海上平臺設施設備腐蝕狀況研究

丁 可

(舟山五洲船廠，浙江舟山 316000)

海上平臺主要指相對固定于海上一段時間或一個時期的石油鉆井平臺，其工作特點是部分設施浸入海水，部分設備暴露于空氣當中，由于受海水電解質(zhì)的長期作用和空氣氧化作用，使設備遭受腐蝕，影響其使用壽命及安全性，給生產(chǎn)單位造成極大的經(jīng)濟損失。各國關于防腐蝕的研究和嘗試從未間斷，我國也投入了大量的人力、物力進行海上作業(yè)平臺防腐蝕的研究和實踐，并取得了有效的成果。作為一名船舶行業(yè)人員，為了使建造的船舶和作業(yè)平臺壽命和安全性能更好，有必要對防腐蝕問題進行研究探索。

1 海上平臺的腐蝕情況

最近我國對金屬腐蝕損失的統(tǒng)計表明，腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民經(jīng)濟的3%，而船舶和石油鉆井平臺的腐蝕經(jīng)濟損失更是高達6%。同時，由于設備腐蝕造成的停工停產(chǎn)、事故危險系數(shù)的增加和海洋環(huán)境的污染等損失，就更無法計算了。

油水輸送管道是海洋平臺生產(chǎn)中的重要設施之一，在潮濕、鹽霧環(huán)境下，由于材料及工藝原因，管道不能耐受強腐蝕性環(huán)境，且以前大范圍采用的鹽棉保溫方式，導致因下雨存水使管線銹蝕嚴重。同時，隨著注水的見效，油井含水逐漸升高，含有高礦化度流動介質(zhì)的輸油管道、閘門銹蝕嚴重。另外，由于油田注水采用的是海水水源，導致部分注水管線銹蝕嚴重。因此，工藝管道、閘門普遍存在嚴重的內(nèi)外腐蝕，甚至有腐蝕穿孔的危險，嚴重威脅著平臺生產(chǎn)安全。目前海上平臺所使用的設備由于材質(zhì)、焊接工藝等主觀原因，在海上特定的腐蝕性客觀條件下，腐蝕情況表現(xiàn)出多樣性和復雜性特點。海上平臺本體結構、諸多管線、閘門以及輔助設施銹蝕嚴重，腐蝕穿孔和斷裂的危險情況經(jīng)常發(fā)生，嚴重威脅著海上平臺生產(chǎn)安全。

2 海上平臺腐蝕機理

自然界大多數(shù)金屬通常以化合物的形式存在。金屬腐蝕實質(zhì)上是金屬從高自由能向低自由能恢復，實現(xiàn)其物質(zhì)穩(wěn)定狀態(tài)的過程。金屬釋放能量就是腐蝕的動力。從高自由能向低自由能轉(zhuǎn)換的趨勢就是腐蝕發(fā)生的傾向，只有某些金屬表面被致密的氧化膜覆蓋才相對阻止了氧化的進一步發(fā)生。因此，腐蝕過程不僅取決于腐蝕反應的自由能變化，還應考慮腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)以及腐蝕產(chǎn)物在該介質(zhì)中的穩(wěn)定性。另外，由于各種金屬本身的活潑性不同，形成電位的高低不同，在電解質(zhì)的離子導通下造成某些金屬變成離子進入介質(zhì)溶入電解質(zhì)溶液，使金屬質(zhì)量損耗。金屬的電極電位越低，表示金屬越容易離子化，越不耐腐蝕。

2.1 金屬腐蝕速度的表示方法

金屬遭受腐蝕，其質(zhì)量、尺寸和金相組織都發(fā)生一系列的變化，測量這些物理量的變化值，可以判明金屬被腐蝕的速度大小。

1)金屬在被腐蝕后其質(zhì)量往往減輕，金屬在單位表面積和單位時間內(nèi)的質(zhì)量變化值如下:式中:V-為金屬失重速度，g/(m2·h);m0、m1表示金屬腐蝕前后的質(zhì)量;S、T表示腐蝕面積、腐蝕時間。

2)金屬被腐蝕后造成金屬材料厚度減少，公式如下:

式中:VL為金屬腐蝕深度;ρ為金屬的密度。

3)金屬被腐蝕后由于其金相結構發(fā)生變化，其電阻阻值也發(fā)生變化。公式如下:

式中:R0、R1為金屬被腐蝕前后的電阻值。

2.2 化學腐蝕機理

金屬與周圍介質(zhì) (非電解質(zhì))直接作用發(fā)生化學反應引起的破壞稱為化學腐蝕，也叫氧化反應。化學腐蝕又可分為氣體腐蝕和有機介質(zhì)腐蝕。

1)氣體腐蝕是指在干燥氣體中的腐蝕。主要是指金屬與周圍氧化劑氣體發(fā)生直接作用，形成氧化物的過程。鋼結構海上鉆井平臺，生成的氧化物主要含F(xiàn)e2O3、Fe3O4和FeOoFe203、Fe3O4組成的致密氧化膜能保護內(nèi)部金屬進一步被氧化，而FeO結構疏松，極易形成進一步的氧化反應。

2)有機介質(zhì)腐蝕是指金屬在不導電的有機介質(zhì)中發(fā)生的腐蝕。這類腐蝕理論上比較輕微，但是由于介質(zhì)中含水或無機鹽而使金屬的化學腐蝕變?yōu)殡娀瘜W腐蝕，加劇了腐蝕的程度。

