景寶強(qiáng)(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300459)

0 引言

在海洋石油開采工程大規(guī)模推進(jìn)的背景下，對鉆井機(jī)械設(shè)備防腐十分重要。受海洋石油特殊開采環(huán)境影響，鉆井機(jī)械設(shè)備時刻遭受海水介質(zhì)、潮濕空氣的腐蝕，一旦防腐不到位，機(jī)械設(shè)備承載能力將下降，無法達(dá)到設(shè)計壽命內(nèi)的運(yùn)行安全要求。

1 海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備防腐意義

1.1 延長機(jī)械設(shè)備使用壽命

海水侵蝕是影響海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備使用壽命的主要因素之一。針對海洋石油特殊環(huán)境，設(shè)置科學(xué)、恰當(dāng)?shù)你@井機(jī)械設(shè)備腐蝕防控方案，可以降低海水侵蝕效應(yīng)，延長海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備使用壽命并增強(qiáng)其設(shè)計壽命期內(nèi)的安全性能[1]。

1.2 確保海洋石油正常開采

近年來，隨著國家對海洋石油資源深入開發(fā)，在基本海洋石油生產(chǎn)系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上，人為加強(qiáng)海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕防范，可以避免鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕穿孔或泄漏影響海洋石油正常開采，確保開采效益。

2 海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕因素

2.1 生物腐蝕

硫酸鹽還原菌等海洋微生物是海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕的原因之一。在平均低潮線下0.5～1.0 m位置，因海水溫度較高，溶解氧充足，以硫酸鹽還原菌為代表的海洋微生物可以附著于鉆井機(jī)械平臺表面快速棲息、繁衍，直接破壞鉆井機(jī)械設(shè)備防腐涂層、鍍膜，引發(fā)局部腐蝕現(xiàn)象。部分硫酸鹽還原菌可以在無氧條件下產(chǎn)生硫化物，不銹鋼材質(zhì)鉆井機(jī)械設(shè)備則在缺氧環(huán)境下鈍化，以閉塞電池存在，提升腐蝕電位，引發(fā)劇烈的腐蝕反應(yīng)。

2.2 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕的主要因素，特指海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備與硫化物、環(huán)烷酸、氯化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被氧化腐蝕的過程。特別是在高溫高壓環(huán)境下，海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備與氯化物、環(huán)烷酸、硫化物的反應(yīng)過程加快，相應(yīng)的化學(xué)腐蝕影響也更加顯著。其中硫化物包括硫化氫、多硫化物，多硫化物可附著在鉆井機(jī)械設(shè)備表面，附著物在酸性環(huán)境內(nèi)不穩(wěn)定，可與海洋中水反應(yīng)分解為強(qiáng)還原性硫化氫，進(jìn)一步與鉆井機(jī)械設(shè)備進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕問題。環(huán)烷酸是石油中有機(jī)酸，具有強(qiáng)腐蝕性、高黏度、弱酸性，可以在鉆井期間與鐵、鋅、鉛元素組成的機(jī)械設(shè)備元件發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致元件腐蝕；氯化物大量存在于海水、海泥中，可以在海洋石油開采期間與鉆井機(jī)械接觸引發(fā)嚴(yán)重腐蝕。

2.3 物理腐蝕

在海洋石油工程中，流體沖刷長期、大量存在。流體沖刷過程中，潮、流、波、浪均會對鉆井機(jī)械設(shè)備構(gòu)件產(chǎn)生低頻次、往復(fù)沖擊應(yīng)力，直接破壞鉆井機(jī)械設(shè)備表層保護(hù)膜。同時，潮差區(qū)潮汐、海上船舶行駛、海洋生物游動、海流運(yùn)動、海風(fēng)均會造成鉆井機(jī)械設(shè)備表面干燥與濕潤交替，加劇鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕[2]。

除力學(xué)作用外，電化學(xué)腐蝕也大量存在于海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備中。特別是在海水、海泥交界位置下方，二氧化氮等氣體溶解于鉆井機(jī)械設(shè)備表面水膜內(nèi)，形成電解質(zhì)溶液，鉆井機(jī)械設(shè)備則作為陽極與作為陰極的雜質(zhì)形成腐蝕電池，陽極氧化溶解，加劇去極化連續(xù)腐蝕。

