深海水下生產(chǎn)設(shè)施選材與腐蝕控制

李 輝,石 磊,張 雷,石鳳仙,李大朋,路民旭

(1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院,北京 100083; 2. 海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司,天津 300461)

專論

深海水下生產(chǎn)設(shè)施選材與腐蝕控制

李 輝1,石 磊2,張 雷1,石鳳仙1,李大朋1,路民旭1

(1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院,北京 100083; 2. 海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司,天津 300461)

對(duì)深海水下生產(chǎn)設(shè)施腐蝕選材與控制方法進(jìn)行了論述。分析了深海水下常見的腐蝕環(huán)境和腐蝕行為，提出了水下設(shè)施選材的基本思路和關(guān)鍵部件的選材要求，介紹了三種常見的深海水下生產(chǎn)設(shè)施的腐蝕控制方法，旨在對(duì)深海水下生產(chǎn)設(shè)施選材和腐蝕控制提出建議。

水下生產(chǎn)設(shè)施；選材；腐蝕控制

隨著科技的進(jìn)步和人類對(duì)海洋石油資源認(rèn)知水平的不斷提高，海洋油氣勘探開發(fā)已從淺海走向深海，甚至超深海。深海油氣開發(fā)已成為世界石油工業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)和科技創(chuàng)新的前沿[1-3]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為深海油氣開采的新模式，大大促進(jìn)了深海油氣的開發(fā)[4]。

深海環(huán)境中生產(chǎn)設(shè)施不僅受到海水溫度，壓力，氯離子等影響，而且油、氣、水多相介質(zhì)的輸送，特別是多相介質(zhì)中含有H2S/CO2時(shí)，會(huì)進(jìn)一步加劇對(duì)管道的氫脆、點(diǎn)蝕等[5-8]。復(fù)雜的深海環(huán)境更加凸顯了水下設(shè)施選材及腐蝕控制的重要性[9-10]。NORSOK M-001[11]中明確規(guī)定了選材的基本要求，ISO 13628[12]更進(jìn)一步詳細(xì)規(guī)定了選材時(shí)需要考慮材料的市場(chǎng)供應(yīng)情況、異種金屬數(shù)量、設(shè)計(jì)壽命、操作條及材料的使用經(jīng)驗(yàn)等關(guān)鍵因素。目前對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕控制常用的方法是陰極保護(hù)或加注緩蝕劑[3,5,10]。此外還可對(duì)影響生產(chǎn)設(shè)施的關(guān)鍵腐蝕因素，如H2S分壓，CO2分壓，溫度，氯離子含量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而預(yù)測(cè)材料的失效時(shí)間。

本工作對(duì)深海水下系統(tǒng)所處的外部和內(nèi)部環(huán)境，選材的基本原則，部件選材方法及腐蝕控制等方面進(jìn)行了分析，進(jìn)而為深海生產(chǎn)設(shè)施材料的篩選和腐蝕控制提供依據(jù)。

1　深海水下設(shè)施的主要腐蝕環(huán)境

為了進(jìn)行深海水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行合理的選材，需要對(duì)系統(tǒng)所處的深海環(huán)境因素的影響進(jìn)行分析，而管道輸送介質(zhì)的參量(H2S和CO2含量和分壓)以及環(huán)境參量(溫度，壓力，流速，微生物等)對(duì)管道腐蝕有很大影響，這些因素的不斷變化以及長(zhǎng)期的累積作用，對(duì)管道的破壞作用是巨大的，因此必須先對(duì)系統(tǒng)所處的環(huán)境進(jìn)行充分的考慮。

1.1CO2/H2S因素的影響

CO2和H2S是油氣管道內(nèi)最常見，最有害的兩種腐蝕管道的物質(zhì)。單純的潮濕H2S主要導(dǎo)致材料的應(yīng)力腐蝕開裂，氫脆等破壞，而單純的CO2與水作用主要形成碳酸，在管道上形成析氫作用，可形成Fe3O4或者FeCO3兩種主要腐蝕產(chǎn)物，且兩種氣體隨著pH的變化導(dǎo)致腐蝕更為嚴(yán)重。兩種氣體在管道腐蝕過(guò)程中存在競(jìng)爭(zhēng)協(xié)同效應(yīng)，CO2/H2S的分壓比決定了腐蝕過(guò)程中的控制因素[5]，對(duì)管道均會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，所以對(duì)這兩種酸性氣體的監(jiān)測(cè)和控制，有利于管道的長(zhǎng)久使用。

