深海環(huán)境模擬技術(shù)在腐蝕研究上的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

(1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2. 海洋石油工程 (青島) 有限公司，山東 青島 266520)

深海環(huán)境模擬技術(shù)在腐蝕研究上的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

賈紅剛1,2王 佳1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2. 海洋石油工程 (青島) 有限公司，山東 青島 266520)

本文論述了用環(huán)境模擬法研究鋼構(gòu)物在深海環(huán)境下腐蝕特性這一技術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展,包括深海腐蝕研究技術(shù)的各種主要參數(shù)及特點(diǎn),重點(diǎn)介紹了用環(huán)境模擬法來研究鋼結(jié)構(gòu)在深海環(huán)境下腐蝕情況這一技術(shù)的難點(diǎn),針對(duì)存在問題討論了可行的改進(jìn)方法與建議。

深海 環(huán)境模擬 腐蝕

0 引言

我國(guó)的海洋石油開發(fā)工程設(shè)計(jì)、制造技術(shù)與國(guó)外水平存在很大的差距。國(guó)外開發(fā)水平早已達(dá)到平均3000米以上的水平，掌握著全世界范圍的海洋油氣開發(fā)高端技術(shù)的話語權(quán)，主導(dǎo)著技術(shù)和技術(shù)裝備市場(chǎng)，而我國(guó)自有開發(fā)技術(shù)剛剛實(shí)現(xiàn)首次500米開發(fā)技術(shù)的零突破。由于技術(shù)實(shí)力的巨大差距，我國(guó)的海洋油氣開發(fā)對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴度過大，合作中地位不對(duì)等，保護(hù)權(quán)益時(shí)很被動(dòng)。防腐技術(shù)是深海海洋石油開發(fā)技術(shù)的核心技術(shù)之一，也是目前的重要瓶頸之一，它直接影響著海洋工程的使用壽命與開發(fā)成本決策。

深海防腐研究受海況復(fù)雜、政治因素、經(jīng)費(fèi)因素等限制，數(shù)據(jù)積累少、可查閱文獻(xiàn)少、行業(yè)技術(shù)進(jìn)步非常緩慢，而實(shí)驗(yàn)技術(shù)是其中最為重要限制瓶頸。

有限的理論技術(shù)研究難以支撐行業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。因此，采取一種簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速掌握和促進(jìn)深海油氣開發(fā)工程的腐蝕防腐技術(shù)對(duì)海上油氣開發(fā)工程乃至所有海洋經(jīng)濟(jì)有著重要價(jià)值和意義。高仿真的環(huán)境模擬技術(shù)是當(dāng)前有限條件下，最可行、也是最有可能獲得成功的一種深海防腐研究技術(shù)方法。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

深海環(huán)境存在巨大的壓力，環(huán)境極為復(fù)雜，容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，受設(shè)施自身的機(jī)械作用和周圍生物環(huán)境作用，深海腐蝕過程更加復(fù)雜化。

受到實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件的限制, 在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)在這一方面的研究處于空白狀態(tài)。深海環(huán)境下，壓力、溫度、鹽度、溶解氧、pH值、氧化還原電位、生物污損、鈣鎂離子沉積和表面流速等環(huán)境狀態(tài)的變化對(duì)深海環(huán)境金屬腐蝕行為的影響尚待澄清。

國(guó)外方面，可查閱到文獻(xiàn)資料較少，僅有極少數(shù)機(jī)構(gòu)做了少量的實(shí)驗(yàn)探索。例如:日本在1976年即模擬建造了內(nèi)徑為1.4m，最大試驗(yàn)壓力能達(dá)到150MPa的試驗(yàn)艙，不過只能模擬深海環(huán)境的壓力特性。英國(guó)西南研究所在2001年完成了能夠模擬4000米水深海底狀況的新型深海模擬器的成功研制，其容積達(dá)到了88L。2003年日本國(guó)家海洋研究所成功研制了能綜合模擬壓力、溫度、CO2及pH值的多功能模擬系統(tǒng)。

