 系統(tǒng)B
系統(tǒng)B適用于飛濺區(qū)以上(大氣區(qū))導(dǎo)管架腿、泵護(hù)管、電纜護(hù)管、隔水套管和(樓梯)平臺(tái)等,具體如表2所示。
3.1.3 系統(tǒng)C
系統(tǒng)C適用于所有表面鍍鋅的格柵,具體如表3所示。
陰極保護(hù)方法可分為兩種:犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。對(duì)于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是最常用的方法,下面以某設(shè)計(jì)年限為20年的海洋平臺(tái)導(dǎo)管架為例,介紹陽(yáng)極塊的設(shè)計(jì)方法。
表2 系統(tǒng)B涂裝系統(tǒng)
表3 系統(tǒng)C涂裝系統(tǒng)
(1)環(huán)境條件參數(shù):海水的電阻率(ρ)為23Ω·cm;海水溫度為-1.2~28.5℃;碳鋼和低合金鋼保護(hù)電位為-0.8V(Ag/AgCl參比電極,介質(zhì)海水)。
保護(hù)電流密度和總保護(hù)電流(Ic)分別見(jiàn)表4和表5。
表4 保護(hù)電流密度數(shù)據(jù)表 mA/m2
表5 總保護(hù)電流數(shù)據(jù)表 A
(2)陽(yáng)極塊參數(shù):陽(yáng)極塊需符合GB/T 4948-2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極》的要求,本文選用陽(yáng)極塊參數(shù)信息如下:類(lèi)型為長(zhǎng)條形(見(jiàn)圖4);毛重(Wg)384.0kg;凈重(Wn)291.4kg;利用率(u)為 0.9;陽(yáng)極塊平均電容量(ε)為2000A·hr/kg。
圖4 陽(yáng)極塊類(lèi)型
(3)每個(gè)陽(yáng)極提供的初始電流:驅(qū)動(dòng)電壓(E)為0.25V;陽(yáng)極塊初始電阻率(Ra)為0.044Ω;初始電流(Ia)為5.7A。
(4)每個(gè)陽(yáng)極提供的末期電流:驅(qū)動(dòng)電壓為0.25V;陽(yáng)極塊末期電阻率為0.058Ω;末期電流為4.3A。
(5)陽(yáng)極需求數(shù)量(n)需滿(mǎn)足以下條件:
第一,滿(mǎn)足平均需求電流折算的總安時(shí)數(shù)要求,見(jiàn)式(1)。
n×Wn×ε×u≥Ic(平均)×Tf×8760 (1)
即,n≥455.9×20×8760/(291.4×2000×0.9)=151塊。
第二,滿(mǎn)足初始、末期所需電流強(qiáng)度要求,見(jiàn)式(2)。
n×Ia(初期/末期)≥Ic(初期/末期) (2)
即:初期 n≥780.5/5.7=137塊;末期 n≥576.6/4.3=134塊。
在工程中,陽(yáng)極塊一般成對(duì)布置且稍有富余量,因此結(jié)合結(jié)構(gòu)圖紙,選定陽(yáng)極塊數(shù)量為150塊。
導(dǎo)管架平臺(tái)腐蝕應(yīng)考慮其影響因素和控制方法,再對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的防腐設(shè)計(jì),如防護(hù)涂層和陰極保護(hù)等,從而保證其設(shè)計(jì)的合理性,為海上生產(chǎn)的順利進(jìn)行,以及作業(yè)人員的安全打下基礎(chǔ)。