1.2溫度和壓力的影響

現(xiàn)行的水下管道內(nèi)油氣溫度為80～90 ℃，最高可達(dá)100 ℃以上，高溫加劇了CO2/H2S腐蝕和氯離子腐蝕等[5-8,13-14]。水下外部海水的壓力和管道內(nèi)部的壓力對(duì)材料的選擇提出了要求，管道內(nèi)部壓力增加，導(dǎo)致腐蝕氣體CO2/H2S分壓的增加，均會(huì)加劇管道的腐蝕。

1.3氯化物的影響

原油經(jīng)過(guò)脫水，殘留下無(wú)機(jī)鹽主要為氯化物，氯離子含量可達(dá)近20 000 mg/L，體系中氯離子的存在使鐵的腐蝕速率加快，增加了溶液的導(dǎo)電性，并使溶液中H+活度加大，同時(shí)以一定的反應(yīng)級(jí)數(shù)直接參加了電極反應(yīng)，對(duì)金屬的陽(yáng)極溶解具有催化作用[13]。

Fierro[14]研究也表明，氯離子不僅降低材料的腐蝕電位，而且對(duì)金屬材料的表面膜具有極強(qiáng)的穿透和侵蝕作用，使膜發(fā)生顯微開裂，形成點(diǎn)蝕核。

1.4流速的影響

流速是輸油氣管道應(yīng)該控制的一個(gè)參數(shù)，它是關(guān)于水下采油量和管材尺寸的函數(shù)。流速過(guò)低可能導(dǎo)致大量腐蝕垢的沉積，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行[15]；而流速過(guò)大可能導(dǎo)致管道的沖刷腐蝕，在變徑或變向部位，可能導(dǎo)致局部流速過(guò)大，并且當(dāng)流速到達(dá)一定值時(shí)，形成湍流，導(dǎo)致沖擊和空泡氣蝕等[16]，因此,合理選擇流速也是管道保存的一個(gè)必要條件。

1.5微生物的影響

深海環(huán)境苛刻，高壓、低溫(或局部高溫)、低氧等，存在著種類繁多的微生物(如細(xì)菌、真菌、藻類和原生物等)，它們附著于工程材料表面，形成生物膜，在生物膜內(nèi)部，溶解氧、pH、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物種類等都與外部環(huán)境不同，會(huì)造成微生物腐蝕，其中最主要的是由硫酸鹽還原菌(SRB) 引起的腐蝕[17]。

SRB一般認(rèn)為是厭氧細(xì)菌，溶解氧對(duì)SRB的生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，海水溶氧量范圍一般為0～9 mL/L。一些好氧微生物的代謝活動(dòng)也給SRB營(yíng)造了一個(gè)厭氧的環(huán)境，使SRB得以繁殖，從而加速管道腐蝕。目前，關(guān)于SRB腐蝕的機(jī)理有陰極去極化機(jī)理、濃差電池機(jī)理、局部電池機(jī)理、代謝產(chǎn)物機(jī)理、沉積物下的酸腐蝕機(jī)理、陽(yáng)極區(qū)固定機(jī)理等[18]。

2　水下生產(chǎn)設(shè)施選材的思路和關(guān)鍵部件的選材方法

2.1水下生產(chǎn)設(shè)施選材的思路

(1) 選材基本流程

根據(jù)NORSOK M-001和ISO 13628等標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工況條件確定：① 明確材料服役的力學(xué)性能要求，確定備選材料。② 根據(jù)各單元材料服役工況腐蝕性及服役時(shí)間，評(píng)估備選材料腐蝕裕量及失效類型。③ 根據(jù)選材標(biāo)準(zhǔn)，滿足安全的前提下，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，確定合適材料。

(2) 確定備選材料

確定備選材料時(shí)要考慮材料服役的載荷情況，滿足基本的力學(xué)性能要求。由于生產(chǎn)設(shè)備在深海水下環(huán)境中服役，需要考慮海洋壓力，海浪等因素引起的疲勞問(wèn)題。

