海洋石油鉆井機械設(shè)備腐蝕因素及防治技術(shù)

張國磊(中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

海洋石油鉆井地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，石油鉆井機械在惡劣的環(huán)境中長期處于運行狀態(tài)，鉆井機械設(shè)備表面極易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。鉆井機械設(shè)備的腐蝕問題可導(dǎo)致設(shè)備性能退化，使用壽命降低，甚至出現(xiàn)運行故障和石油鉆井生產(chǎn)事故。為了預(yù)防和減緩腐蝕破壞，首先需要掌握海洋石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕原因，針對不同的腐蝕類型，通過相應(yīng)的防腐蝕技術(shù)和方法，阻斷和控制腐蝕過程，可大大降低故障及事故風險。

1 海洋環(huán)境腐蝕類型

海洋腐蝕是鉆井機械在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。海水是復(fù)雜的電解質(zhì)體系，同時海浪的沖擊、海洋微生物及其代謝產(chǎn)物等都會對機械設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用。海洋腐蝕主要是局部腐蝕，即從機械構(gòu)件表面開始的小區(qū)域腐蝕，如點腐蝕、縫隙腐蝕等。海洋石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕原因不盡相同，腐蝕類型主要有化學腐蝕、生物腐蝕、力學作用腐蝕和電化學腐蝕。

1.1 化學腐蝕

化學腐蝕指金屬與化學物質(zhì)接觸時發(fā)生化學反應(yīng)而被氧化腐蝕的過程[1]。海洋鉆井機械設(shè)備的化學腐蝕通常為硫化物、氯化物、環(huán)烷酸腐蝕，利用腐蝕后的鉆井機械開采石油時，機械設(shè)備會與其發(fā)生化學反應(yīng)，加速石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕。一般情況下，化學反應(yīng)速率會隨溫度的升高而加快。因此，南海的海洋環(huán)境及溫度對鉆井機械設(shè)備的化學腐蝕影響更為明顯。

1.1.1 硫化物

海洋石油鉆井過程中，會出現(xiàn)硫化氫和多硫化物腐蝕。石油鉆井過程中，多硫化物會附著在鉆井機械設(shè)備表面，多硫化物具有氧化性，在酸性環(huán)境中不穩(wěn)定，易與海洋或空氣中的水反應(yīng)分解生成硫化氫，硫化氫具有較強的還原性，可與設(shè)備表面保護材料發(fā)生化學反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。

1.1.2 氯化物

海水和海泥中含有較多的氯化物，原油中含有大量的水分，在海洋石油開采過程中，鉆井機械會與海水、海泥及原油中的氯化物接觸，造成石油鉆井機械發(fā)生嚴重腐蝕。此外，氯化物在一定條件下可以生成鹽酸等酸性物質(zhì)，與石油鉆井機械發(fā)生化學反應(yīng)，從而造成更為嚴重的腐蝕。

1.1.3 環(huán)烷酸

環(huán)烷酸，別名石油酸，是石油化工中環(huán)戊烷單環(huán)衍生物的混合物，為原油中有機酸的總稱。環(huán)烷酸黏度大，為弱酸性化合物，具有強腐蝕性。環(huán)烷酸幾乎不溶于水，易溶于石油醚、乙醇等有機溶劑。在鉆井過程中，機械設(shè)備的鐵、鋅、鉛等金屬可以與環(huán)烷酸發(fā)生反應(yīng)，造成材料元件發(fā)生嚴重腐蝕，降低運行質(zhì)量與安全性。

1.2 生物腐蝕

海洋生物腐蝕指海洋微生物如細菌等附著于金屬表面并棲息繁殖，破壞鍍膜和防腐蝕涂層，從而產(chǎn)生的局部腐蝕現(xiàn)象。海洋生物腐蝕通常發(fā)生在在平均低潮線以下半米至一米處，這一區(qū)域的溶解氧充分、水溫較高、海生物繁殖快。海洋微生物沉積在不銹鋼表面，不銹鋼在缺氧的環(huán)境中鈍化形成閉塞電池，從而導(dǎo)致腐蝕電位提高，大大增加了石油鉆井機械設(shè)備的局部腐蝕速度。微生物能夠顯著影響鑄鐵塊的腐蝕進程，硫酸鹽還原細菌可以在無氧條件下產(chǎn)生硫化物，從而引起金屬的腐蝕。此外，一些細菌還可以釋放NH3和H2S，亦具強腐蝕性。

