海洋石油鉆井機械設備腐蝕因素及防治技術

張國磊(中海油田服務股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

海洋石油鉆井地區(qū)環(huán)境復雜，石油鉆井機械在惡劣的環(huán)境中長期處于運行狀態(tài)，鉆井機械設備表面極易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。鉆井機械設備的腐蝕問題可導致設備性能退化，使用壽命降低，甚至出現(xiàn)運行故障和石油鉆井生產(chǎn)事故。為了預防和減緩腐蝕破壞，首先需要掌握海洋石油鉆井機械設備的腐蝕原因，針對不同的腐蝕類型，通過相應的防腐蝕技術和方法，阻斷和控制腐蝕過程，可大大降低故障及事故風險。

1 海洋環(huán)境腐蝕類型

海洋腐蝕是鉆井機械在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。海水是復雜的電解質體系，同時海浪的沖擊、海洋微生物及其代謝產(chǎn)物等都會對機械設備產(chǎn)生腐蝕作用。海洋腐蝕主要是局部腐蝕，即從機械構件表面開始的小區(qū)域腐蝕，如點腐蝕、縫隙腐蝕等。海洋石油鉆井機械設備的腐蝕原因不盡相同，腐蝕類型主要有化學腐蝕、生物腐蝕、力學作用腐蝕和電化學腐蝕。

1.1 化學腐蝕

化學腐蝕指金屬與化學物質接觸時發(fā)生化學反應而被氧化腐蝕的過程[1]。海洋鉆井機械設備的化學腐蝕通常為硫化物、氯化物、環(huán)烷酸腐蝕，利用腐蝕后的鉆井機械開采石油時，機械設備會與其發(fā)生化學反應，加速石油鉆井機械設備的腐蝕。一般情況下，化學反應速率會隨溫度的升高而加快。因此，南海的海洋環(huán)境及溫度對鉆井機械設備的化學腐蝕影響更為明顯。

1.1.1 硫化物

海洋石油鉆井過程中，會出現(xiàn)硫化氫和多硫化物腐蝕。石油鉆井過程中，多硫化物會附著在鉆井機械設備表面，多硫化物具有氧化性，在酸性環(huán)境中不穩(wěn)定，易與海洋或空氣中的水反應分解生成硫化氫，硫化氫具有較強的還原性，可與設備表面保護材料發(fā)生化學反應，導致腐蝕發(fā)生。

1.1.2 氯化物

海水和海泥中含有較多的氯化物，原油中含有大量的水分，在海洋石油開采過程中，鉆井機械會與海水、海泥及原油中的氯化物接觸，造成石油鉆井機械發(fā)生嚴重腐蝕。此外，氯化物在一定條件下可以生成鹽酸等酸性物質，與石油鉆井機械發(fā)生化學反應，從而造成更為嚴重的腐蝕。

1.1.3 環(huán)烷酸

環(huán)烷酸，別名石油酸，是石油化工中環(huán)戊烷單環(huán)衍生物的混合物，為原油中有機酸的總稱。環(huán)烷酸黏度大，為弱酸性化合物，具有強腐蝕性。環(huán)烷酸幾乎不溶于水，易溶于石油醚、乙醇等有機溶劑。在鉆井過程中，機械設備的鐵、鋅、鉛等金屬可以與環(huán)烷酸發(fā)生反應，造成材料元件發(fā)生嚴重腐蝕，降低運行質量與安全性。

1.2 生物腐蝕

海洋生物腐蝕指海洋微生物如細菌等附著于金屬表面并棲息繁殖，破壞鍍膜和防腐蝕涂層，從而產(chǎn)生的局部腐蝕現(xiàn)象。海洋生物腐蝕通常發(fā)生在在平均低潮線以下半米至一米處，這一區(qū)域的溶解氧充分、水溫較高、海生物繁殖快。海洋微生物沉積在不銹鋼表面，不銹鋼在缺氧的環(huán)境中鈍化形成閉塞電池，從而導致腐蝕電位提高，大大增加了石油鉆井機械設備的局部腐蝕速度。微生物能夠顯著影響鑄鐵塊的腐蝕進程，硫酸鹽還原細菌可以在無氧條件下產(chǎn)生硫化物，從而引起金屬的腐蝕。此外，一些細菌還可以釋放NH3和H2S，亦具強腐蝕性。

