熱帶近海陸地石油鉆機的腐蝕機理及防護

劉傳世，焦永豐，羅健，胡昌蓬，賈墨

（1.中國石油技術開發(fā)有限公司，北京 100028；2.中國石油國際事業(yè)有限公司，北京 100033）

石油作為當今世界主要能源和基礎原材料之一，是國家經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的產(chǎn)品，對于國家的經(jīng)濟有極大的推動作用，是國家工業(yè)發(fā)展的血液。隨著經(jīng)濟增長，我們對于石油的消耗量逐漸增多，石油的開采量也相應的不斷增長。石油開采離不開石油鉆機，近海地區(qū)高溫、高濕、高鹽的特殊環(huán)境，導致陸地石油鉆機更容易受到腐蝕，研究鉆機的腐蝕機理，做好鉆機的防腐維護以及管理有利于提升鉆機的使用效率，延長石油鉆機的使用壽命。

1 熱帶近海陸地石油鉆機的常見腐蝕現(xiàn)象及原因

腐蝕是造成工業(yè)設備和基礎設施損壞或者報廢的主要原因之一，每年因腐蝕而導致的損失約占我國GDP 的5%。近海地區(qū)因海水蒸發(fā)而導致大氣中的鹽霧含量高，鹽霧對金屬有很強腐蝕作用，普通碳鋼在近海大氣中的腐蝕速率是沙漠中的50 ～100 倍，離海岸24 米處鋼的腐蝕速率比距離240 米處腐蝕速率大12 倍，近海大氣的影響范圍一般界定為距離海岸線20 千米以內(nèi)。隨著人工島和近海油氣資源的深入開發(fā)，近年在人工島及近海作業(yè)的石油鉆機數(shù)量不斷增多，但大多數(shù)鉆機依舊采用的是陸地鉆機防腐方法，不適用于近海環(huán)境，與內(nèi)陸使用環(huán)境中鉆機發(fā)生的故障對比，近海作業(yè)的石油鉆機設備使用過程中，設備受到的腐蝕較為嚴重，備件使用周期縮短。常見腐蝕現(xiàn)象有金屬結構件腐蝕變薄、金屬輸送管泄漏、電器元件老化快、橡膠軟管或橡膠電纜龜裂等，這些腐蝕會對鉆機的正常使用和壽命產(chǎn)生嚴重的影響。造成熱帶近海作業(yè)石油鉆機上述腐蝕現(xiàn)象的主要原因如下。

（1）鹽霧腐蝕。近海作業(yè)的鉆機長期處于鹽霧大氣環(huán)境中，鹽霧中含有的氯離子和鈉離子能夠穿透金屬表面的氧化層和防腐層，進而與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學反應，對金屬材料發(fā)生腐蝕。同時氯離子含有一定的水合能，容易吸附在金屬表面的空隙、裂縫，排擠并取代氯化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氧化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面，加速金屬腐蝕。鹽霧腐蝕使鉆機的金屬結構件發(fā)生翹皮脫落、厚度變薄、結構強度降低、作業(yè)安全風險加大。

（2）縫隙腐蝕。對尺寸在0.025 ～0.1mm 的縫隙，介質進入后易于在縫隙處滯留，近海高濕、高鹽環(huán)境為腐蝕提供了電解液，環(huán)境中的氯離子提高了縫隙腐蝕的可能性。縫隙內(nèi)外構成宏觀上的氧濃差電池，形成自催化過程，加速縫隙內(nèi)金屬的腐蝕。

（3）干濕交替加劇鹽霧腐蝕和縫隙腐蝕。晴朗多云、白天黑夜等變化，使鉆機表面經(jīng)常處于干濕交替的變化過程中，這一過程導致設備表面鹽等腐蝕介質出現(xiàn)濃縮，進而加快鹽霧腐蝕和縫隙腐蝕的速率。

（4）電偶腐蝕。石油鉆機中的電氣零部件采用了不同的材料，不同材料的抗腐蝕能力不同，材料之間耐腐蝕能力的差別造成了不同程度的電偶腐蝕，近海高濕、高鹽的環(huán)境加速了這種腐蝕。電偶腐蝕初期對設備影響不大，但是隨著腐蝕的累積，會使電氣零部件脆化、破裂、甚至失去原有的功效，對設備平穩(wěn)運行帶來隱患。

（5）“紫外-鹽霧復合環(huán)境”使橡膠老化（腐蝕）速率倍增。熱帶地區(qū)紫外線強，紫外線具有光波段、能量大的特性，高溫使橡膠“熱氧老化”過程加快，紫外線直接引起橡膠分子鏈的斷裂和交聯(lián)，同時橡膠吸收光能后產(chǎn)生游離基，引發(fā)并加速氧化鏈反應過程，而“紫外-鹽霧復合環(huán)境”將使橡膠老化速率倍增。石油鉆機的油、水、氣輸送管多由橡膠制成，橡膠老化變脆、龜裂、甚至斷裂將造成輸送管路泄露或堵塞。

