淺談導管架平臺防腐設計

牛 童 王基威

中國石油天然氣第一建設有限公司 河南洛陽 471023

海洋環境下的金屬由于長期受到高濕度、高鹽度、強烈紫外線、海洋微生物和海冰等各種因素的侵蝕，存在不同程度的腐蝕現象[1]。隨著海上油（氣）田勘探開發工作的不斷深入，海洋平臺和海底管線等陸續服役，腐蝕問題也越發成為影響油（氣）田生產安全的主要因素之一。大多數金屬因熱力學穩定性及材料電化學不均勻性等原因，不可避免地會發生腐蝕，但我們可以通過某些方式來減緩腐蝕的速率。

1 導管架平臺腐蝕概述

金屬腐蝕的原因有多種，其中最廣泛、最常見的是電化學腐蝕。電化學腐蝕是指金屬表面與電解質接觸發生電化學反應而產生的破壞。反應過程中陽極（原電池負極）發生氧化反應并溶解，而陰極（原電池正極）也會伴隨發生相應還原反應[2]。

負極：Me-ne-=Me+

正極：2H2O+O2+4e-=4OH-（吸氧腐蝕）

或者：2H++2e-=H2↑ （析氫腐蝕）

金屬在海洋環境中的腐蝕，按形態可分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕指整個金屬表面發生均勻腐蝕。而局部腐蝕包括晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和電偶腐蝕等，其中晶間腐蝕指在金屬的微小晶粒四周發生的腐蝕現象；點腐蝕指在金屬表面分散發生的腐蝕，通常點蝕孔徑小于1mm；電偶腐蝕指兩種金屬相互接觸于電解質水溶液時發生的類似于電池作用的腐蝕現象；縫隙腐蝕指在金屬表面有縫隙的地方產生的腐蝕現象。

2 導管架平臺腐蝕的影響因素及其控制措施

2.1 影響因素

影響導管架平臺腐蝕的因素有三類，即化學因素、物理因素和生物因素[3]。

2.1.1 化學因素

溶解氧氣的含量是影響導管架平臺腐蝕性的重要因素。氧氣的含量隨著結構所處位置、海水溫度和海水深度的變化而變化。根據氧氣作用的不同，將金屬分為活性金屬和鈍態金屬兩類。其中活性金屬在金屬表面不會形成具有保護性的氧化膜，所以氧氣濃度越高腐蝕破壞就會越嚴重；鈍態金屬在金屬表面會形成具有保護性的氧化膜。另外，二氧化碳也會增加海水的腐蝕性。圖1給出腐蝕速度與溶解氧濃度的關系。

圖1 腐蝕速度與溶解氧濃度的關系

2.1.2 物理因素

海水流速的作用隨著金屬環境體系的不同而不同。對于形成鈍化膜的金屬，在高速海水中具有較高的耐腐蝕性，在低速靜滯的海水中耐腐蝕性卻不佳。因為，在高速海水中金屬表面可以不間斷地獲得氧氣從而形成鈍化膜。圖2表示腐蝕速度與流速的關系。

圖2 腐蝕速度與流速的關系

2.1.3 生物因素

海洋結構表面上附著的海洋生物會影響導管架平臺的腐蝕作用。對于鈍態金屬而言，這些生物附著在金屬表面，阻礙了維持鈍態所必需的氧氣的供應。對于活性金屬而言，生物附著可以減少腐蝕破壞。生物附著引起的腐蝕破壞強度隨著所處地理位置的不同而不同。在熱帶海域，全年都可以產生生物附著，在北極海域則不會有生物附著情況。

2.2 控制方法

對于海洋環境下的鋼結構腐蝕，無論是實驗檢測，還是生產實踐，都顯示出了很強的規律性。根據腐蝕特點和平均腐蝕速率不同，一般將其劃分為5個區域：大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區，如圖3所示。對于大氣區、飛濺區和潮差區，目前主要采用涂漆或保護層的方法來減緩腐蝕速率；對于全浸區和海泥區，則主要采用陰極保護的方法。

圖3 海洋平臺腐蝕區域劃分示意圖

3 導管架平臺防腐設計

3.1 防護涂層

導管架平臺一般采用重防腐涂裝系統[4]，通常涂層厚度小于1000μm，設計防腐壽命15年。對于飛濺區，一般采用玻璃鱗片環氧耐磨涂層（涂層厚度750～1000μm），面漆顏色由業主指定。渤海海域主樁式導管架材用的涂裝系統如下：

3.1.1 系統A

系統A適用于飛濺區的結構物表面，包括導管架腿、泵護管、電纜護管、隔水套管、靠船件和（登船）平臺等，具體如表1所示。

表1 系統A涂裝系統

3.1.2 系統B

系統B適用于飛濺區以上（大氣區）導管架腿、泵護管、電纜護管、隔水套管和（樓梯）平臺等，具體如表2所示。

3.1.3 系統C

系統C適用于所有表面鍍鋅的格柵，具體如表3所示。

3.2 陰極保護

陰極保護方法可分為兩種：犧牲陽極陰極保護和強制電流陰極保護。對于導管架結構來說，犧牲陽極的陰極保護法是最常用的方法，下面以某設計年限為20年的海洋平臺導管架為例，介紹陽極塊的設計方法。

表2 系統B涂裝系統

表3 系統C涂裝系統

（1）環境條件參數：海水的電阻率（ρ）為23Ω·cm；海水溫度為-1.2～28.5℃；碳鋼和低合金鋼保護電位為-0.8V（Ag/AgCl參比電極，介質海水）。

保護電流密度和總保護電流（Ic）分別見表4和表5。

表4 保護電流密度數據表 mA/m2

表5 總保護電流數據表 A

(2)陽極塊參數：陽極塊需符合GB/T 4948-2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極》的要求，本文選用陽極塊參數信息如下：類型為長條形（見圖4）；毛重（Wg）384.0kg；凈重（Wn）291.4kg；利用率（u）為 0.9；陽極塊平均電容量（ε）為2000A·hr/kg。

圖4 陽極塊類型

(3)每個陽極提供的初始電流：驅動電壓（E）為0.25V；陽極塊初始電阻率（Ra）為0.044Ω；初始電流（Ia）為5.7A。

(4)每個陽極提供的末期電流：驅動電壓為0.25V；陽極塊末期電阻率為0.058Ω；末期電流為4.3A。

(5)陽極需求數量（n）需滿足以下條件：

第一，滿足平均需求電流折算的總安時數要求，見式（1）。

n×Wn×ε×u≥Ic（平均）×Tf×8760 （1）

即，n≥455.9×20×8760/(291.4×2000×0.9)=151塊。

第二，滿足初始、末期所需電流強度要求，見式（2）。

n×Ia(初期/末期)≥Ic(初期/末期) （2）

即：初期 n≥780.5/5.7=137塊；末期 n≥576.6/4.3=134塊。

在工程中，陽極塊一般成對布置且稍有富余量，因此結合結構圖紙，選定陽極塊數量為150塊。

4 結論

導管架平臺腐蝕應考慮其影響因素和控制方法，再對不同區域進行針對性的防腐設計，如防護涂層和陰極保護等，從而保證其設計的合理性，為海上生產的順利進行，以及作業人員的安全打下基礎。