1.3 力學作用腐蝕

金屬在流體沖刷下會發(fā)生一定程度的腐蝕，叫力學作用腐蝕。不同環(huán)境因素和材料性質對力學作用腐蝕機理的影響規(guī)律不同[2]。海洋力學因素對腐蝕速率有一定的影響，在浪花飛濺區(qū)，波、浪、潮、流對金屬構件產(chǎn)生低頻往復應力和沖擊，破壞金屬的保護膜，是海洋鉆井機械設施腐蝕最嚴重的區(qū)域。同時，海風和海流可加速鉆井機械設備的腐蝕速率。潮差區(qū)的潮汐、海流運動造成金屬表面干濕交替，從而加劇腐蝕[3]。當深度超過30 m時，海水流速低，金屬腐蝕顯著減輕。

1.4 電化學腐蝕

在海洋石油鉆井機械腐蝕現(xiàn)象中，電化學腐蝕最為常見。電化學腐蝕指電解質溶液與金屬接觸時，發(fā)生原電池反應而造成的腐蝕現(xiàn)象。在海水與海泥交界處下方的區(qū)域，容易產(chǎn)生海泥海水腐蝕電池。在潮濕的海洋環(huán)境中，NO2等氣體溶解在機械元件表面的水膜中形成電解質溶液，機械元件極易形成陽極為鐵，陰極為雜質的腐蝕電池。陽極發(fā)生氧化反應，使陽極發(fā)生溶解；陰極發(fā)生還原反應[4]，海水腐蝕是氧的去極化腐蝕，在靜止狀態(tài)或海水流速不大的情況下，陰極過程受氧的擴散速率控制。海洋石油鉆井機械設備的腐蝕形態(tài)初期主要為點蝕，點蝕程度隨著時間的增長而逐漸減輕。合金中的鐵與雜質均勻接觸，導致電化學腐蝕不斷進行。

2 海洋石油鉆井機械設備的主要腐蝕防治措施

海洋石油鉆井機械設備的腐蝕原因復雜，為了保障海上平臺的安全生產(chǎn)，石油企業(yè)應充分利用鉆井機械設備防腐蝕技術，防患于未然。機械設備出現(xiàn)腐蝕之后，及時對腐蝕面進行處理也可以一定程度上控制腐蝕程度的加劇。目前，針對海洋石油鉆井機械設備的腐蝕防治措施主要有：使用耐腐蝕鉆井機械材料、在鉆井機械設備表面涂抹防腐蝕涂料、電鍍防腐蝕、電化學防腐蝕技術、放置緩蝕劑等。

2.1 耐腐蝕鉆井機械材料

石油鉆井機械設備的主體材料是防腐蝕技術的核心問題，選擇耐腐蝕材料可以從根本上解決鉆井機械設備的腐蝕問題。海洋石油中的環(huán)烷酸、硫化物、氯化物等成分易與鐵反應，因此在選擇石油鉆井機械材料時，應選擇不銹鋼材料，避免選擇易生銹的鐵材料。按金屬元素含量的不同，不銹鋼可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼。奧氏體不銹鋼耐腐蝕范圍最廣，其中最常用的316 ss材料含鉻、鎳、鉬元素，耐酸堿腐蝕。除金屬外，還有其他耐腐蝕材料。例如，聚四氟乙烯被廣泛地用作設備連接處的密封材料和填充材料。

