海洋石油鉆井機械設備腐蝕因素及防治技術

雷航

中海油田服務股份有限公司天津分公司，天津，300459

0 引言

由于海洋石油開采環(huán)境比較潮濕，石油鉆井設備在這種環(huán)境下出現腐蝕問題的可能性比較大，腐蝕問題不但會使石油鉆井設備出現性能衰減，而且會縮短石油鉆井設備的實際使用年限，更甚至會由此發(fā)生嚴重的鉆井安全事故。因此石油開采單位需要認真研究鉆井機械設備出現腐蝕問題的根本原因，通過提前使用防腐蝕技術，減少設備出現被腐蝕的概率。

1 海洋石油鉆井機械設備出現腐蝕問題的主要類型

由于海水中電解質比較復雜，受到海浪沖擊影響，海洋中的微生物將會附著在機械設備表面，極易導致機械設備出現腐蝕問題，往往會造成石油鉆井設備出現局部腐蝕，機械設備表面位置發(fā)生的腐蝕問題主要涵蓋點腐蝕現象、縫隙腐蝕現象。從腐蝕原因的角度分析，可以將石油鉆井機械設備的腐蝕原因劃分為化學反應造成的腐蝕、生物導致的腐蝕問題、力學腐蝕、電化學造成的腐蝕。

1.1 化學腐蝕

化學腐蝕實際上是形容石油鉆井設備金屬表面發(fā)生氧化現象，導致氧化腐蝕問題。容易使海洋石油鉆井設備出現化學腐蝕現象的物質主要包括硫化物質、氟化物質。如果工作人員將已經存在腐蝕跡象的鉆井設備應用在石油開采工作，海洋石油鉆井設備將會和石油出現反應，可能會使石油鉆井設備的腐蝕速率下降。在溫度不斷提高的背景下，化學反應速度會隨之變快，由此可知海洋高鹽量環(huán)境、海水溫度都會導致石油鉆井設備出現嚴重的腐蝕問題。

1.1.1 硫化物導致的腐蝕問題

在海洋石油開采中使用鉆井設備，往往會受到海洋中硫化物質的腐蝕，在鉆井作業(yè)過程中，鉆井設備表層位置會附著一些硫化物，這些硫化物的含氧量比較高，在酸性環(huán)境中的穩(wěn)定性比較差，容易和海水以及空氣中的濕氣發(fā)生分解反應生成硫化氫組織，這種組織具有非常強的氧化還原能力，產生的氫原子被鋼鐵吸收后，能夠和鉆井設備表層材料發(fā)生化學反應，可能導致鋼材脆化，表面開裂從而造成腐蝕。

1.1.2 氯化物導致的腐蝕問題

海水和海泥中含有的氯化物數量相當多，原油含水量比較大，工作人員在進行海洋石油鉆井作業(yè)的過程中，鉆井設備會直接和含鹽量較高的海水、海泥以及原油接觸，極易導致海洋石油鉆井設備出現腐蝕問題。除此以外，氯化物、鹽酸在與鉆井設備接觸時發(fā)生化學反應，從而使海洋石油鉆井機械設備出現比較嚴重的腐蝕問題。

1.1.3 環(huán)烷酸導致的腐蝕問題

環(huán)烷酸也能夠被稱作石油酸，是環(huán)戊烷物質的一種衍生物，是原油有機酸的統(tǒng)稱。由于環(huán)烷酸的黏性比較強，是具有弱酸性的化合物，腐蝕能力比較強，再加上環(huán)烷酸不能完全溶于水中，可以在石油醚、乙醇中發(fā)生溶解反應。在海洋石油鉆井過程中，鉆井設備中的鐵元素、鉛元素會與環(huán)烷酸發(fā)生直接接觸發(fā)生化學反應，使得機械設備元件極易出現嚴重腐蝕問題，會直接降低石油鉆井設備的作業(yè)效率。