近年來,我國(guó)的研究人員逐步開始重視和采用高仿真環(huán)境模擬技術(shù)在該領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用。例如：我國(guó)在863計(jì)劃中由沈陽自動(dòng)化研究所于1994年成功研制出了壓力可達(dá)75MPa，內(nèi)徑為0.5m，長(zhǎng)2m的深海模擬壓力系統(tǒng)。四川海洋特種技術(shù)研究所也在2008年研制出了75MPa深海環(huán)境模擬裝置。沈永春(2010）研制出了由高壓壓力筒及自動(dòng)加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)組成的深海環(huán)境模擬裝置，其壓力可達(dá)40MPa，且具有長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)穩(wěn)壓加壓功能，壓力控制精度可達(dá)0.5%。中船重工702研究所自主研發(fā)出了內(nèi)徑1.5m至3.0m，壓力為7至90MPa的915系列深海模擬裝置。

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1主要影響參數(shù)分析

鋼鐵在淺海海水中的腐蝕受溶解氧濃度、溫度、壓力、鹽度、流速、生物環(huán)境等多種因素的影響。深海環(huán)境是一種極其復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件限制，人們僅僅依據(jù)溶解氧濃度、溫度、壓力等單個(gè)參數(shù)隨海水深度的變化規(guī)律，套用淺海腐蝕研究理論對(duì)其進(jìn)行了一定的探討研究，而對(duì)多個(gè)深海腐蝕參數(shù)協(xié)同作用下的腐蝕特征與影響程度研究較少，需要進(jìn)一步深入研究，核心影響因素及其特征規(guī)律也需要進(jìn)一步研究。

中國(guó)海洋大學(xué)王佳[1]等人通過采用電化學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫方法研究了5種海洋工程。鋼材在5000m深海環(huán)境中非現(xiàn)場(chǎng)腐蝕行為評(píng)價(jià)技術(shù)，結(jié)果證明了5種鋼材均在500m左右存在最低腐蝕速度以及溶解氧對(duì)鋼材深海腐蝕行為具有最主要的影響。

侯健[2]等通過對(duì)深海腐蝕因素的特征及變化規(guī)律總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對(duì)低碳鋼、低合金鋼等在在海水中不發(fā)生鈍化的金屬，海水中溶解氧含量的增加，會(huì)加速其陰極去極化過程，使金屬腐蝕加速，因而它在海水腐蝕中起到?jīng)Q定性作用。

北京科技大學(xué)周建龍[3]等人通過實(shí)海暴露方法和室內(nèi)模擬加速腐蝕方法研究了深海環(huán)境下金屬腐蝕規(guī)律分析，得出了溶解氧含量是深海環(huán)境下金屬及合金材料腐蝕的最主要影響因素，同時(shí)周建龍還發(fā)現(xiàn)在較高壓力下氯離子活性增加, 更容易滲透入不銹鋼鈍化膜, 多種金屬氧化物能轉(zhuǎn)化為水溶性氯氧化物,從而形成點(diǎn)蝕誘發(fā)源。在較高壓力下離子水合程度降低, 氧化物/氫氧化物比值發(fā)生改變, 因此形成腐蝕層的保護(hù)特性也發(fā)生改變. 鈍化膜成分的改變既可能降低、也可能增強(qiáng)不銹鋼材料的抗局部腐蝕或全面腐蝕性能。

韋云漢[4]等論述了海水溶解氧濃度、溫度、壓力、鹽度、流速、生物環(huán)境等多種因素對(duì)深海金屬材料腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)溶解氧是造成腐蝕最主要的原因，同時(shí)還表明：在深海環(huán)境下，海水中的含鹽度變化幅度非常小，可以認(rèn)為鹽度在整個(gè)海洋環(huán)境下對(duì)材料的腐蝕是一個(gè)常量。

安石油大學(xué)魏愛軍[5]等人通過研究A3鋼在淡水和模擬海水中溫度對(duì)其腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)溫度的升高對(duì)鋼的活性和剝離作用有所增加,對(duì)陽極溶解都有促進(jìn)作用。

以上研究成果表明，在深海環(huán)境下，溶解氧、溫度對(duì)金屬腐蝕有著重要的影響，其中溶解氧是決定性因素。其次，海水壓力與海水深度的變化成正比關(guān)系，可以當(dāng)成海水深度的測(cè)量指標(biāo)。不同的海水深度(壓力)對(duì)各影響參數(shù)自身變化規(guī)律的影響差異較大，因此必須首先保證海水壓力的控制。

2.2技術(shù)難點(diǎn)分析

2.2.1參比電極技術(shù)

