牛 童 王基威

中國石油天然氣第一建設有限公司 河南洛陽 471023

海洋環(huán)境下的金屬由于長期受到高濕度、高鹽度、強烈紫外線、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）田勘探開發(fā)工作的不斷深入，海洋平臺和海底管線等陸續(xù)服役，腐蝕問題也越發(fā)成為影響油（氣）田生產安全的主要因素之一。大多數(shù)金屬因熱力學穩(wěn)定性及材料電化學不均勻性等原因，不可避免地會發(fā)生腐蝕，但我們可以通過某些方式來減緩腐蝕的速率。

1 導管架平臺腐蝕概述

金屬腐蝕的原因有多種，其中最廣泛、最常見的是電化學腐蝕。電化學腐蝕是指金屬表面與電解質接觸發(fā)生電化學反應而產生的破壞。反應過程中陽極（原電池負極）發(fā)生氧化反應并溶解，而陰極（原電池正極）也會伴隨發(fā)生相應還原反應[2]。

負極：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。全面腐蝕指整個金屬表面發(fā)生均勻腐蝕。而局部腐蝕包括晶間腐蝕、點腐蝕、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；點腐蝕指在金屬表面分散發(fā)生的腐蝕，通常點蝕孔徑小于1mm；電偶腐蝕指兩種金屬相互接觸于電解質水溶液時發(fā)生的類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生的腐蝕現(xiàn)象。

2 導管架平臺腐蝕的影響因素及其控制措施

2.1 影響因素

影響導管架平臺腐蝕的因素有三類，即化學因素、物理因素和生物因素[3]。

2.1.1 化學因素

溶解氧氣的含量是影響導管架平臺腐蝕性的重要因素。氧氣的含量隨著結構所處位置、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。其中活性金屬在金屬表面不會形成具有保護性的氧化膜，所以氧氣濃度越高腐蝕破壞就會越嚴重；鈍態(tài)金屬在金屬表面會形成具有保護性的氧化膜。另外，二氧化碳也會增加海水的腐蝕性。圖1給出腐蝕速度與溶解氧濃度的關系。

圖1 腐蝕速度與溶解氧濃度的關系

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。因為，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系。

圖2 腐蝕速度與流速的關系

2.1.3 生物因素

海洋結構表面上附著的海洋生物會影響導管架平臺的腐蝕作用。對于鈍態(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。對于活性金屬而言，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，全年都可以產生生物附著，在北極海域則不會有生物附著情況。

2.2 控制方法

對于海洋環(huán)境下的鋼結構腐蝕，無論是實驗檢測，還是生產實踐，都顯示出了很強的規(guī)律性。根據(jù)腐蝕特點和平均腐蝕速率不同，一般將其劃分為5個區(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層的方法來減緩腐蝕速率；對于全浸區(qū)和海泥區(qū)，則主要采用陰極保護的方法。

圖3 海洋平臺腐蝕區(qū)域劃分示意圖

3 導管架平臺防腐設計

3.1 防護涂層

導管架平臺一般采用重防腐涂裝系統(tǒng)[4]，通常涂層厚度小于1000μm，設計防腐壽命15年。對于飛濺區(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)的結構物表面，包括導管架腿、泵護管、電纜護管、隔水套管、靠船件和（登船）平臺等，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)）導管架腿、泵護管、電纜護管、隔水套管和（樓梯）平臺等，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

陰極保護方法可分為兩種：犧牲陽極陰極保護和強制電流陰極保護。對于導管架結構來說，犧牲陽極的陰極保護法是最常用的方法，下面以某設計年限為20年的海洋平臺導管架為例，介紹陽極塊的設計方法。

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電位為-0.8V（Ag/AgCl參比電極，介質海水）。

保護電流密度和總保護電流（Ic）分別見表4和表5。

表4 保護電流密度數(shù)據(jù)表 mA/m2

表5 總保護電流數(shù)據(jù)表 A

(2)陽極塊參數(shù)：陽極塊需符合GB/T 4948-2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極》的要求，本文選用陽極塊參數(shù)信息如下：類型為長條形（見圖4）；毛重（Wg）384.0kg；凈重（Wn）291.4kg；利用率（u）為 0.9；陽極塊平均電容量（ε）為2000A·hr/kg。

圖4 陽極塊類型

(3)每個陽極提供的初始電流：驅動電壓（E）為0.25V；陽極塊初始電阻率（Ra）為0.044Ω；初始電流（Ia）為5.7A。

(4)每個陽極提供的末期電流：驅動電壓為0.25V；陽極塊末期電阻率為0.058Ω；末期電流為4.3A。

(5)陽極需求數(shù)量（n）需滿足以下條件：

第一，滿足平均需求電流折算的總安時數(shù)要求，見式（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，滿足初始、末期所需電流強度要求，見式（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，陽極塊一般成對布置且稍有富余量，因此結合結構圖紙，選定陽極塊數(shù)量為150塊。

4 結論

導管架平臺腐蝕應考慮其影響因素和控制方法，再對不同區(qū)域進行針對性的防腐設計，如防護涂層和陰極保護等，從而保證其設計的合理性，為海上生產的順利進行，以及作業(yè)人員的安全打下基礎。