(3) 腐蝕裕量評(píng)估

根據(jù)材料所處的環(huán)境分析，輸送介質(zhì)中各個(gè)參數(shù)的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定材料的腐蝕形式，包括全面腐蝕和局部腐蝕，計(jì)算出現(xiàn)行工況條件下的全面和局部腐蝕速率。目前公認(rèn)的比較準(zhǔn)確測(cè)定腐蝕速率的方法是腐蝕模擬，但由于不同時(shí)間的腐蝕速率會(huì)發(fā)生變化，試驗(yàn)?zāi)M又難以做到長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)，所以試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果需要進(jìn)行合理分析轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)周期的腐蝕速率。然后結(jié)合NORSOK M-001的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)確定選擇何種材料。

(4) 強(qiáng)度因素

由于輸油管道中存在大量的H2S和CO2對(duì)管道的腐蝕開裂影響較大，這就對(duì)材料的強(qiáng)度，硬度等提出了要求。針對(duì)含H2S酸性環(huán)境，國(guó)際上制定了“ISO 15156/NACE MR 0175抗開裂材料的選材標(biāo)準(zhǔn)”除此之外，還需根據(jù)腐蝕模擬試驗(yàn)，確定腐蝕類型及其腐蝕速率，可以對(duì)材料剩余強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而判斷材料在腐蝕發(fā)生后強(qiáng)度能否滿足服役要求。評(píng)價(jià)管道腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度的方法主要有三種：B31G準(zhǔn)則，API 579準(zhǔn)則和DNV RP-F101準(zhǔn)則[19]。

(5) 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)不應(yīng)局限于材料本身成本，也要考慮后期安裝、操作、維護(hù)以及可能的監(jiān)檢測(cè)成本。

2.2水下生產(chǎn)設(shè)施關(guān)鍵部件的選材方法

如上所述，水下生產(chǎn)設(shè)施包括大量的部件，根據(jù)部件的腐蝕形式，材料適用性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，對(duì)主要部件選材方法進(jìn)行如下分析：

2.2.1 井口和采油樹的選材

井口和采油樹主要用于原油的生產(chǎn)，海水和處理后的海水，大量的化學(xué)物質(zhì)的注入口以及進(jìn)行氣舉作業(yè)。在原油的生產(chǎn)與傳輸過(guò)程中起到一個(gè)關(guān)鍵性的作用。主要包括采油樹的主體結(jié)構(gòu)和聯(lián)接部件，井口罩，密封部件，套管掛，油管掛，閥門和阻氣門，大量的墊片等。受到傳輸介質(zhì)高流速的沖刷作用，而且傳輸介質(zhì)中可能含有砂，對(duì)井口和采油樹存在大量的侵蝕作用。另一方面，井口和采油樹存在大量小部件，如果不能正確選材可能導(dǎo)致整體失效。所以，對(duì)于井口和采油樹整體而言，所有零件推薦選擇較耐蝕材料。

(1) 采油樹主體和聯(lián)接部件

采油樹和聯(lián)接器可以選擇以下材料：① 低合金鋼，AISI 4130和8630，內(nèi)部覆蓋著625合金；② ASTM A182 F22(2% Cr，1% Mo鋼，內(nèi)部覆蓋著625合金)；③ AISI 410(13% Cr不銹鋼)；④ ASTM A182 F6NM(13% Cr 4% Ni不銹鋼)；⑤雙相不銹鋼。

低合金鋼在大多數(shù)溫和的環(huán)境或者短期的服役中應(yīng)用。盡管在這些環(huán)境中，低合金鋼仍然需要覆蓋625合金。AISI 410和A182 F6NM雖然具有較大的耐蝕性，但是需考慮較厚部件的沖擊韌性和焊接性問(wèn)題。410不銹鋼即使在焊后熱處理之后也具有相對(duì)較差的韌性。雙相不銹鋼由于在鍛造件較厚部位易形成決定性的第三相，存在耐蝕性和韌性的合力破壞。與410不銹鋼和雙相不銹鋼相比,F6NM具有更好的韌性和焊接性。

