陰極保護(hù)系統(tǒng)在“海洋石油118FPSO”上的應(yīng)用

楊樹(shù)敏，董廣河

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 海外作業(yè)籌備組，天津 300457)

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陰極保護(hù)系統(tǒng)在“海洋石油118FPSO”上的應(yīng)用

楊樹(shù)敏，董廣河

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 海外作業(yè)籌備組，天津 300457)

分析FPSO在海上作業(yè)時(shí)的腐蝕機(jī)理以及相應(yīng)的防護(hù)措施，介紹用于FPSO船體防護(hù)的犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)系統(tǒng)，以海洋石油118FPSO為例，進(jìn)行防腐鋅塊的設(shè)計(jì)、選型以及計(jì)算。

FPSO；腐蝕機(jī)理；陰極保護(hù)技術(shù)；陰極材料；防腐鋅塊

FPSO的船體長(zhǎng)期處于多鹽霧、潮濕的海水環(huán)境中，受到周圍介質(zhì)的侵蝕，結(jié)構(gòu)腐蝕非常嚴(yán)重。而FPSO又遠(yuǎn)離海岸固定作業(yè)，不能像航行船舶那樣定期進(jìn)塢維修、保養(yǎng)，所以FPSO防腐蝕問(wèn)題越來(lái)越被重視。

1 FPSO腐蝕機(jī)理

海水含有多種鹽類，此外還含有溶解氧氣體，以及海洋微生物。海水對(duì)金屬的腐蝕主要取決于含氯化物鹽類的濃度、溶解氧的含量，以及海水的導(dǎo)電性。

鑒于FPSO的特殊作業(yè)條件，其腐蝕的介質(zhì)來(lái)源主要有海水、海洋大氣。下面就這兩種介質(zhì)對(duì)FPSO船體的腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析研究。

1.1 海水對(duì)FPSO船體的腐蝕

在研究FPSO船體腐蝕時(shí)涉及到鋼鐵的表面狀態(tài)。鋼鐵在軋制或以后的熱處理中，由于高溫鐵被氧化，表面生成了氧化鐵皮。氧化鐵皮由三種鐵的氧化物組成，并按一定的順序分布在金屬表面上。緊貼著鋼鐵的是FeO，然后是Fe3O4，最外層是Fe2O3。氧化鐵皮具有較高的電位，在水中的穩(wěn)定電位比普通鋼的電位正0.2～0.5 V，且具有良好的導(dǎo)電性。所以鋼鐵表面的氧化皮加速了鋼在海水中的腐蝕，并且腐蝕速度隨氧化層表面積的增加而明顯增大。

1.2 海洋大氣對(duì)FPSO船體的腐蝕

FPSO水線以上暴露在大氣中的船體部分主要遭受海洋大氣的侵蝕。海洋大氣對(duì)金屬的侵蝕性主要取決于大氣中氯化物及其他鹽分的含量、相對(duì)濕度和溫度。此外，距離海面的高度、風(fēng)速、雨量、太陽(yáng)輻射、塵埃、大氣污染等因素也會(huì)影響金屬的腐蝕速度。據(jù)資料介紹，鹽在金屬表面上的沉積量可達(dá)10～1 000 mg/(m2·d)。如果沿海的大氣被污染，大氣中含有SO2，則鋼的腐蝕速度可增加數(shù)倍。有的海域易形成海霧，也會(huì)增加金屬的腐蝕速度。

再者，空氣中的濕度越大，金屬表面結(jié)露越容易，腐蝕速度也相應(yīng)增加。

在一定溫度下，大氣的相對(duì)濕度達(dá)到100%，這時(shí)金屬表面溫度與露點(diǎn)一致時(shí)，就會(huì)有露珠在金屬表面凝結(jié)。如果金屬表面沉積有鹽粒、塵埃、狹窄的縫隙及疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物，則金屬表面的溫度即使高于露點(diǎn)，也會(huì)形成潮氣的凝結(jié)，在金屬表面形成水膜。

在大氣腐蝕條件下，隨著液層變薄，陰極過(guò)程將更容易進(jìn)行，而陽(yáng)極過(guò)程反而變得困難。

綜上所述，對(duì)于FPSO水線以上暴露在海洋大氣環(huán)境中的船體部分以及上部模塊的生產(chǎn)部分，由于其鋼鐵的陽(yáng)極鈍化作用，其主要腐蝕來(lái)源是氧氣以及大氣中的潮氣，所以宜采用隔絕氧氣的腐蝕方法?，F(xiàn)在主要技術(shù)是涂層，利用防腐涂料隔絕氧氣、潮氣、日光、灰塵等，以達(dá)到防腐蝕的目的。而對(duì)于FPSO水線以下的船體以及壓載艙、貨油艙等沉浸在電解質(zhì)溶液中的部分，由于陽(yáng)極(鋼鐵)的活化作用而極易失去電子而被腐蝕，所以單純靠涂層技術(shù)進(jìn)行防腐蝕是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在此引入了陰極保護(hù)的概念。

2 陰極保護(hù)法

圖1給出了FPSO船體在海水中于金屬界面處發(fā)生的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過(guò)程，以及陰極保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)鎂陽(yáng)極或外電源產(chǎn)生的外加負(fù)電流對(duì)這些反應(yīng)過(guò)程的作用影響，說(shuō)明了各種反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)和反應(yīng)產(chǎn)物的存在和傳遞。由于陰極保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)犧牲陽(yáng)極或外電源，能對(duì)金屬提供足夠量的電子(施加所需的負(fù)電流)，使金屬界面呈負(fù)電性和達(dá)到足夠負(fù)的電極電位，從而抑阻氧化反應(yīng)(Fe→Fe2++2e)；此時(shí)還原反應(yīng)所需電子完全從犧牲陽(yáng)極或外電源獲得。由此實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)，停止了金屬的腐蝕過(guò)程。

