石油平臺在海洋潮差區與飛濺區的新型防護技術研究

張 偉，金 曦

（中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海鎧防腐工程技術分公司，上海 200000）

1 概述

石油是“工業的血液”，是重要的燃料來源和化工原料，我國作為主要的石油消費大國，對服役于海水環境這一強腐蝕性介質中的海洋鉆井平臺采取有效的防腐技術刻不容緩。

對于海上石油平臺導管架的鋼管樁，經常采用涂層防腐的方法，這種防腐方法施工較為簡單，但是存在明顯的局限性，如涂層易脫落等。另外經常使用到的就是犧牲陽極的陰極保護法，然而由于浪花飛濺區和海水潮差區干濕交替，海水浸泡率較低，在這兩個區域使用電化學方法來防護具有一定的局限性，有待進一步改進。研究適用于海洋工程鋼結構浪花飛濺區和海水潮差區的導電包覆防腐方法，可以減少海上石油平臺導管架樁腿的腐蝕，降低海上石油平臺的維護成本，延長海上石油平臺的使用壽命，對降低海上石油平臺維護費用具有重要意義。

前蘇聯海洋石油工業研究設計院曾設計一種外加電流的陰極保護方法，證明了導電包覆方法的可行性。針對現有導電包覆方法的局限性，本文所提出新型導電包覆防腐方法，該防腐方法主要的改進之處在于：能延長海水浸泡在被保護結構表面的時間，有效提高被保護結構表面的海水浸泡率，讓海水在被保護結構表面充當電解質溶液，形成相對穩定的離子通道，從而使被保護結構表面獲得更好的電化學防腐效果。同時具備設計簡單、施工方便、維護成本低、選用的材料易得等優點。由于陰極保護優化設計涉及結構與環境等因素，因此本文為簡化研究，僅研究包覆層的高度和厚度對陰極保護的優化設計，其他影響因素固定不變，并通過數值模擬法對陰極保護系統進行優化 設計。

2 實驗部分

2.1 材料選定

（1）進行數值模擬優化設計，首先需要選定導電包覆層的材料。包覆層選擇吸水保濕材料，需滿足以下要求：①吸水性和保濕性優良；②能在浪花飛濺區和海水潮差區形成連續的電解質膜；③耐用，不需要頻繁維護和更換；④材料易制得，經濟效益好；⑤綠色環保。

（2）吸水保濕材料的技術指標如下：①浪花飛濺區及海水潮差區陰極保護用吸水保濕材料包覆后的吸水高度不低于液面上1m；②浪花飛濺區及海水潮差區陰極保護用吸水保濕材料包覆后在室內環境下保濕維持陰極保護狀態不低于24h；③浪花飛濺區及海水潮差區陰極保護用吸水保濕材料包覆后導電性能滿足陰極保護最低導電性要求，金屬構件的保護電位小于-800mV（vs.CSE）。

通過查閱相關資料，篩選各種吸水保濕材料，本實驗選定聚乙烯醇（PVA）作為包覆層的吸水保濕材料，PVA是一種常用的水溶性有機高分子聚合物，具有無毒性、無腐蝕性、可被生物降解的優點。

2.2 鋼管樁的數值模擬優化設計

由于海上石油平臺導管架包含大量的管道、鋼支架、犧牲陽極，為了研究導管架的陰極優化設計，通過COMSOL Multiphysics軟件中“腐蝕模塊”中的邊界單元，實施邊界元方法對單個鋼管樁的進行陰極保護模擬優化設計：

首先構建單個直徑1 000mm，高度為5 000mm的實心鋼管樁數值模型，鋼管樁的底部均勻放置四支500×（200+210）×220mm海洋工程常用的鋁合金犧牲陽極，材質為Al-Zn-In-Mg-Ti，吸水保濕包覆層材料為PVA，海水的電導率為5S/m，選擇的物理場為一次電流分布，鋁的平衡電位Eeq=-1.050V，參比電極為Ag/AgCl參比電極，保護電流密度如表1所示。

表1 常用初期保護電流密度

考慮到鋼管樁在流動海水中，有PVA包覆層的包覆，根據上表，取30mA/m2作為保護電流密度。

3 結果與討論

3.1 鋼管樁的數值模擬優化

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁外包覆一層高度為5.00m（保持包覆層與鋼管樁高度相同，下同）、厚度為0.10m的PVA，作為導電包覆層。包覆層中的海水作為電解質溶液，使包覆層能夠作為原電池的離子通道。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.10m的PVA后，鋼管樁電位為-0.820～-1.050V，因為要求的保護電位是-0.800～-1.050V，所以符合保護電位要求。

其他條件保持不變，將包覆層厚度減小0.10m到0.09m后。輸入邊界條件，運行計算。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.09m的PVA后，鋼管樁電位為-0.810～-1.050V，符合保護電位要求。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆層厚度減小至0.08m。輸入邊界條件，運行計算。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.08m的PVA后，鋼管樁電位為-0.802～-1.050V，符合保護電位要求。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.07m的PVA后，鋼管樁電位為-0.790～-1.050V，不符合保護電位要求。