1.3 力學作用腐蝕

金屬在流體沖刷下會發(fā)生一定程度的腐蝕，叫力學作用腐蝕。不同環(huán)境因素和材料性質(zhì)對力學作用腐蝕機理的影響規(guī)律不同[2]。海洋力學因素對腐蝕速率有一定的影響，在浪花飛濺區(qū)，波、浪、潮、流對金屬構(gòu)件產(chǎn)生低頻往復(fù)應(yīng)力和沖擊，破壞金屬的保護膜，是海洋鉆井機械設(shè)施腐蝕最嚴重的區(qū)域。同時，海風和海流可加速鉆井機械設(shè)備的腐蝕速率。潮差區(qū)的潮汐、海流運動造成金屬表面干濕交替，從而加劇腐蝕[3]。當深度超過30 m時，海水流速低，金屬腐蝕顯著減輕。

1.4 電化學腐蝕

在海洋石油鉆井機械腐蝕現(xiàn)象中，電化學腐蝕最為常見。電化學腐蝕指電解質(zhì)溶液與金屬接觸時，發(fā)生原電池反應(yīng)而造成的腐蝕現(xiàn)象。在海水與海泥交界處下方的區(qū)域，容易產(chǎn)生海泥海水腐蝕電池。在潮濕的海洋環(huán)境中，NO2等氣體溶解在機械元件表面的水膜中形成電解質(zhì)溶液，機械元件極易形成陽極為鐵，陰極為雜質(zhì)的腐蝕電池。陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，使陽極發(fā)生溶解；陰極發(fā)生還原反應(yīng)[4]，海水腐蝕是氧的去極化腐蝕，在靜止狀態(tài)或海水流速不大的情況下，陰極過程受氧的擴散速率控制。海洋石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕形態(tài)初期主要為點蝕，點蝕程度隨著時間的增長而逐漸減輕。合金中的鐵與雜質(zhì)均勻接觸，導(dǎo)致電化學腐蝕不斷進行。

2 海洋石油鉆井機械設(shè)備的主要腐蝕防治措施

海洋石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕原因復(fù)雜，為了保障海上平臺的安全生產(chǎn)，石油企業(yè)應(yīng)充分利用鉆井機械設(shè)備防腐蝕技術(shù)，防患于未然。機械設(shè)備出現(xiàn)腐蝕之后，及時對腐蝕面進行處理也可以一定程度上控制腐蝕程度的加劇。目前，針對海洋石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕防治措施主要有：使用耐腐蝕鉆井機械材料、在鉆井機械設(shè)備表面涂抹防腐蝕涂料、電鍍防腐蝕、電化學防腐蝕技術(shù)、放置緩蝕劑等。

2.1 耐腐蝕鉆井機械材料

石油鉆井機械設(shè)備的主體材料是防腐蝕技術(shù)的核心問題，選擇耐腐蝕材料可以從根本上解決鉆井機械設(shè)備的腐蝕問題。海洋石油中的環(huán)烷酸、硫化物、氯化物等成分易與鐵反應(yīng)，因此在選擇石油鉆井機械材料時，應(yīng)選擇不銹鋼材料，避免選擇易生銹的鐵材料。按金屬元素含量的不同，不銹鋼可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼。奧氏體不銹鋼耐腐蝕范圍最廣，其中最常用的316 ss材料含鉻、鎳、鉬元素，耐酸堿腐蝕。除金屬外，還有其他耐腐蝕材料。例如，聚四氟乙烯被廣泛地用作設(shè)備連接處的密封材料和填充材料。