對(duì)于上述材料，焊接部位覆蓋耐蝕的625合金的低合金鋼，在海下表現(xiàn)出較低的風(fēng)險(xiǎn)，低合金鋼推薦采用為ASTM A182 F22，耐蝕合金推薦采用A182 F6NM。

(2) 井口罩和密封部件

這些部件相對(duì)于采油樹的主體部分較薄，可以采用AISI 4130或8630來(lái)制造。在潤(rùn)濕和密封部位，可以在表面覆蓋625合金。

(3) 套管掛

套管掛通常采用AISI 4130，4140或8630來(lái)制造，并且在正常的操作環(huán)境中，不能接觸生產(chǎn)的流體。

(4) 油管掛

油管掛應(yīng)采用高強(qiáng)度的CRA材料來(lái)制造，根據(jù)工況要求，可以采用以下材料：① 覆蓋625合金的AISI 4130，8630或者ASTM A182 F22；② ASTM A182 F6NM；③ 22%或25% Cr雙相不銹鋼；④ 718合金。

(5) 閥門和阻氣閥

閥門和阻氣閥可以通常采用下列兩種方法來(lái)制造：① 覆蓋625合金的AISI 4130，8630或者ASTM A182 F22；② ASTM A182 F6NM。

(6) 墊片

在水下的油氣管道的墊片可以采用：① 316不銹鋼；② 退火態(tài)的825和625合金。如果墊片應(yīng)用在環(huán)形槽上，建議采用退火態(tài)的625合金或含6%鉬的不銹鋼。對(duì)于處理過(guò)的海水注入系統(tǒng)，退火態(tài)的625合金可以滿足使用要求。而對(duì)于未經(jīng)處理的海水,則需要充分考慮材料的耐開裂能力和接觸腐蝕行為。

2.2.2 匯管的選材

水下匯管是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的部件，主要用于存儲(chǔ)生產(chǎn)的流體，包括油，氣和產(chǎn)生的水，注入處理、未處理以及產(chǎn)生的水,注入存儲(chǔ)用的氣并提高生產(chǎn)效率。匯管功能的缺失，可能會(huì)導(dǎo)致油氣的泄漏。對(duì)于匯管的材料選擇和裝配在ISO 13628-15中已有詳細(xì)介紹，此處對(duì)其他方面進(jìn)行補(bǔ)充：ERW/HFI 管道一般不會(huì)推薦到集合管的選材中，由于它的可用厚度可能不能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，這在ISO 13628-15標(biāo)準(zhǔn)中并未提到。

由于水下匯管設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，存在大量的分支，閥門，死角，普通碳鋼加緩蝕劑可能達(dá)不到目的，并且無(wú)法對(duì)其腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以首選具有一定強(qiáng)度和斷裂韌性的耐蝕合金。如果管道的服役時(shí)間小于10 a，可以選用具有一定耐蝕能力的碳鋼。選擇耐蝕合金時(shí)主要考慮：雙相和超級(jí)雙相不銹鋼；管道內(nèi)部覆蓋一層625合金。

2.2.3 閥門的選材

在水下生產(chǎn)設(shè)備中存在大量的閥門，包括采油樹的主閥門，匯管和流線管道處閥門，液壓控制系統(tǒng)的閥門等。而在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)閥門的選擇進(jìn)行了規(guī)定，包括：API Specs 6A，17D，14A和RP14B；ISO 10423，13628-4，13628-6，13628-8和14723以及ISO 15156/NACE MR0175。

而對(duì)于閥門的選擇主要應(yīng)考慮幾個(gè)主要因素：溫度和壓力范圍、在閥門主體和局部位置流體的腐蝕性和侵蝕破壞、固體潛在的磨損(覆蓋耐磨的或者光滑的表面)、固體潛在的沖擊作用，比如在材質(zhì)較脆的閥門處的壓裂支撐劑的作用、不同材料之間的電偶腐蝕的影響、在法蘭和密封面處的縫隙腐蝕、移動(dòng)部件的耐劃傷性能。對(duì)于部分金屬材料而言，爆發(fā)性的解壓，耐溫度和化學(xué)物質(zhì)的能力、材料的陰極保護(hù)的影響、材料有效涂層的影響、材料的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題等都應(yīng)考慮。