目前應(yīng)用最為廣泛的是Ag/AgCl參比電極。它具有良好的性能，是海水陰極保護(hù)系統(tǒng)中廣泛采用的參比電極。王金龍等人[6]通過氯化銀固體參比電極研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀與進(jìn)展研究，指出常規(guī)結(jié)構(gòu)的電極難以承受深海環(huán)境的壓力，固體參比電極無液接電勢(shì)，耐浸泡，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)苛刻的使用環(huán)境敏感性較低，在科學(xué)研究和工程使用上都顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。

向斌等[7]分類介紹了高溫高壓環(huán)境下使用的參比電極的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為常規(guī)的參比電極由于電極內(nèi)參比液和被研究體系溶液的組成不同因而會(huì)形成液接電勢(shì)不適于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)檢測(cè)。固體參比電極的可靠性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性都符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所需的性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的要求，因此固體參比電極研究很有意義。同時(shí)他水流速度對(duì)電極電位的影響不大，電極在動(dòng)海水中也相當(dāng)穩(wěn)定，可以用于實(shí)際的海洋環(huán)境。

王增娣[8]等通過研究氯離子濃度和陽極極化電流協(xié)同作用下高純鋅的穩(wěn)定電位值，得知高純鋅在溫度范圍為0～25oC的海水中，通過參比電極的電流不超過5fA/cm 時(shí)，鋅電極電位偏移范圍≤20mV，表明在該種條件下，99.9999%的高純鋅的耐極化性能能可以滿足作為參比電極的要求。

以上研究成果表明，深海腐蝕研究宜采用固體參比電極。同時(shí)由于高純鋅加工性能好，獲取容易，因此作為深海腐蝕模擬研究的首選參比電極。

2.2.2高壓密封技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

深海環(huán)境模擬法進(jìn)行腐蝕研究時(shí)，壓力參數(shù)要求越高，技術(shù)性能保障難度和各方面投入成倍數(shù)增長(zhǎng)，因此需要視具體需要和資金允許范圍考量。對(duì)我國(guó)的南海、東海、黃海、渤海海洋開發(fā)工程需要而言，模擬海水3000米深即可覆蓋絕大多數(shù)需求，如果條件允許可以放大5000米水深的模擬范圍，即：最大模擬壓力50MPa。也可以采用海域平均深度研究外加技術(shù)修正的方法以節(jié)省費(fèi)用。

高壓容器常用的密封方式是強(qiáng)制密封、自緊密封和半自緊密封三種形式。強(qiáng)制密封是靠擰緊主(大)螺栓使頂蓋、密封件、釜體端部之間形成一種密封比壓，從而實(shí)現(xiàn)密封效果。深海環(huán)境腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要經(jīng)常性的開、閉釜蓋，顯然單獨(dú)依靠強(qiáng)制密封法存在一定的弊端，操作靈活性變差。

自密封技術(shù)是利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使頂蓋、密封件、釜體端部之間的密封比壓隨其自身工作壓力的增大而增加，因而對(duì)大螺栓的要求降低。半自緊密封技術(shù)是指憑借強(qiáng)制密封技術(shù)獲得初始密封比壓，系統(tǒng)升壓時(shí)自動(dòng)改為靠自密封實(shí)現(xiàn)密封比壓。深海腐蝕環(huán)境模擬時(shí)，操作較為頻繁，環(huán)境介質(zhì)為液體海水，不具可燃性，泄露后的危害性較小。因此，應(yīng)選擇半自封技術(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)的高壓密封。其次，合理設(shè)計(jì)釜體的結(jié)構(gòu)形式，選用適當(dāng)?shù)拿芊饨Y(jié)構(gòu)也非常重要。例如：壓力小于32MPa、內(nèi)徑小于800mm時(shí)可選用平墊強(qiáng)制密封；也可用主螺栓加軟金屬材料進(jìn)行半自緊密封。

高壓模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，內(nèi)部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集所用的導(dǎo)線、穿壁處理都是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。

2.2.3集中控制技術(shù)

