浮式生產(chǎn)儲油輪海水管路的腐蝕問題與對策

賀海龍 尹鵬飛 李 輝 莫 蘭 韓 冰 李向陽許 彪 廖卓偉 陳亞林 李金梅 鄭志建

（1. 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2. 青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；3.大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

浮式生產(chǎn)儲油輪（FPSO）是集生產(chǎn)、處理、儲存、運輸、生活、供電于一體的綜合性大型海洋石油生產(chǎn)基地。它的海水管路系統(tǒng)包括工藝冷卻水系統(tǒng)、主惰性發(fā)生器冷卻系統(tǒng)、輔惰性發(fā)生器冷卻系統(tǒng)和中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)，主要功用是輸送冷卻和消防海水。該系統(tǒng)管路材質(zhì)復(fù)雜，異種金屬連接較多，局部區(qū)域多形成大陰極小陽極，在海水介質(zhì)環(huán)境下加速了管道和設(shè)備腐蝕，跑冒滴漏現(xiàn)象嚴重，設(shè)施維護成本較高，嚴重影響了儲油輪的生產(chǎn)和安全。

目前，海洋石油開采領(lǐng)域中石油儲油輪的海水管道系統(tǒng)最常用的防腐防污方法是在管道內(nèi)壁涂上一層防護，但是一旦涂層失去效果，海水管道就會受到更大的損害，就會出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕中“大陰極小陽極”的普遍現(xiàn)象，水中的氯離子很快在病灶處形成點蝕，造成管道穿孔，這也是涂層法最致命的缺點。再者由于涂層在管道在焊接安裝過程中會遭到破壞，就更易產(chǎn)生“大陰極小陽極”現(xiàn)象，使得海水管道損壞更嚴重。涂層遭到損壞造成管路腐蝕后就很難修復(fù)，此時就需要對管路進行更換，更換的過程就會影響儲油輪的工作效率，頻繁更換海水管路造成諸多不便，耗費人力物力，增加了運行成本。

1 FPSO海水管路的腐蝕特點

根據(jù)對多個FPSO海水管路系統(tǒng)腐蝕調(diào)查分析和現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)FPSO的海水管系腐蝕普遍存在如下特點：（1）海水管路所處的位置影響腐蝕的發(fā)生：一般機艙頂部比機艙底部的管路腐蝕嚴重，離水泵出口較遠的管路比離水泵出口近的管路腐蝕嚴重；（2）管徑的大小的影響腐蝕的嚴重程度：管徑較小的管路比管徑較大的管路腐蝕嚴重；（3）靠近彎頭和變徑管附近局部腐蝕嚴重；（4）管系內(nèi)部以蜂窩狀腐蝕為主[1]。以南海某油田FPSO為例：該油田是南海西部于2002年7月投產(chǎn)的主力油田，投產(chǎn)至2005年FPSO的海水冷卻系統(tǒng)(未加陰極保護之前)發(fā)生了多起腐蝕事故。海水冷卻系統(tǒng)共有三個海水門、六大主要的用水冷卻系統(tǒng)和一套防海生物裝置，即：工藝系統(tǒng)、中央空調(diào)冷卻系統(tǒng)、柜式空調(diào)冷卻系統(tǒng)、天然氣冷卻器、惰氣系統(tǒng)及冷藏柜冷卻系統(tǒng)等設(shè)備[2]。海水管線的材料分為兩種，管徑小于4時的管道材料為白銅（即B10，含鎳10%），管徑大于4時的管道材料為普通碳鋼。海水冷卻系統(tǒng)自投產(chǎn)運行以來，其中海水泵的揚水管6個月左右便要檢修、更換一次，泵殼及葉輪腐蝕嚴重；海水管線在焊縫、彎頭、變徑處腐蝕尤為嚴重，經(jīng)常發(fā)生腐蝕穿漏事故，部分海水管線的壁厚由最初的12.70mm腐蝕至7.51mm[3]；海水冷卻系統(tǒng)冷凝器的冷凝管泄露嚴重，經(jīng)常投入較大的人力、物力檢修，嚴重影響了平臺的正常生產(chǎn)。雖然海水冷卻系統(tǒng)添加了銅緩蝕劑，但效果不理想。