綜合以上模擬優化設計結果，總結相關數據，如表2所示。

表2 不同厚度的包覆層下鋼管樁電位范圍

由此可知，對于直徑為1.000m、高度為5.000m的鋼管樁，包覆層的厚度≥0.08m時能起到保護作用，包覆層的厚度≤0.07m時不能起到保護作用。

包覆層的高度取決于鋼管樁的高度，因為裸露的鋼管樁會直接與海水接觸，不能起到陰極保護效果，所以包覆層的高度不能低于鋼管樁的高度。對于包覆層的厚度而言，上述的實驗數據并不意味著在實際工程應用中采用包覆材料體積最小的方案就是最好的，因為除了考慮材料成本，還要綜合其他因素來考慮。對于包覆厚度而言：包覆厚度越厚，鋼管樁的陰極保護效果越好，但是結構的載荷越大，安裝越困難，包覆層越容易滑落；包覆厚度越薄，結構載荷越小，安裝越容易，包覆層越不容易滑落，但是鋼管樁的陰極保護效果越差。從材料成本的角度來看，包覆層越薄，包覆層體積越小，所需的包覆材料成本越小。由于海上石油平臺導管架的浪花飛濺區和海水潮差區不斷受到海浪和風雨的沖擊，對于不同環境下的鋼管樁，應選擇合適的包覆厚度，平衡各種影響因素之間的關系，使包覆層能滿足需求。

3.2 導電包覆外殼材質的選擇

為了導電保護層可以進行長周期的服役，還需要在被保護的鋼結構的最外層增設一層高強度的外殼，用螺栓固定于鋼結構上。

在電化學防腐的基礎上，結合浪花飛濺區和海水潮差區的國內外防腐技術的現狀，篩選出玻璃鋼、高密度聚乙烯和氯丁橡膠三種材質，作為包覆外殼材質。

3.2.1 玻璃鋼

玻璃鋼是一種玻璃纖維增強材料，具有易于設計、強度高、耐腐蝕、透光性好、電絕緣性好、隔音降噪性能優良等優點。但是在大氣暴露的條件下，由于天氣引起的機械損傷和陽光輻射會導致老化，特別是未加保護的玻璃鋼，其表層老化明顯。

3.2.2 高密度聚乙烯

高密度聚乙烯為白色粉末或顆粒狀產品，其硬度、拉伸強度和蠕變性比低密度聚乙烯好，其韌性、耐摩擦性、耐低溫性和絕緣性較好，常溫下，不溶于有機溶劑，耐酸、堿、鹽腐蝕，水蒸氣和空氣難以透過其薄膜，耐老化性差，與低密度聚乙烯相比，其耐環境應力開裂的性能較差，所以需要加入抗氧化劑和紫外線吸收劑來增強其性能。增強型高密度聚乙烯復合管由于具有優異的耐壓性能、耐腐蝕性、經濟效益、接頭可靠性和安裝效率，而被廣泛用于石油生產。

3.2.3 氯丁橡膠

氯丁橡膠是用氯丁二烯為主要原料制成的合成橡膠，機械性能較好，具有較高的拉伸強度、伸長率和可逆的結晶性，黏接性好，耐油性好，耐高溫，耐燃，耐陽光輻射，耐臭氧腐蝕，耐酸堿腐蝕等。氯丁橡膠的缺點是耐低溫性能較差，儲存穩定性較差。

使用氯丁橡膠進行包覆，最內層是被保護的鋼管，中間層是氯丁橡膠防腐層，最外層是防海生物附著 層。若將氯丁橡膠應用于本文所提出的導電包覆技術，則不能直接把氯丁橡膠包覆在鋼管樁上，而是需要將氯丁橡膠作為包裹層，包裹住吸水保濕材料，作為一個整體，再將這個整體包覆鋼管樁。

4 結束語

1）通過深入分析海洋鋼結構浪花飛濺區和海水潮差區腐蝕的原理，指出這兩個區帶腐蝕嚴重的原因主要是干濕交替下發生電化學腐蝕，再綜合國內外海洋防腐技術，提出一種新型導電包覆方法，該方法采用吸水保濕材料作為電解質層的犧牲陽極陰極保護技術，再結合覆蓋層保護技術，可用于海上石油平臺的導管架樁腿浪花飛濺區和海水潮差區的防腐。

2）建立了鋼管樁的數值模型，導電包覆層采用PVA作為吸水保濕材料，通過陰極極化的優化設計，從下到上，電位逐漸正移，符合陰極保護電位區間的要求，即保護電位符合-0.800V到-1.050V的范圍。包覆層越厚，保護效果越好。然而實際應用中并不是包覆層越厚越好，對鋼管樁進行陰極保護優化設計，可以節省包覆層材料的用量，同時最大限度地發揮犧牲陽極的防護效果，使最大保護高度能覆蓋整根鋼管樁的高度，從而減少犧牲陽極的消耗，既能降低防腐成本，又能減少資源消耗和環境污染，還能提高包覆層的結構穩定性。

3）根據現有的包覆材料，選定了玻璃鋼、高密度聚乙烯和氯丁橡膠三種包覆外殼材質，采用哪種包覆材料需要根據實際的現場環境來決定。從耐海水沖擊和其他摩擦碰撞的角度來說，玻璃鋼在三者中表現最好。但是從安裝方便程度、經濟效益、耐海水腐蝕和耐紫外線老化的角度來看，高密度聚乙烯在三者中最好。

4）所述的導電包覆防腐方法的海水浸泡率更高，使電解質溶液對被保護結構表面的覆蓋效果更好；設計簡單，施工方便，維護成本低，能延長有效保護的年限；選用的材料容易獲得，有利于該防腐方法的 推廣。