總體而言，對(duì)于金屬材料包括碳鋼和低合金鋼，不銹鋼(奧氏體，馬氏體，沉淀強(qiáng)化鋼等)，鎳基合金，鈹銅合金等的選擇需考慮特定使用環(huán)境，通常在管道潤(rùn)濕部位覆蓋鎳基合金來(lái)抵抗碳鋼和低合金鋼的內(nèi)腐蝕。非金屬材料主要用于密封部位，在使用時(shí)需進(jìn)行鍍層保護(hù)，如鈷合金，碳化鎢及化學(xué)鍍鎳等，來(lái)提高密封性，耐劃傷以及耐蝕性。

金屬材料的承壓邊界根據(jù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，在ISO 14723中只是列舉了一部分可用材料的壓力-溫度等級(jí)。因此，在采油樹，匯管及流線管道閥門選擇時(shí)常不相同，對(duì)以上典型材料的要求可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 14723和NORSOK Standard M-630來(lái)選擇。

水下生產(chǎn)設(shè)備還有大量的部件，包括流線管道，冒口，法蘭，墊片，密封材料等，其選材的方法步驟與上述三種關(guān)鍵部位選材原則基本相似，在對(duì)使用環(huán)境了解的情況下，根據(jù)大量現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選材，控制好腐蝕裕量，考慮經(jīng)濟(jì)性，從而組合成一套適合服役環(huán)境的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。

3　深海水下設(shè)施腐蝕控制的推薦做法

設(shè)備在服役之后，除了控制好環(huán)境因素，采用對(duì)關(guān)鍵位置(例如：井口)，關(guān)鍵因素(CO2分壓，H2S分壓，氯離子含量等)進(jìn)行長(zhǎng)效的監(jiān)控，還需采用適合的材料腐蝕控制方法?，F(xiàn)總結(jié)并推薦常用的水下設(shè)備的腐蝕控制方法。

3.1陰極保護(hù)法

常見的陰極保護(hù)法包括犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)。一個(gè)良好的陰極保護(hù)系統(tǒng)可以有效抑制碳鋼和低合金鋼的均勻腐蝕，接觸面的縫隙腐蝕，異種金屬的電偶腐蝕，奧氏體不銹鋼氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，不銹鋼的點(diǎn)蝕和細(xì)菌腐蝕等?，F(xiàn)行的深海生產(chǎn)管路的陰極保護(hù)系統(tǒng)主要根據(jù)DNV RP-B401或NACE RP0176，而碳鋼和低合金鋼的海底管道系統(tǒng)主要依據(jù)ISO 15589-2來(lái)設(shè)計(jì)。由于生產(chǎn)設(shè)備由不同種材料組裝而成，在海水中耐蝕能力較差，所以必須采用陰極保護(hù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)處理。而深海中的環(huán)境隨著深度，位置，季節(jié)有很大的不同，對(duì)陰極保護(hù)電流的影響很明顯[20]。針對(duì)此種情況，主要是通過(guò)提高初始的電流密度來(lái)對(duì)不銹鋼進(jìn)行有效極化，深海區(qū)的初始電流密度至少是淺水區(qū)的1.5～2倍。保護(hù)與被保護(hù)材料之間還需要考慮如下：零件的設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單，避免復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無(wú)法確保陰極保護(hù)的均勻性；確保被選擇的材料具有最優(yōu)的熱處理工藝和微觀組織結(jié)構(gòu)，及應(yīng)用時(shí)確定材料與犧牲陽(yáng)極之間的穩(wěn)定的反應(yīng)等，詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案還應(yīng)參照 NACE Report 7L192。

在海水中，電位相對(duì)于Ag/AgCl體系更負(fù)的情況下，容易導(dǎo)致氫脆和開裂。為了最大程度上減小水下設(shè)備氫脆開裂的風(fēng)險(xiǎn)，低壓陰極保護(hù)法采用二極管對(duì)電壓進(jìn)行控制，或者選擇低壓陽(yáng)極材料，比如Al-0.1% Ga合金、碳鋼等，而如何對(duì)不同體型的部件有效的控制，還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