較早建造的FPSO，對(duì)于船體，以及壓載艙、貨油艙等艙室的腐蝕多采用涂層加犧牲陽(yáng)極來(lái)進(jìn)行防護(hù)，而現(xiàn)在建造的FPSO即采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)技術(shù)來(lái)保護(hù)艙室，又在船艏到船艉的不同區(qū)域增加外加電流防護(hù)來(lái)對(duì)船體進(jìn)行防腐，這2種技術(shù)相結(jié)合的方法越來(lái)越被普遍采用。

圖1 FPSO船體在海水中的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過(guò)程及陰極保護(hù)作用的圖解

中國(guó)海洋石油總公司于2014年建成并投用的海洋石油118FPSO就是采用犧牲陽(yáng)極和外加電流相結(jié)合的方法對(duì)船體以及壓載艙、貨油艙等艙室的腐蝕進(jìn)行防護(hù)。在壓載艙、貨油艙、污油艙、艏/艉間艙等艙室刷涂防腐底漆與安裝鋅塊陽(yáng)極相結(jié)合的方式進(jìn)行防腐蝕，而對(duì)于船體的防護(hù)，則是在船艏、左右舷、船艉的4個(gè)不同區(qū)域安裝了外加電流保護(hù)裝置，以此達(dá)到船體防腐的目的。

3 海洋石油118FPSO應(yīng)用

海洋石油118是一座15萬(wàn)t級(jí)的FPSO，船體以上部分為生產(chǎn)模塊，對(duì)原油進(jìn)行油氣水處理，處理后的合格原油進(jìn)入貨油艙進(jìn)行存儲(chǔ)，等待外輸；船體部分的艙室由12個(gè)壓載艙、10個(gè)貨油艙、2個(gè)污油艙、1個(gè)艏間艙、2個(gè)艉間艙組成。

對(duì)于海洋石油118艙室的防腐方式，首先刷涂防腐底漆，然后再根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算來(lái)推算出每個(gè)艙室的陽(yáng)極數(shù)量，合理進(jìn)行安裝。其基本設(shè)計(jì)思路見(jiàn)表1。

表1 海洋石油118防腐蝕鋅塊設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 陽(yáng)極材料的選擇

優(yōu)良的陽(yáng)極材料應(yīng)具有以下典型的特點(diǎn)。

1)有足夠的負(fù)電位，且很穩(wěn)定。

2)使用過(guò)程中，陽(yáng)極極化小，電位及輸出電流穩(wěn)定。

3)陽(yáng)極溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。

4)陽(yáng)極自身腐蝕要小，電流效率要高，即實(shí)際電容量與理論電容量的比值要大。

5)腐蝕產(chǎn)物應(yīng)無(wú)毒，不污染環(huán)境。

6)價(jià)格低廉，材料來(lái)源充足，加工容易。

鋅合金具備上述特點(diǎn)并且陽(yáng)極產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3在土壤中無(wú)法消散，使陽(yáng)極鈍化而失效，所以被廣泛用于海洋環(huán)境中的金屬構(gòu)筑物的陰極保護(hù)系統(tǒng)中。海洋石油118FPSO的陰極保護(hù)系統(tǒng)就是采用的鋅合金(以下稱鋅塊)作為陽(yáng)極。

3.2 陰極系統(tǒng)保護(hù)區(qū)域

海洋石油118FPSO的陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)區(qū)域見(jiàn)表2。

針對(duì)于不同的保護(hù)區(qū)域所選擇的陽(yáng)極鋅塊的尺寸和重量不同。

3.3 陽(yáng)極鋅塊設(shè)計(jì)

陽(yáng)極鋅塊的尺寸，見(jiàn)圖2，各艙鋅塊具體情況見(jiàn)表3。

圖2 陽(yáng)極鋅塊尺寸示意

m2

表3 海洋石油118鋅塊數(shù)量計(jì)算結(jié)果

3.4 陽(yáng)極鋅塊的安裝

通常，不論是FPSO的船體或壓載艙、貨油艙等艙室安裝陽(yáng)極鋅塊的方法有2種，其一是直接焊接在船殼上，其二是焊接螺栓，然后通過(guò)螺母固定在螺栓上，海洋石油118FPSO采用第2種方法。

4 結(jié)論

FPSO長(zhǎng)期佇立于海洋中，其腐蝕是不可避免的，但其腐蝕的速度則是可以控制的。如果能夠控制其腐蝕的速度為原來(lái)應(yīng)該發(fā)生的腐蝕速度的1/10，則FPSO的壽命將延長(zhǎng)為原來(lái)的10倍。

Application of Cathodic Protection System in FPSO Industry

YANG Shu-min, DONG Guang-he

(Overseas Operation Preparatory Team, CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The corrosion mechanism of FPSO in offshore operations and the corresponding protective measures were investigated theoretically. The cathodic protection system for sacrificial anode in FPSO vessel protection was introduced. Taking the HYSY 118 FPSO as example, the design, type selection and calculation of the anticorrosive zinc block were discussed about.

FPSO; corrosion mechanism; cathodic protection technology; cathodic material; anticorrosive zinc block

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.019

2016-07-10

楊樹(shù)敏(1972—)，男，學(xué)士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0076-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:FPSO的建造、改造以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的管理

E-mail:yangshm@cnooc.com.cn