2 石油鉆機零部件腐蝕后引發(fā)的后果

（1）使用性后果。零部件功能失效直接影響鉆井作業(yè)效率，對正常鉆井作業(yè)的順利進行產(chǎn)生嚴重影響。

（2）非使用性后果。零部件老化導致的功能性衰退，需要通過維修使設備達到再次安全使用許可。

（3）生態(tài)后果。石油鉆機因零部件失效而泄露的某些污染物，會對周圍環(huán)境造成不同程度破壞，甚至是出現(xiàn)不可逆的傷害。

3 熱帶近海陸地石油鉆機的防腐建議

從生產(chǎn)成本、維護成本、設備的使用壽命等方面綜合考慮，熱帶近海陸地石油鉆機防腐建議如下：

（1）涂層防腐。對鉆機井架、天車、游車、大鉤、水龍頭、泥漿泵、固控罐、發(fā)電機房、欄桿等暴露在野外環(huán)境中、不易受到外力磨損的易腐蝕表面，采用噴涂專用海洋漆來防腐，噴漆工藝流程詳見圖1。油漆電化學試驗結果表明：多層油漆涂層防腐效果好于單層油漆，有機油漆好于無機油漆。建議采用不小于100μm 厚度的環(huán)氧富鋅底漆+不小于100μm厚度的環(huán)氧樹脂中間漆+不小于75μm 厚度的丙烯酸聚氨酯面漆的噴涂方式，底漆為鋼鐵集體提供陰極保護，中間漆具有高效防滲透特性，面漆為底漆和中間漆提供一個保護層。對連接件、緊固件、電路或氣路保護管等需要經(jīng)常拆卸或者表面容易摩擦受損的碳鋼零部件，可以通過在零部件表面鍍鋅、鍍鉻等方法將零部件本體與外界腐蝕介質隔離開，達到防腐的目的。

圖1 噴漆工藝流程

（2）選擇耐腐蝕材料。對鉆井作業(yè)影響大或者維修成本高的零部件，在成本允許的情況下，建議采用耐腐蝕材料。不銹鋼和鋁合金材料具有良好的耐腐蝕性和工藝性能，可用于替換鉆機上部分碳鋼材料。比如將照明燈具的殼體和安裝支架由碳鋼變換成鋁合金，將SCR 或VFD 整流電控房、露天安裝的電控柜（箱）的殼體由碳鋼變換成316 不銹鋼等。更換材料后，雖然初次投入成本大，但從減少故障率帶來的鉆井效率提升和維修成本降低考量，仍具備經(jīng)濟可行性。

（3）采用除濕、除鹽霧裝置。對司鉆房、SCR 或VFD 整流電控房等電氣設備集中的區(qū)域，采用專用除濕機和加裝鹽霧過濾器等設備，改善房體內(nèi)部環(huán)境，延緩腐蝕速率。

（4）對含有橡膠的零部件采取遮光處理。試驗顯示，單獨鹽霧環(huán)境對橡膠老化影響較小，光照對橡膠老化速率影響較大，“紫外-鹽霧復合環(huán)境”將使橡膠老化速率倍增。通過對橡膠輸送管、橡膠電纜等含橡膠的零部件件采取埋地、加裝電纜盒或遮陽檐等遮光處理，可以有效減少陽光照射，從而改變“紫外-鹽霧復合環(huán)境”，延緩橡膠老化速率。

（5）加強鉆機的維護。在鉆機的整個工作期間內(nèi)，需進行周期性的維護保養(yǎng)，要做好班維護、周維護、月維護、年維護等，對拆裝、運輸、使用過程中造成的涂層損壞要及時修補，對護欄、過道等維修價值低的小件可直接換新。

（6）建立獎勵機制。當前石油鉆井公司內(nèi)“重物輕人”的現(xiàn)象依舊普標存在，相對于給維護管理人員獎勵，公司更愿意花錢采購新的鉆機零部件，但鉆機的維護與保養(yǎng)終究要由人來完成，高效的維護保養(yǎng)可以延長零部件的使用壽命、降低生產(chǎn)成本，合理的獎勵機制將有效激發(fā)維護管理人員的積極性，降低鉆機的故障率。

4 結語

本研究針對熱帶近海地區(qū)高熱、高濕、高鹽的特殊環(huán)境，深入分析了該環(huán)境下造成石油鉆機因腐蝕而失效的獨特原因，并提出相應的防護方法，適用于日常鉆井作業(yè)的防腐維護，也為其它類似環(huán)境條件下機電設備的運行維護提供參考。