1.2 生物腐蝕

鉆井設備在開采海洋石油的過程中極易出現生物腐蝕問題，海水中的微生物——細菌會棲息在鉆井機械設備的金屬表面位置上，且會進行繁殖，將會直接對鉆井機械設備的鍍膜以及防腐蝕涂層產生破壞力，從而造成石油鉆井機械設備出現局部腐蝕問題。海洋生物腐蝕問題往往出現在低于平均海潮線1米的位置，該位置具有很多溶解氧，海水的溫度比較高，海中生物的繁殖速度比較快，海洋微生物聚集在鉆井機械設備的不銹鋼表面，使不銹鋼處于嚴重缺氧的環(huán)境中，從而導致不銹鋼出現鈍化問題，產生了相當于閉塞電池的物質，使得腐蝕電位急速增加，將會加快石油鉆井機械設備出現局部腐蝕現象的時間。

由于微生物的數量和鉆井設備鑄鐵材料腐蝕速度具有直接關聯，如果硫酸鹽處在無氧條件下，將會轉化硫化物，將會造成金屬出現腐蝕問題。除此以外，部分海洋細菌會釋放出氨氫物質和硫化氫，腐蝕性比較強，也會導致海洋石油鉆井機械設備出現腐蝕問題。

1.3 在力學作用下出現腐蝕問題

海洋石油鉆井設備金屬在長期經過流體沖擊后會出現腐蝕問題，此類腐蝕被稱為力學作用腐蝕問題。不同海洋環(huán)境對于不同金屬材料產生的腐蝕影響也存在差異，海洋力學對于腐蝕速度具有一定影響，在浪花飛濺比較嚴重的區(qū)域，波浪、海潮都會對機械設備的金屬構件產生循環(huán)往復的應力以及沖擊力，都會對金屬保護膜產生破壞影響，因此該區(qū)域是發(fā)生腐蝕問題最嚴重的區(qū)域。

與此同時，海洋風力等級、海水流動速度都關系著海洋石油鉆井設備的腐蝕速度，在存在潮差的位置會使石油鉆井機械設備金屬表面發(fā)生干濕交叉現象，將會使腐蝕問題愈演愈烈[1]。在海洋石油鉆井設備已經進入到深度達到30米的海洋環(huán)境中，該區(qū)域海水的流動速度比較慢，能夠減少鉆井設備表層受到腐蝕影響的面積。

1.4 電化學腐蝕

在開采海洋石油時，鉆井機械出現的所有腐蝕問題中，出現頻率最高的是電化學腐蝕問題。在出現電化學腐蝕時，一般是形容電解質已經和石油鉆井金屬表面出現直接接觸的時候，此時腐蝕狀態(tài)與原電池造成的腐蝕現象比較相似。在海洋環(huán)境中海水和海泥交界位置極易出現海泥、海水組成的腐蝕電池，在空氣濕度比較大的海洋環(huán)境中，二氧化氮會溶解在鉆井設備表面水層處，將會產生很多電解質容易，這時候機械元件能夠順利轉化成電池陽極，腐蝕區(qū)域即是電池陰極。

在陽極發(fā)生氧化反應的同時，鉆井設備腐蝕位置將會發(fā)生溶解問題，陰極將會發(fā)生氧化還原反應。海洋腐蝕問題即是形容海水幾乎靜止的時候、海水流動速度比較小的時候，陰極會受到氧氣擴散的影響，石油鉆井設備出現腐蝕問題時，初期會先出現一些點腐蝕問題，點腐蝕程度會隨著時間增加而減弱，此時石油鉆井設備合金中含有的鐵金屬會和海水雜質出現直接接觸，會發(fā)生持續(xù)的電化學腐蝕問題[2]。

2 海洋石油鉆井機械設備腐蝕問題的防治舉措

2.1 使用耐腐蝕機械材料

海洋石油鉆井機械設備的組裝原材料，是最需要開展防腐處理的位置，在生產加工時，應該運用一些耐腐蝕性能比較好的材料，能夠從加工階段降低鉆井設備發(fā)生腐蝕問題的可能性。海洋中含有的硫化物、氯化物極易和海洋石油鉆井設備的鐵金屬出現化學反應，因此相關工作人員在購置生產石油鉆井設備原材料的過程中，應該多購置一些耐腐蝕效果比較高的不銹鋼材料，盡量不要使用生銹概率比較大的鑄鐵材料。依照不銹鋼金屬含量大小劃分，可以將不銹鋼材料劃分為素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼等。