2.3 電化學腐蝕機理

金屬表面與離子導電的電解質(zhì)發(fā)生電化學作用而產(chǎn)生的破壞稱為電化學腐蝕。電化學腐蝕過程中伴有電流產(chǎn)生。是海上平臺典型的腐蝕形式之一，電化學腐蝕有以下幾種形式。

1)電偶腐蝕。2種活潑性不同的金屬物質(zhì)放入電解質(zhì)溶液中，由于金屬物質(zhì)表面失去電子的傾向不同，就構成了簡單的電池，使性質(zhì)活潑的金屬失去電子變成離子進入溶液而被腐蝕。

2)氧濃差腐蝕。同一種金屬物質(zhì)部分暴露于空氣中、部分被水或泥土掩埋，導致金屬物周圍空間的氧濃差不同，形成電位的高低，進而形成微電池。

3)石墨化腐蝕。金屬在冶煉過程中加入的石墨與金屬本身，由于電位不同而構成微電池。

4)應力腐蝕。金屬零件在一定的應力和特定的介質(zhì)共同作用下，形成電位不同的微電池。

5)晶間腐蝕。金屬晶間組織不同或不均勻，形成電位高低的微電池。

6)海水腐蝕。海水是典型的電解質(zhì)溶液，組成海上作業(yè)平臺的金屬存在各種差異，可以形成微觀電池，也可能形成宏觀電池。

3 影響腐蝕的主要因素

海上作業(yè)平臺的棧橋、甲板、上部組塊、平臺上保溫管線、閥門支座及附屬構件及配電間。由于海鹽 (特別是氯化鈣和氯化鎂)很容易吸水潮解，在金屬表面形成一層導電性良好的薄薄的液膜，導致電化學腐蝕。腐蝕速度取決于空氣濕度、降水量、溫度、各種污染雜質(zhì)和水的聚集狀態(tài)。

水上基盤導管架腿、拉桿、支撐、防沉板、抗冰隔水管及附件，管線支吊架及附屬構件，平臺樁腿鋼表面，由于在潮濺區(qū)經(jīng)常與充氣良好的海水接觸，使緊貼樁腿表面上的液膜長期保持，氧濃度高，由于氧是良好的去極化劑，形成了氧去極化電化學腐蝕。而且，由于風浪的影響、冬季浮冰沖擊，導致嚴重的腐蝕。

平臺在全浸區(qū)的腐蝕受到溶解氧、鹽類濃度、海洋生物、海水溫度、海水深度等的影響。在厚度約1 m的表層海水中含氧最多，含氧量隨著深度的增加先是緩慢降低，然后急劇下降，腐蝕速度降低;一般隨海水鹽度增加，電導增加，腐蝕速度增加;海水流速增大，有利于氧的去極化過程，沖刷帶走腐蝕產(chǎn)物，不斷給陰極供氧，腐蝕速度增大。一般情況下，平臺在海水中的腐蝕速度為0.08～0.20 mm/a，但是容易發(fā)生嚴重的局部腐蝕和腐蝕疲勞，引起平臺結構的破壞。對于部分埋在海底部分裸露在海水中的樁腿和海管，由于氧濃差電池作用，將加快埋在海泥中樁腿、海管的腐蝕。

4 防止或減輕海上平臺腐蝕的措施

防止化學腐蝕，可以根據(jù)化學腐蝕的機理在金屬表面覆蓋防護膜或電鍍防護層等處理，另外選擇抗腐蝕材料也是一種有效途徑。防止電化學腐蝕的最基本原則就是破壞產(chǎn)生電化學腐蝕的條件。因此為了減輕海上作業(yè)平臺的腐蝕，提出以下防護措施。

1)在操作成本允許的情況下進一步優(yōu)選防腐涂料及設備材質(zhì)，把好入口關。

2)對腐蝕率超過20%的管線應考慮予以更換，以防止管線刺漏和污染事故的發(fā)生。

3)對保溫層損壞、銹蝕嚴重的及時修復，對多年不動流程上可采取福樂斯夾克保溫系統(tǒng)。

4)在考克等多動部件上采用不銹鋼部件，在整個流程上采用電極保護。以犧牲陽極陰極保護法作為平臺、海管保護的重要措施實施到位。對陰極保護電位來說，存在著最佳保護電位。不同的陰極保護規(guī)范，保護標準往往不完全相同。

5)對平臺管線流程要有計劃的、定期的、隨機的檢測與監(jiān)測。平臺大氣區(qū)及潮濺區(qū)的檢測包括:對防腐層進行目測和對裂痕等進行仔細的非破壞性檢測，全浸區(qū)的檢測在專用工作船上，利用遙控潛水器和聘任的潛水員分別進行一般的目測和詳細的無損傷檢查。遙控潛水器可以對整個結構明顯的損傷、結構異常和腐蝕進行掃描。在預選區(qū)進行保護電位測定及陽極損耗的目測，進行超聲波厚度檢測。而海底管線的定期檢測則更是有著嚴格而又高技術含量的規(guī)范要求。

6)進行平臺、海管剩余壽命的預測。對處于強腐蝕性海洋環(huán)境中的海洋平臺，不僅投資巨大，而且它的可靠性直接關系到油田和工作人員的安危，海底管線是否可靠關系到是否會發(fā)生溢油或天然氣泄露，導致環(huán)境污染或引發(fā)爆炸、火災事故。因此，開展平臺腐蝕的在線檢測/評價/維修保養(yǎng)，進行平臺和海管的剩余壽命預測非常重要。

海上作業(yè)平臺遭受腐蝕是必然的，但可以根據(jù)產(chǎn)生腐蝕的機理采取有效的措施減輕腐蝕，保障海上作業(yè)的安全性和可靠性。

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