傳統(tǒng)使用的陽(yáng)極材料是鋁-鋅-銦體系的合金，但是傳統(tǒng)的合金比例可能在深海設(shè)備中或者在熱操作的環(huán)境中不太適用。最優(yōu)的合金成分，需要對(duì)設(shè)備所處的環(huán)境進(jìn)行了解后，通過(guò)相同環(huán)境中的模擬試驗(yàn)來(lái)確定。

3.2保護(hù)涂層

對(duì)生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行內(nèi)外表面的涂層防腐蝕，是通過(guò)涂層的隔離效果，阻止周圍環(huán)境中的水分、氧及腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入從而達(dá)到防腐蝕的目的[21]。涂層保護(hù)效果的好壞，首先取決于被保護(hù)設(shè)備表面的情況，良好的表面對(duì)涂層的粘附力和防護(hù)效果至關(guān)重要。所以在設(shè)計(jì)涂層之前，根據(jù)ISO 8501-3中的做法，對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行處理，包括油，灰塵，可溶鹽，油脂等。

對(duì)于深海設(shè)備涂層的選擇，首先要考慮如下問(wèn)題：

(1) 在有涂層的構(gòu)件上，陰極保護(hù)的效果(即與陰極保護(hù)的兼容性問(wèn)題)

由于大多數(shù)的深海設(shè)備中都具有陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，而對(duì)于與涂層的兼容性，要根據(jù)前期的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以參考ISO 21809關(guān)于管線涂層和ISO 15711對(duì)于涂層的要求。

(2) 操作溫度

根據(jù)工況下的溫度，選擇適合的涂層進(jìn)行保護(hù)，常見的涂層可以參考如下：① 溫度在70 ℃左右的情況下，可以選用三層的PE或者人造橡膠； ② 溫度在95 ℃左右的情況下，可以選擇單層或雙層的FBE；③ 溫度超過(guò)110 ℃的情況下，三層的FBE/PP涂層比較典型 ；④ 對(duì)于更高的溫度或者新型的產(chǎn)品要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)量化測(cè)試來(lái)進(jìn)一步確定。

(3) 操作深度

靜水壓力對(duì)涂層的影響應(yīng)該考慮。尤其是隔熱涂層的應(yīng)用時(shí)，需要考慮深度的增加，靜水壓力的涂層傳熱效果的影響。

(4) 海底環(huán)境

要考慮涂層與海底的泥層和沉積物層的兼容性問(wèn)題，需試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，還需要考慮基體材料和涂層的附著問(wèn)題，涂層設(shè)計(jì)年限，日常維護(hù)等問(wèn)題。而對(duì)于管線接頭，緊固件等特殊位置的涂層，參考ISO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行涂層的設(shè)計(jì)。

3.3加注緩蝕劑

加注緩蝕劑是油氣管道防止內(nèi)腐蝕的另一主要手段[2]。緩蝕劑的加入，可以在管道內(nèi)表面形成保護(hù)膜從而達(dá)到保護(hù)的目的。緩蝕劑主要為含氮有機(jī)物，具體的緩蝕劑種類、加入量、緩蝕效果與經(jīng)濟(jì)性還需根據(jù)具體的工況環(huán)境、材料等進(jìn)行分析后確定。加注緩蝕劑的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是要清楚流線的走向，保證緩蝕劑的加注可以有效到達(dá)被保護(hù)部位并形成穩(wěn)定的保護(hù)膜。另一問(wèn)題就是加強(qiáng)管道中緩蝕劑量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證足夠的補(bǔ)充，從而到達(dá)預(yù)期的緩蝕效果。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)常見的腐蝕環(huán)境和深海腐蝕設(shè)備常見的腐蝕行為進(jìn)行分析，從總體上介紹了深海生產(chǎn)設(shè)備常見選材的思路和關(guān)鍵部位的選材方法?？紤]特定環(huán)境，根據(jù)ISO和NACE等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x材，并提出了深海水下生產(chǎn)設(shè)施的腐蝕控制方法和需注意的問(wèn)題，希望對(duì)今后的深海設(shè)備選材和腐蝕控制提供建議。

[1]李清平. 我國(guó)海洋深水油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)[J]. 中國(guó)海上油氣(工程)，2006，18(2)：130-133.

[2]何寧，王桂林，段夢(mèng)蘭，等. 深水油氣田開發(fā)中的中深水輸送概念[J]. 石油工程建設(shè)，2010，36(3)：33-37.