2.2 防腐蝕涂料

海洋石油鉆井機械設備的腐蝕情況多發(fā)生于機械設備的表面。因此，在石油鉆井機械表面涂抹防腐蝕涂料，可有效控制機械設備的腐蝕速度。抗腐蝕涂料能有效的避免化學物質與鉆井機械設備表面反應出現(xiàn)的腐蝕問題。海洋石油鉆井機械防腐蝕涂料主要分為底漆、中漆、面漆三層，目前常用的為無機聚合物涂料等。環(huán)氧富鋅漆(底漆)具有良好的耐油性、耐干濕交替鹽霧，適用于海洋環(huán)境。環(huán)氧樹脂漆(中漆)具有良好的耐堿腐蝕特性，耐磨損、耐油、耐海水，漆膜具有良好的彈性和硬度。聚氨酯漆(面漆)即聚氨基甲酸酯漆，具體良好的附著力，同時耐化學腐蝕、耐油、耐磨，漆膜韌性好。底、中、面各自發(fā)揮特長，涂層耐腐蝕性優(yōu)異。

2.3 電鍍和熱鍍防腐蝕

目前，電鍍和熱鍍是重要的鉆井機械設備表面防腐蝕技術。電鍍是在鉆井機械設備表面鍍一層金屬或合金的過程，以防止鉆井機械設備表面與海水、海洋大氣和酸堿物質等發(fā)生反應，從而起到防腐蝕作用。電鍍防腐蝕技術的鍍層材料有鎳、鋅、鉻、銅、鈦等；基體材料以鋼、不銹鋼或鑄鐵為主，也有非鐵金屬和ABS塑料等。熱鍍是一種將金屬浸入熔融液態(tài)金屬或合金中以獲得涂層的工藝技術，涂層較厚，防腐蝕效果優(yōu)于電鍍。鍍層具有犧牲陽極保護基體材料的作用，電鍍和熱鍍的結合可以大大延長鋼在海洋環(huán)境中的使用壽命。

2.4 電化學防腐蝕

電化學防腐蝕技術主要用于氯離子腐蝕導致的鋼筋銹蝕。氯離子來自于混凝土、海水等。海洋石油鉆井機械設備的電化學防腐蝕是基于電化學原理，對機械設備采取措施使其成為腐蝕電池中的陰極，從而有效地防止金屬腐蝕的方法。電化學防腐蝕技術包括陰極保護、電化學再堿化、電化學除氯。其中，電化學再堿化技術和電化學除氯防腐蝕技術更適用于以土壤為電解質的金屬腐蝕，一般用于混凝土外部施工時。陰極保護分為犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極法是依靠電位負于被保護對象的金屬，使其通過犧牲自身而為保護對象提供電流，在電解質環(huán)境中形成相應的保護回路，更適用于海洋石油鉆井機械設備的防腐蝕。

2.5 緩蝕劑防腐蝕

在于海洋石油鉆井機械運行環(huán)境中，緩蝕劑可以與海洋石油中的腐蝕性物質發(fā)生化學反應，有效減輕原油中的雜質對鉆井機械設備表面的腐蝕[5]。根據(jù)化學成分，緩蝕劑可分為聚合物、有機和無機緩蝕劑。根據(jù)控制的部位進行分類，可分為混合、陰極和陽極緩蝕劑。其中，混合型緩蝕劑可以防止水中的溶解氧擴散到金屬表面；陰極緩蝕劑可與金屬表面上的陰極區(qū)域發(fā)生反應形成保護膜；陽極緩蝕劑能夠與金屬離子發(fā)生作用，在海洋石油鉆井機械設備表面形成一層保護膜，可減緩機械設備表面的腐蝕。

3 結語

目前，我國海洋石油的開采占比遠遠小于陸地。一方面，海洋石油開采難度大于陸地；另一方面，海洋環(huán)境較陸地惡劣，石油鉆井機械設備的腐蝕程度也較陸地嚴重，無形中妨礙了海洋石油資源的深入開發(fā)。為充分利用鉆井機械設備，相關企業(yè)需要結合海洋石油鉆井機械防腐蝕技術，對相應設備進行保護，做好鉆井機械設備腐蝕后治理工作，提升鉆井效率，增加海洋石油產(chǎn)量。