深海環(huán)境的復(fù)雜性決定了模擬系統(tǒng)的復(fù)雜程度。首先單參數(shù)的簡(jiǎn)單模擬已不能滿足需要。因此，多參數(shù)同時(shí)模擬時(shí)，如果沒有多個(gè)模擬參數(shù)的動(dòng)態(tài)集成控制技術(shù)的支撐，環(huán)境模擬技術(shù)的適用性將大大降低。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的集控方案，選用適當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)集成中樞、控制集成中樞、軟件系統(tǒng)都是高仿真深海環(huán)境模擬技術(shù)的重要技術(shù)要點(diǎn)。

同時(shí)，采用必要的安全防護(hù)措施，將控制區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)有效隔離，并將兩者整合成一個(gè)獨(dú)立式可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室也是一項(xiàng)非常重要的創(chuàng)新技術(shù)。

2.3可行性分析

用深海環(huán)境模擬技術(shù)，對(duì)深海腐蝕行為的研究及實(shí)際工程應(yīng)用有重大意義，可以為海洋實(shí)地開發(fā)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。深海試驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、樣品易丟失、試驗(yàn)裝置回收困難，實(shí)施起來有很大的難度，因此采用深海環(huán)境模擬技術(shù)對(duì)深海腐蝕進(jìn)行研究能有效的控制測(cè)試成本以及提高測(cè)試效率，通過改變模擬裝置中操作條件可以模擬不同的海洋環(huán)境。

3 總結(jié)

隨著國(guó)家南海油氣開發(fā)政策力度的加大，深海環(huán)境模擬技術(shù)在腐蝕研究上的應(yīng)用越來越受到重視，隨著大量高性能的深海腐蝕環(huán)境模擬設(shè)備系統(tǒng)的逐步開發(fā)完成，能夠模擬的海水深度(壓力級(jí)別)、多指標(biāo)協(xié)同技術(shù)、控制精度、模擬技術(shù)與裝置的安全性均有了極大的提升。未來，國(guó)內(nèi)將有大批的機(jī)構(gòu)和研究人員參與到這一技術(shù)領(lǐng)域來，有利于促進(jìn)以海洋石油工程行業(yè)為代表的多個(gè)海洋經(jīng)濟(jì)行業(yè)的技術(shù)快速發(fā)展和大量工程技術(shù)及產(chǎn)品的出現(xiàn)。

[1] 王佳, 孟潔, 唐曉, 張偉. 深海環(huán)境鋼材腐蝕行為評(píng)價(jià)技術(shù)[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2007, 27(1).

[2] 侯健, 郭為民等. 海洋環(huán)境因素對(duì)碳鋼腐蝕行為的影響[J]. 裝備環(huán)境工程, 2008,12(6).

[3] 周建龍等. 深海環(huán)境下金屬及合金材料腐蝕研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2010, 22(1): 47-51.

[4] 魏愛軍等. 溫度對(duì)A3鋼在海水中電化學(xué)腐蝕的影響[J].腐蝕與防護(hù), 2008, 10(29).

[5] 韋云, 蘆金柱.海洋環(huán)境碳鋼的腐蝕與防護(hù)[J]. 全面腐蝕控制, 2012, 3(3): 82-101.

[6] 王金龍, 王佳等. Ag/AgCl固體參比電極研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2013, 2(33), 81-88.

[7] 向斌, 粟京等.Ag/AgCl固體參比電極性能研究[J]. 高技術(shù)通訊, 2006年12月第16卷第12期: 1265-1268.

[8] 王增娣, 閆永貴, 馬力等.高純鋅參比電極電位穩(wěn)定性研究[J].腐蝕與防護(hù), 2006, 27(9): 450-453.

[9] 苗燕.深海用全固態(tài)參比電極的研究[D].重慶大學(xué), 2003.

Application and Progress of technology in Corrosion Research on Deep-sea Environment Simulation

JIA Hong-gang1,2, WANG Jia1
(1.Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Offshore Oil engineering (Qingdao)co.,Ltd., Qingdao 266520, China)

This paper describes the status and progress simulation method for Environment Research of steel in the environment of deep sea corrosion characteristics of this technology, all the main parameters and characteristics including the deep-sea corrosion technology, introduces the advantages and disadvantages of steel structure in the environment of deep sea corrosion situation of this technology for environmental simulation method, the discussion the methods and suggestions to improve the practical problems.

deepsea; environment simulation; corrosion

TG174

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.08.027.03

賈紅剛 (1981-) ，男，陜西寶雞人，防腐工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笥蜌忾_發(fā)工程腐蝕與防護(hù)。