在所有不銹鋼材料中，奧氏體不銹鋼的耐腐蝕效果最佳，制作材料中大都涵蓋鎳材料、鉻材料，耐酸堿性能力比較強。除此以外，聚四氟乙烯由于具備較好的防腐蝕能力，已經被大面積用于制作石油鉆井機械設備連接位置的密封材料、填充材料。

2.2 使用防腐蝕涂料

因為石油鉆井設備出現的腐蝕問題一般出現在設備表層，在制造和維保石油鉆井機械設備的過程中，在機械設備表層位置上噴涂一些防腐蝕能力比較強的防腐涂料，能夠使石油鉆井設備的腐蝕速度下降[3]?？垢g涂料可以防止海水中的化學物質和鉆井設備表面出現直接接觸產生腐蝕問題。

在海洋石油鉆井設備中使用防腐蝕涂料時，需要分別在底層漆、中層漆、表層漆涂抹防腐蝕涂料，現在應用頻率比較高的防腐蝕涂料是無機聚合物涂料。在涂抹石油鉆井設備底層漆時，一般會使用環(huán)氧富鋅漆，因為環(huán)氧富鋅漆的耐油能力比較強，可以作為鉆井設備的耐干濕鹽霧，適合應用在海洋石油開采中。在涂抹石油鉆井設備中層漆時需要使用環(huán)氧樹脂漆，因為其具備的耐堿腐蝕能力比較好，耐磨損能力比較強，耐油性較好，耐海水能力比較強，再加上漆膜的彈性比較好、硬度比較大，適合涂抹在中層漆。聚氨酯漆由于附著能力比較強，耐化學腐蝕能力比較好，而且具有較強的耐磨能力，韌性比較好，適合運用在表層漆。在完成三層耐腐蝕物質涂層以后，可以有效提升石油鉆井設備的耐腐蝕能力。

2.3 使用電鍍、熱鍍防腐蝕方式

電鍍技術、熱鍍技術均是當前廣泛應用在石油鉆井設備表層區(qū)域的防腐蝕處理方式，若是使用電鍍法進行防腐蝕，工作人員應該在開采海洋石油之前，在鉆井設備表層鍍上一層金屬合金，避免海洋鉆井機械設備和海洋環(huán)境中的酸堿物質直接出現化學反應，從而充分發(fā)揮出防腐蝕效果。電鍍法防腐處理中應用頻率比較大的材料涵蓋鎳鋅材料、銅鈦材料，在鉆井設備基體部分常使用的材料涵蓋不銹鋼材料、鑄鐵材料等[4]。

若是使用熱鍍技術進行防腐處理，工作人員應該利用高溫將金屬浸泡到融化狀態(tài)，然后添加合金材料實施熱鍍處理，然后在鉆井設備表層涂抹一些涂層，盡量保證涂抹厚度比較大。相對而言，熱鍍法防腐能力優(yōu)于電鍍法防腐，熱鍍主要是通過犧牲陽極材料保護鉆井設備不受腐蝕影響，防腐蝕保護能力比較強，若是綜合運用電鍍防腐、熱鍍防腐鍍技術，能夠有效提升鋼材料在海洋環(huán)境中的實際使用期限。

2.4 電化學防腐蝕處理

防止電化學腐蝕處理主要是用于防止氯離子使鋼筋出現銹蝕問題，海水以及混凝土材料中都含有一定量的氯離子，在處理海洋石油鉆井設備電化學腐蝕問題應用的原理是電化學原理，對石油鉆井機械設備使用的防腐措施是使機械設備作為電池陰極，從而提升機械設備金屬表面的防腐蝕能力[5]。

常使用的電化學防腐蝕處理技術主要涵蓋陰極保護技術、電化學除氯技術等。陰極保護法主要包括兩類，一類是犧牲陽極保護陰極保護，另一類是通過施加外加電流保護陰極，在使用犧牲陽極法的時候，需要犧牲掉陽極物體，為陰極提供充足的電流，在電解質影響下會產生保護作用。犧牲陽極法是對鉆井設備金屬材料施加保護，使其通過犧牲陽極的方式為石油鉆井設備提供充足電流，利用電解質環(huán)境進行防腐蝕處理保護鉆井設備，比較適合運用在海洋石油鉆井設備的電化學防腐蝕問題中。