2 影響海水管路腐蝕的主要因素

2.1 材料的影響

海水管系材料本身的性能是最根本的因素，即管路材料的耐蝕性對管路的腐蝕情況起著決定性作用。常用的海水管路材料主要分為幾大類：（1）碳鋼類：鋼、鍍鋅鋼等碳鋼材料的耐腐蝕性能較差；（2）銅合金類：鋁黃銅、B10銅鎳合金、B30銅鎳合金等耐海水耐腐蝕性能較好，基本上不需要其它保護,在一個大修周期內(nèi)基本上不會出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象；（3）316L雙相不銹鋼、鈦合金等具有很好的耐蝕性，但成本較高[4]。值得注意的是鎳銅管、碳鋼或者不銹鋼材料等異種金屬連接的話，就會發(fā)生電偶腐蝕，從而形成腐蝕穿孔，直接導(dǎo)致管道漏水。另管道的材質(zhì)外也可以考慮復(fù)合非金屬材料，如玻璃鋼、加強聚胺酯等材料在海水中具有優(yōu)良的耐蝕性。

2.2 氣蝕的影響

氣蝕的形成是由于海水的流動時發(fā)生飛濺產(chǎn)生的大量氣泡在管路內(nèi)壁撞擊破裂，造成局部壓力瞬間劇增，使金屬表面保護膜遭到破壞，加速腐蝕。氣蝕的特點是管道壁被腐蝕成馬蜂窩狀的小孔[5]。這種影響主要表現(xiàn)在彎頭、變徑管和熱交換器水室等地方。

2.3 海水流速的影響

海水流速影響主要是以下兩方面：一方面是海水流動過程中對管壁的沖刷和撞擊，另一方面是水流動時空氣中的氧氣會與金屬管壁不斷接觸。海水的流速越快，其流動的紊亂程度就越高，就會使得氧氣接觸金屬管壁的頻率就越高，氧去極化的作用就會處于高峰狀態(tài)，海水管路的腐蝕狀態(tài)也會隨著腐蝕電流的增大而越發(fā)嚴重，流速大時的腐蝕速度是靜止時的腐蝕速度的幾倍甚至幾十倍[6]。碳鋼類材料的腐蝕速度隨流速的增加而增加。銅合金材料類的則存在一個臨界流速問題，在海水中使用紫銅是流速控制在0.9m/s為宜，含砷的軍用黃銅海水流速不宜超過1.8m/s，鋁黃銅流速可提高到3m/s，B10和B30可分別達到3.6m/s和4.5m/s的流速[7]。不銹鋼、鎳基合金材料在高流速時抗蝕性好，流速低時抗蝕性差。

2.4 腐蝕環(huán)境的影響

海水管道的腐蝕程度和其所處的環(huán)境密不可分。除了管道所處的海水環(huán)境以外，還可能受到潮濕的海洋大氣環(huán)境和海底沉積物的侵蝕。大氣環(huán)境中的氧含量更高，更易受到腐蝕；海底沉積物中的硫酸還原菌也會加速管系的腐蝕速度[8]。

2.5 結(jié)構(gòu)因素的影響

影響海水管道腐蝕的一個重要因素就是管道的構(gòu)型。在管道的分流和匯流處海水水流紊亂程度較高，增加了氧氣與管壁接觸的頻率，增大腐蝕作用；彎管處和管徑變化處等最易發(fā)生沖擊腐蝕[9]。異型管比直型管在同樣流速下更易出現(xiàn)海水沖擊形成的蝕坑或者管壁變得薄而脆的現(xiàn)象[10]。海水管系的連接方式也是造成腐蝕的一個因素。在管道連接的縫隙處往往會形成旋渦或是接口處不平整形成急流而導(dǎo)致連接處的后段易破損。不同種金屬直接接觸會發(fā)生電偶腐蝕，且電勢差越大的異金屬腐蝕速度越快[11]。

2.6 海生物的影響

海生物的對海水管道的影響主要是以下三個方面：（1）海洋自養(yǎng)型生物進行光合作用產(chǎn)生氧氣使得海水中的氧氣增加，增加氧去極化作用加速管系的腐蝕[12]；（2）海生物進行呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳，某些海生物能分解出硫化氫，導(dǎo)致周圍的水體酸化加劇腐蝕；（3）海生物活動會破壞管壁涂層，有些海生物甚至能穿透保護層，從而加快腐蝕速率[13]。