3 海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕防治技術(shù)

3.1 優(yōu)選機(jī)械設(shè)備主體材料

海洋環(huán)境鹽濃度高、富含氧氣與海洋微生物、宏生物，加之陽光照射、海浪沖擊以及未脫水、脫二氧化碳、硫化氫的油氣介質(zhì)是典型的二氧化碳、硫化氫、氯離子共存環(huán)境，對接觸的材料具有顯著的腐蝕作用，腐蝕形態(tài)涉及應(yīng)力腐蝕、點狀腐蝕、均勻腐蝕、腐蝕疲勞、微生物腐蝕、硫化氫/二氧化碳腐蝕、腐蝕磨損等。因此，選擇適宜的機(jī)械設(shè)備主體材料，可以從源頭防控海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕問題。在海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備主體材料選擇時，技術(shù)人員應(yīng)避免選擇易與硫化物、環(huán)烷酸、氯化物等成分反應(yīng)的鐵質(zhì)材料，而是優(yōu)選不銹鋼材料。根據(jù)不銹鋼金屬元素含量差異，耐腐蝕范圍也具有一定差異，技術(shù)人員可以依據(jù)耐酸堿腐蝕范圍廣的要求，選擇316ss 材料或其他類似材料[3]。316ss 材料是含鉬不銹鋼，總體性能優(yōu)于310 不銹鋼、304 不銹鋼，高溫條件下316ss 具有優(yōu)良的抗氯化物侵蝕性能，硬度小于等于26，適用于海洋石油鉆井閥門部件。對海洋石油鉆井用閥桿材料，可以根據(jù)NACE ME0175 的要求，選擇沉淀硬化型不銹鋼——17-4PH。17-4PH 是馬氏體不銹鋼，易于經(jīng)變動熱處理工藝調(diào)整強(qiáng)度級別，并在馬氏體相變中形成較佳的衰減性能、抗水滴性能，最終耐壓強(qiáng)度可達(dá)1 100 ～1 300 MPa，對大氣、稀釋酸、鹽環(huán)境具有良好抗腐蝕性，但不可用于溫度超出300 ℃的高溫環(huán)境。

海洋環(huán)境溫度并非恒定，海水溫度可隨季節(jié)、緯度、深度的變化而變化，油氣介質(zhì)溫度也隨著石油開發(fā)、地質(zhì)條件的變化而變化，北極地區(qū)海洋石油的油氣介質(zhì)溫度接近-60 ℃，新開發(fā)海洋石油的油氣介質(zhì)溫度超過100 ℃?；诖?，應(yīng)選擇高溫環(huán)境下耐熱性、抗蠕變性、高溫穩(wěn)定性較佳以及低溫環(huán)境下不易脆斷的材料作為海洋石油鉆井機(jī)械材料。比如，對新開發(fā)海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備連接位置，技術(shù)人員可以選擇聚四氟乙烯等耐腐蝕材料，達(dá)到有效防控鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕的目的。聚四氟乙烯是一種人工合成高分子材料，具有極低的摩擦系數(shù)與耐高溫、抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑特點。一般聚四氟乙烯熔點為327 ℃，熱變形溫度為55 ℃，熱分解溫度為415 ℃，無負(fù)荷最高使用溫度為260 ℃，線膨系數(shù)(垂直于壓力方向)為10.3×10-5/(20～60 ℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.256 W/(m·k)，摩擦系數(shù)(負(fù)荷2 MPa) 為0.11。同時，考慮到海洋石油鉆井設(shè)備承受嚴(yán)苛服役條件(荷載條件、環(huán)境條件)，易造成材料加速破壞，因此，應(yīng)根據(jù)要求嚴(yán)格設(shè)計海底石油鉆井機(jī)械鋼合金組分，落實低含碳量、低碳當(dāng)量、低含硫量、低含磷量標(biāo)準(zhǔn)，控制屈曲強(qiáng)度與鑄坯中心偏析、斷口分離、層狀撕裂，增強(qiáng)縱向拉伸性能與厚度方向均勻性、形變強(qiáng)化指數(shù)。比如，對深海石油鉆井隔水管，可以選擇API5LX80 鋼管，其最大拉伸強(qiáng)度達(dá)到825 MPa，最大屈曲強(qiáng)度為705 MPa，延伸率超過21%，可以適應(yīng)海洋石油鉆井嚴(yán)苛服役條件。

