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。

1 導(dǎo)管架平臺(tái)腐蝕概述

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。

2 導(dǎo)管架平臺(tái)腐蝕的影響因素及其控制措施

2.1 影響因素

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。

2.2 控制方法

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

3 導(dǎo)管架平臺(tái)防腐設(shè)計(jì)

3.1 防護(hù)涂層

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。

3.2 陰極保護(hù)

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。

4 結(jié)論

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)。