3 海水管路腐蝕的控制方法

3.1 控制管內(nèi)流速

根據(jù)管路的實際情況，可以采取控制流速的方法有兩種，一是擴大管徑，二是減小流速，當(dāng)海水流速減小至1.5m/s以下時，管系內(nèi)壁的腐蝕情況能夠得到有效的改善。經(jīng)研究分析得出各種管材的最大允許流速值如表1所示。

表1 各種管材的最大允許流速值[14]

以上所說最大流速系指正常水流穩(wěn)定狀態(tài)下的流速，當(dāng)海水特別平穩(wěn)時或海水紊亂時，其最大允許流速值有一定的波動。

3.2 采用耐海水腐蝕的管材或內(nèi)涂金屬或非金屬覆蓋層

采用耐海水鋼、高含Ni、Cr材料和復(fù)合材料，采用良好的重防腐涂層體系包括熱浸鋅與內(nèi)襯PE、PFTF等方法來提高管系的耐蝕性[15]。

3.3 涂料防護

涂層防護是如今最普遍、最便捷、最有效的防腐手段之一，其用于管路的防腐從理論上是成熟的，即是在管系基體與海水介質(zhì)之間設(shè)置一道屏障，阻隔兩者之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的傳導(dǎo)系統(tǒng)，使得管壁無法直接接觸海水，從而達到保護效果。但涂層防護有其致命的缺點，即一旦涂層出現(xiàn)破損，就會出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕中常見的“大陰極小陽極”現(xiàn)象，海水中的氯離子會迅速在破損處形成點蝕，造成管線穿孔[16]。而由于管線施工需要焊接或安裝，均會造成涂層損壞，使其在應(yīng)用之初即形成缺陷。所以海水管路一般采用涂層-電化學(xué)聯(lián)合防護的方法進行腐蝕控制。

3.4 涂層—電化學(xué)聯(lián)合防護

涂層-電化學(xué)防護方法也是管路防腐最常用的方法之一，常用于輸送鋼管路的防護。此法對涂覆的基材有一定的要求，管路基材的加工處理需按照GB8923-88標(biāo)準嚴格執(zhí)行，并選擇優(yōu)質(zhì)的防腐涂料能夠很大程度上減少管路的腐蝕[17]。對于管路易腐蝕的區(qū)域不止需要涂層的保護，還需要聯(lián)合電化學(xué)防護，可以選擇犧牲陽極陰極保護法，加裝鋅塞、鋅栓、鋅環(huán)等較為活潑的金屬作為犧牲陽極，也可采用外加電流陰極保護法。例如管道彎頭部分需要加強陰極保護措施，同時考慮使用PVC工程塑料、鋁塑復(fù)合管、玻璃鋼管膜凸起鼓泡現(xiàn)象代替。對于常見口徑為D200～D600的小管徑海水管路，受管道管徑的限制，犧牲陽極的保護方法無法實施，普通的外加電流保護法受工藝及保護半徑的限制也無法達到預(yù)期的效果[18]。線型陽極外加電流陰極保護技術(shù)是控制小管徑海水管路腐蝕的一種有效方法，它的輔助陽極是采用一種線型方式安裝在管道內(nèi)部，具有安裝快捷方便、保護距離長、保護電位分布均勻、管道開孔少，不影響管道保溫的優(yōu)點。該技術(shù)南海奮進號FPSO海水管路線型陽極陰極保護應(yīng)用效果良好，運行三年后檢查發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部保護良好，沒有發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，而沒有使用外加電流的海水管道一年內(nèi)出現(xiàn)了大量腐蝕穿孔現(xiàn)象[19]，施加線型陽極保護和不加保護管路內(nèi)壁如圖1所示。

圖1 施加線型陽極保護和不加保護管路內(nèi)壁對比（上；加保護；下：不加保護）

4 結(jié)語

FPSO的海水管路易受腐蝕的損害，并且受到工藝設(shè)計、材質(zhì)選擇、施工質(zhì)量、維護管理以及工況與環(huán)境變化等諸多因素的影響，對于海水管路不同的因素造成的腐蝕情況進行評估分析，從而選擇合理有效的腐蝕控制方法，由此減少關(guān)停故障，提高設(shè)施與設(shè)備的完好率，可以延長海水管路使用壽命和維修周期，提高安全指標(biāo)，避免環(huán)境污染，保障海上生產(chǎn)作業(yè)的安全進行。