3.2 犧牲陽極的陰極保護(hù)技術(shù)

海洋石油鉆井環(huán)境較之近海工程更為復(fù)雜，對鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕防治技術(shù)提出了更高的要求。依據(jù)GB 4948—85《犧牲陽極的化學(xué)成分及電化性能》、GJB156—86《港工設(shè)施犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計和安裝》的相關(guān)要求，技術(shù)人員可以將犧牲陽極的陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用到海洋工程石油鉆井機(jī)械設(shè)備防腐中。海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備犧牲陽極的陰極保護(hù)由犧牲陽極、參比電極、測試電纜、測試裝置幾個部分組成。其中犧牲陽極系統(tǒng)由鋁合金(或鋅合金、鎂合金) 組成，鋁合金電容量較大，價格低廉，安裝費用、消耗量均較小，是海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備犧牲陽極陰極保護(hù)優(yōu)選材料。在犧牲陽極系統(tǒng)材料確定后，選擇長條狀、斷面呈梯形的陽極，并注入鍍鋅鐵腳。根據(jù)被保護(hù)機(jī)械設(shè)備表面大小，技術(shù)人員可以合理設(shè)置陽極數(shù)量，陽極在結(jié)構(gòu)上分布要合理(陽極緊密毗鄰焊接節(jié)點)、數(shù)量充足，從源頭規(guī)避焊接點保護(hù)不足、焊縫熱影響區(qū)腐蝕問題[4]。

在操作前，技術(shù)人員可以了解技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與安全須知。進(jìn)而由專業(yè)潛水員水下目視檢查并借助前期設(shè)計的測量繩在水下布線，水上人員則結(jié)合設(shè)計圖紙，進(jìn)行陽極精準(zhǔn)標(biāo)定。在標(biāo)定犧牲陽極系統(tǒng)后，技術(shù)人員可以依據(jù)ST2.5 潔凈度級別要求，清除海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備表面油脂、鐵銹氧化皮、污物、生長水生物。確定海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備潔凈度級別符合規(guī)范后，水上技術(shù)人員可以借助船上起重索具，沿著船上導(dǎo)向裝置將已編號犧牲陽極放置在預(yù)先設(shè)定位置，水下焊接陽極。焊接完畢后，測量保護(hù)電位，不需額外增加直流電源，僅利用犧牲陽極材料電位長時間保持負(fù)電位的電化學(xué)性能。比如，石油鉆井抽油桿、抽油管是海洋石油開采階段重要機(jī)械設(shè)備，受原油采出水、硫酸鹽還原菌、高溫高壓、硫化氫等多種腐蝕因素影響，腐蝕風(fēng)險較大，一旦處置不合理，將導(dǎo)致抽油管斷裂、泄漏問題，直接導(dǎo)致海洋石油停產(chǎn)。因此，技術(shù)人員可以將鋅鋁合金犧牲陽極塊捆扎在抽油桿扶正短節(jié)位置，配套設(shè)置尼龍扶正器，解決抽油桿磨損問題。

3.3 表層涂裝

在海洋石油工程中，常規(guī)機(jī)械設(shè)備海水腐蝕防范需要滿足15 年使用壽命要求(設(shè)計使用壽命為17 年)，飛濺區(qū)域內(nèi)防腐由機(jī)械設(shè)備首次維護(hù)時間確定，需要技術(shù)人員及時修補(bǔ)因外力破壞的區(qū)域，修補(bǔ)時間小于12 個月；水下區(qū)域內(nèi)防腐需要嚴(yán)格控制機(jī)械設(shè)備使用期間紫外線、海水、高溫腐蝕情況，且具備防外力破損(外力撞擊等)措施。常見的海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備防腐涂裝方法為熱浸鍍鋅、液體涂層、熱噴涂鋁、蒙乃爾耐蝕合金、氯丁橡膠涂層等，技術(shù)人員可以根據(jù)海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備防腐需要，合理選擇。