[3]潘一，孫林，楊雙春，等. 國(guó)內(nèi)外管道腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2014，26(1)：77-80.

[4]王旭東，裴海濤，王培勇，等. 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)防腐蝕設(shè)計(jì)的探討[J]. 腐蝕與防護(hù)，2012，33(5)：430-432.

[5]李自力，程遠(yuǎn)鵬，畢海勝，等. 油氣田CO2/H2S共存腐蝕與緩蝕技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào)，2014，65(2)：406-414.

[6]SIM S,COLE I S,CHOI Y S,et al. A review of the protection strategies against internal corrosion for the safe transport of supercritical CO2via steel pipelines for CCS purposes[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control,2014,29:185-199.

[7]POTS B F M,JOHN R C. Improvement on corrosion prediction and application to corrosion management[C]//NACE Corrosion/2002.[S.l.]:[s.n.],2002:02235.

[8]宋佳佳，裴峻峰，鄧學(xué)風(fēng)，等. 海洋油氣井的硫化氫腐蝕與防護(hù)進(jìn)展[J]. 腐蝕與防護(hù)，2012，33(8)：648-651.

[9]曹攀，周婷婷，白秀琴，等. 深海環(huán)境中的材料腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2015，35(1)：12-20.

[10]馬平. 海底天然氣管道腐蝕與防護(hù)[J]. 全面腐蝕控制，2012，26(8)：1-4.

[11]NORSOK Standard M-001-2004Material selection[S].

[12]ISO 13628-2005Petroleum and natural gas industries-design and operation of subsea production systems[S].

[13]陳陽(yáng). 加氫脫硫裝置中氯離子對(duì)管道的腐蝕及安全防護(hù)措施[J]. 石油化工安全技術(shù)，2002，18(5)：22-24.

[14]FIERRO G,INGO G M,MANCIA F,et al. XPS investigation on AISI 420 stainless steel corrosion in oil and gas well environments[J]. Journal of Materials Science,1990,25(2):1407-1415.

[15]高純良，李大朋，張雷，等. 流速對(duì)油管用N80鋼CO2腐蝕行為的影響[J]. 腐蝕與防護(hù)，2013，34(12)：1090-1097.

[16]范志剛，李翠楠，王燕，等. 流速對(duì)天然氣輸氣管道腐蝕的影響規(guī)律研究[J]. 鉆采工藝，2010，3(2)：88-90.

[17]楊慧，薛小平，傅增祥，等. 海洋環(huán)境中微生物腐蝕及其防護(hù)研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)與生物工程，2010，27(1)：1-5.

[18]劉玉秀，劉貴昌. 硫酸鹽還原菌引起的微生物腐蝕的研究進(jìn)展[J]. 腐蝕與防護(hù)，2002，23(6)：245-248.

[19]王翔，趙東風(fēng). 不同級(jí)別腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)估方法對(duì)比研究[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2013，25(1)：85-88.[20]李成杰，杜敏. 深海鋼鐵材料的陰極保護(hù)技術(shù)研究及發(fā)展[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2013，33(1)：10-15.

[21]沈光霽，陳洪源，薛致遠(yuǎn)，等. 管道涂層應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2013，25(3)：246-249.

Materials Selection and Corrosion Control for Subsea Production Equipment

LI Hui1, SHI Lei2, ZHANG Lei1, SHI Feng-xian1, LI Da-peng1, LU Min-xu1

(1. Institute of Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Engineering Company, Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Materials selection and corrosion control methods for subsea production equipment are discussed in this paper. The general environment and corrosion behavior of subsea are analyzed. The guideline of materials selection and requirements of key components of the subsea production equipment are provided. Three common methods of corrosion control for subsea system are summarized. This paper aimed at providing some advice about the material selection and corrosion control for subsea production equipment.

subsea production equipment; material selection; corrosion control

10.11973/fsyfh-201510013

2015-04-13

工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)目(SPS&KSE(P1))

張 雷(1978-),副研究員,博士,從事H2S/CO2腐蝕及耐蝕材料研究,010-62333972,zhanglei@ustb.edu.cn

TG174.4

A

1005-748X(2015)10-0963-05