2.5 使用緩蝕劑進行防腐蝕處理

在海洋石油鉆井設備運用在海洋環(huán)境的時候，緩蝕劑能夠直接和海水中含有的腐蝕性組織發(fā)生化學反應，避免海洋環(huán)境中的雜質對于鉆井設備表層位置產生腐蝕等不利影響。從化學成分的角度進行劃分，能夠將防腐蝕緩蝕劑劃分為防腐聚合物、防腐有機緩蝕劑、無機防腐緩蝕劑。通過使用混合型緩蝕劑，能夠降低海水中的溶解氧直接擴散到石油鉆井機械設備金屬表層的陰極位置，能夠產生防腐蝕保護膜。其中的陽極緩蝕劑能夠直接與鉆井設備的金屬離子出現化學反應，使石油鉆井設備表層具備一層防腐保護膜，能夠使石油鉆井設備表層出現腐蝕問題的速度減慢[6]。

3 控制石油鉆井設備腐蝕問題的對策

3.1 提升設備選材控制力度

由于海洋石油鉆井設備的運行環(huán)境腐蝕性比較強，因此工作人員在控制機械設備選材時，應該盡量使用不銹鋼材料、合金材料。與此同時，在選材工作中，除了應該滿足石油鉆井設備的抗腐蝕需要以外，還需要考慮材料的力學性能，工作人員應該認真評估材料的力學性能，保證原材料性能符合石油鉆井設備的應力要求、強度要求，避免由于過于重視防腐能力使得石油鉆井設備出現無法正常使用的問題[7]。

3.2 優(yōu)化機械設備設計

因為石油鉆井機械設備設計和受腐蝕影響程度具有直接關聯，因此工作人員可以通過優(yōu)化設計的方式提升抗腐蝕能力機。在設計石油鉆井機械設備的結構時，需要盡量防止存在死角以及裂縫，若是石油鉆井設備具有死角，機械設備表層極易殘留一些化學物質，在鉆井設備沉積在海洋環(huán)境中時會出現化學反應從而導致腐蝕問題。若是石油鉆井設備表面出現裂縫，會在一定程度上阻止化學液體的正常流動，使得化學液體進入到機械設備內部結構中，也會導致腐蝕現象出現。因此工作人員在優(yōu)化石油鉆井機械設備結構設計時，需要降低死角以及裂縫出現的可能性，從而防止石油鉆井設備出現腐蝕問題。

3.3 優(yōu)化工藝流程

因為石油鉆井設備的制作流程比較復雜，在選擇好制造工藝以后，充分考慮工藝流程的防腐水平。首先，避免石油鉆井機械設備出現水分，正常情況下，石油鉆井設備在處于空氣比較干燥的常溫環(huán)境中，空氣對設備金屬表面不會產生過多的腐蝕影響。因此在加工石油鉆井設備的時候，需要使用一些干燥設備、冷卻設備，將設備內部含有的水分清除干凈，方能減少氯氣對碳鋼產生的腐蝕影響。其次，工作人員可以通過提升溫度的方式，達到減少腐蝕影響的目的，增高溫度能夠使石油鉆井設備的水分蒸發(fā)，不會使水分發(fā)生冷凝問題，可以在一定程度上減少海洋石油開采設備出現腐蝕問題的概率[8]。

4 結論

綜上所述，在開采海洋石油的過程中，需要使用石油鉆井機械設備，但是鉆井設備受到腐蝕影響的程度高于陸地，使得海洋石油開采難度遠高于陸地石油開采，如果腐蝕問題未獲得及時優(yōu)化解決，將會直接影響石油鉆井設備的實際使用期限，因此石油開采單位應該在使用石油鉆井設備之前，提前使用一些防腐蝕技術對石油鉆井機械設備建立防腐保護層，從而避免海洋石油鉆井機械設備受到腐蝕影響，進而提升海洋石油開采效率。