3.3.1 熱浸鍍鋅

對海洋石油工程中復(fù)雜的鉆井機(jī)械設(shè)備(大氣環(huán)境下使用)，技術(shù)人員可以選擇熱浸鍍鋅方法，經(jīng)過脫脂、水洗、除銹、助鍍、烘干、熱浸鋅、水冷等工藝，完成鍍鋅操作。

3.3.2 液體涂層

液體涂層是多道涂刷經(jīng)實驗室多次試驗驗證的防腐涂料[5]。具體操作時，為防控外部破壞力，技術(shù)人員應(yīng)選擇厚膜涂料處理海洋石油工程水下鉆井機(jī)械設(shè)備。首先，技術(shù)人員可以清理水下鉆井機(jī)械設(shè)備表面。確定表面潔凈度達(dá)標(biāo)后，技術(shù)人員可以根據(jù)國家海水防腐相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇具有電化學(xué)保護(hù)(或屏蔽、緩蝕保護(hù))作用的底漆，均勻涂覆2 遍及以上。

其次，技術(shù)人員可以根據(jù)海底環(huán)境惡劣特點，聚焦防碰撞與防腐要求，優(yōu)選耐堿腐蝕、耐海水腐蝕、耐磨損與耐油性能佳的環(huán)氧樹脂漆作為中間涂層，優(yōu)選附著力佳、耐化學(xué)腐蝕性能佳且漆膜韌性良好的聚氨基甲酸酯漆做二維面漆，增加關(guān)鍵部位中間涂層、面漆涂覆遍數(shù)。同時，在面漆選擇時，技術(shù)人員應(yīng)優(yōu)選易辨識的鮮艷顏色，如黃色，且面漆溶解性較差。

最后，在面漆涂覆完畢后，技術(shù)人員可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行表面處理，確保重點區(qū)域涂層表面通過可溶性鹽檢驗、粗糙度驗證。

3.3.3 熱噴涂鋁

對海洋石油工程中高溫鉆井機(jī)械設(shè)備，技術(shù)人員可以選擇熱噴涂鋁防腐方法，封閉處理，涂覆特殊顏色，有效防腐。一般熱噴涂熱源為電弧，溫度在5 000 ℃左右，產(chǎn)生熱量致使金屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向鉆井機(jī)械設(shè)備表面，形成涂層。在海洋環(huán)境中，噴涂材料不宜選擇鋅覆蓋層，可以選擇99%鋁，也可以選擇Zn-Al15、Al-Mg5 等鋁合金，獲得更加卓越的防護(hù)性能，延長鉆井機(jī)械設(shè)備使用年限[6]。

3.3.4 蒙乃爾耐蝕合金

對于海洋石油工程飛濺區(qū)鉆井機(jī)械設(shè)備，技術(shù)人員可以在1 mm 玻璃鱗片應(yīng)用的基礎(chǔ)上，選擇強(qiáng)抗海水腐蝕、抗海生物附著性能的蒙乃爾合金，涂覆3 mm左右，達(dá)到飛濺區(qū)機(jī)械設(shè)備防腐目的。

3.3.5 氯丁橡膠涂層

對海洋石油工程立管飛濺區(qū)鉆井機(jī)械設(shè)備，技術(shù)人員可以在400 μm 的 FBE 涂層防腐涂裝的基礎(chǔ)上，根據(jù)海上漂浮物機(jī)械沖擊防控、海上船舶撞擊防控要求，增設(shè)13～25 mm 氯丁橡膠涂層，避開現(xiàn)場節(jié)點，確保海洋石油工程立管飛濺區(qū)鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕防范效果良好。

4 結(jié)語

綜上所述，合理應(yīng)用腐蝕防治技術(shù)，可以確保海洋石油鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕速率下降，延長鉆井機(jī)械設(shè)備使用壽命。因此，技術(shù)人員要充分利用全部以往海洋石油工程腐蝕防治經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研發(fā)、創(chuàng)新鉆井機(jī)械設(shè)備腐蝕防治技術(shù)。根據(jù)海洋工程實際情況，合理應(yīng)用犧牲陽極的陰極保護(hù)技術(shù)、涂裝技術(shù)等，形成完備的保護(hù)層，確保鉆井機(jī)械設(shè)備達(dá)到設(shè)計壽命內(nèi)的安全運(yùn)行要求。