2.2 防腐蝕涂料

海洋石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕情況多發(fā)生于機械設(shè)備的表面。因此，在石油鉆井機械表面涂抹防腐蝕涂料，可有效控制機械設(shè)備的腐蝕速度?？垢g涂料能有效的避免化學物質(zhì)與鉆井機械設(shè)備表面反應(yīng)出現(xiàn)的腐蝕問題。海洋石油鉆井機械防腐蝕涂料主要分為底漆、中漆、面漆三層，目前常用的為無機聚合物涂料等。環(huán)氧富鋅漆(底漆)具有良好的耐油性、耐干濕交替鹽霧，適用于海洋環(huán)境。環(huán)氧樹脂漆(中漆)具有良好的耐堿腐蝕特性，耐磨損、耐油、耐海水，漆膜具有良好的彈性和硬度。聚氨酯漆(面漆)即聚氨基甲酸酯漆，具體良好的附著力，同時耐化學腐蝕、耐油、耐磨，漆膜韌性好。底、中、面各自發(fā)揮特長，涂層耐腐蝕性優(yōu)異。

2.3 電鍍和熱鍍防腐蝕

目前，電鍍和熱鍍是重要的鉆井機械設(shè)備表面防腐蝕技術(shù)。電鍍是在鉆井機械設(shè)備表面鍍一層金屬或合金的過程，以防止鉆井機械設(shè)備表面與海水、海洋大氣和酸堿物質(zhì)等發(fā)生反應(yīng)，從而起到防腐蝕作用。電鍍防腐蝕技術(shù)的鍍層材料有鎳、鋅、鉻、銅、鈦等；基體材料以鋼、不銹鋼或鑄鐵為主，也有非鐵金屬和ABS塑料等。熱鍍是一種將金屬浸入熔融液態(tài)金屬或合金中以獲得涂層的工藝技術(shù)，涂層較厚，防腐蝕效果優(yōu)于電鍍。鍍層具有犧牲陽極保護基體材料的作用，電鍍和熱鍍的結(jié)合可以大大延長鋼在海洋環(huán)境中的使用壽命。

2.4 電化學防腐蝕

電化學防腐蝕技術(shù)主要用于氯離子腐蝕導(dǎo)致的鋼筋銹蝕。氯離子來自于混凝土、海水等。海洋石油鉆井機械設(shè)備的電化學防腐蝕是基于電化學原理，對機械設(shè)備采取措施使其成為腐蝕電池中的陰極，從而有效地防止金屬腐蝕的方法。電化學防腐蝕技術(shù)包括陰極保護、電化學再堿化、電化學除氯。其中，電化學再堿化技術(shù)和電化學除氯防腐蝕技術(shù)更適用于以土壤為電解質(zhì)的金屬腐蝕，一般用于混凝土外部施工時。陰極保護分為犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極法是依靠電位負于被保護對象的金屬，使其通過犧牲自身而為保護對象提供電流，在電解質(zhì)環(huán)境中形成相應(yīng)的保護回路，更適用于海洋石油鉆井機械設(shè)備的防腐蝕。

2.5 緩蝕劑防腐蝕

在于海洋石油鉆井機械運行環(huán)境中，緩蝕劑可以與海洋石油中的腐蝕性物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，有效減輕原油中的雜質(zhì)對鉆井機械設(shè)備表面的腐蝕[5]。根據(jù)化學成分，緩蝕劑可分為聚合物、有機和無機緩蝕劑。根據(jù)控制的部位進行分類，可分為混合、陰極和陽極緩蝕劑。其中，混合型緩蝕劑可以防止水中的溶解氧擴散到金屬表面；陰極緩蝕劑可與金屬表面上的陰極區(qū)域發(fā)生反應(yīng)形成保護膜；陽極緩蝕劑能夠與金屬離子發(fā)生作用，在海洋石油鉆井機械設(shè)備表面形成一層保護膜，可減緩機械設(shè)備表面的腐蝕。

3 結(jié)語

目前，我國海洋石油的開采占比遠遠小于陸地。一方面，海洋石油開采難度大于陸地；另一方面，海洋環(huán)境較陸地惡劣，石油鉆井機械設(shè)備的腐蝕程度也較陸地嚴重，無形中妨礙了海洋石油資源的深入開發(fā)。為充分利用鉆井機械設(shè)備，相關(guān)企業(yè)需要結(jié)合海洋石油鉆井機械防腐蝕技術(shù)，對相應(yīng)設(shè)備進行保護，做好鉆井機械設(shè)備腐蝕后治理工作，提升鉆井效率，增加海洋石油產(chǎn)量。