海上平臺金屬腐蝕與防護研究

于傳波

中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518000

海上石油平臺作為全球能源供應的關鍵基礎設施，常年受到海水、濕氣、溫度變化以及生物侵蝕的影響。這種特殊的環境使得金屬腐蝕成為一個不可忽視的問題，直接關系到平臺的安全運營和使用壽命。海水中的鹽分、濕氣和氧氣是金屬腐蝕的主要誘因，而溫度的波動和生物活動則加速了腐蝕過程。這種腐蝕不僅危及結構安全，還可能導致重大的環境污染事件，如石油泄漏等。高質量的金屬防腐蝕技術不僅可以提高平臺的安全性和可靠性，減少事故和損失的風險，而且可以降低運營成本，提高經濟效益。

1 腐蝕分類

1.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕是常見的腐蝕形式，表現為金屬表面均勻地失去材料，這種腐蝕通常導致金屬表面出現均勻的銹蝕或蝕刻，但不會形成孔洞或裂縫。在海洋環境中，由于海水中含有大量的氯化物，鐵及其合金容易發生均勻腐蝕。此類腐蝕通常與金屬表面與腐蝕介質（如海水中的鹽分和氧氣）的直接接觸有關。不同類型的金屬和合金對均勻腐蝕的抵抗力不同。例如，鐵和鋼在海水中更容易均勻腐蝕，而某些不銹鋼和合金顯示出更好的抗腐蝕性能。

1.2 局部腐蝕

局部腐蝕是指金屬材料在特定部位集中發生的腐蝕現象，與均勻腐蝕不同，它通常在金屬表面的局部區域內快速進行，導致材料性能的嚴重下降。在海上平臺的應用環境中，局部腐蝕尤為關鍵，因為它直接影響到平臺的結構完整性和安全運行，尤其是在管道上局部腐蝕可導致整條管道失效。局部腐蝕主要可以分為以下幾種類型。

1.2.1 點蝕

點蝕是局部腐蝕的一種常見形式，表現為金屬表面出現微小但深入的坑洞。這種腐蝕通常發生在被局部化學或電化學環境破壞的區域，如金屬表面的缺陷或污染物聚集處。在海上平臺中，點蝕通常發生在管道和閥門等部件上，尤其是那些接觸海水的部分，因為海水中的鹽分和氧化劑可以加劇點蝕的發展。

1.2.2 縫隙腐蝕

縫隙腐蝕發生在金屬的縫隙或接合處，如螺栓連接、焊縫和覆層邊緣。這種腐蝕形成的原因通常是由于縫隙區域中腐蝕介質的積聚或流動性差，造成局部化學環境的變化。在海洋平臺中，由于結構復雜，縫隙腐蝕常在難以檢測和維護的區域內發生，從而增加了維護的復雜性和成本。

1.2.3 應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂是由于持續的機械應力和腐蝕性環境共同作用而發生的腐蝕形式。在海上平臺，由于持續的海浪、風力和操作壓力，結構材料經常承受較大的應力。當這些應力與腐蝕性環境（尤其是含氯離子的海水）結合時，就可能導致應力腐蝕開裂的發生，特別是在高強度鋼材和某些不銹鋼中較為常見。

1.2.4 腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是由交變應力和腐蝕環境共同作用引起的金屬疲勞損傷形式。在海上平臺，由于機械載荷和海洋環境的雙重影響，金屬材料可能會經歷交變應力，導致裂紋的形成和擴展。海上平臺比較典型的場景就是管道系統以及支撐結構。管道系統經常承受內部流體的壓力變化和外部環境的腐蝕作用，特別是那些用于輸送腐蝕性流體（如含硫化氫的原油或天然氣）的管道。平臺的支撐結構導管架經常承受波浪和風力的循環載荷，同時也暴露在海水腐蝕環境中。這種腐蝕方式對平臺的結構部件尤為危險。

2 腐蝕的影響因素

海上石油平臺的金屬腐蝕是一個復雜的現象，受到多種環境和操作因素的影響。

2.1 海洋環境因素

2.1.1 鹽分

海水中的高鹽分是導致金屬腐蝕的主要因素之一。鹽分可以促進電解質的形成，海水中的鹽分顯著提高了水的電導率。在這個電池中，金屬的某些部分（陽極）失去電子（氧化），而其他部分（陰極）獲得電子（還原）。這種電子流動導致陽極部位的金屬逐漸溶解，在這種過程中金屬逐漸損耗。

2.1.2 濕度和溫度

海上平臺通常處于高濕度環境，濕氣提供了腐蝕所需的水分環境，水分在金屬表面形成薄膜，使得電解質（如海水中的鹽分）在金屬表面聚集，促進電化學腐蝕過程。高濕度環境還增加了金屬表面與腐蝕介質的接觸頻率和范圍，加速了金屬的腐蝕速率。濕氣中的水蒸氣可能會在金屬的微小縫隙或裂縫中凝結，形成局部電解質濃縮區，導致局部腐蝕，如縫隙腐蝕和點蝕。

溫度的波動也會影響腐蝕速率，溫度升高通常會加快腐蝕過程。隨著溫度的升高，電解質（如海水中的鹽分）的活性和離子濃度可能增加，進一步促進電化學腐蝕過程。

2.1.3 氧氣和其他化學物質

氧氣可以直接與金屬發生反應，形成氧化物，這是一種化學腐蝕過程，不需要電解質的參與。相比于電化學腐蝕，在海上平臺這種腐蝕往往比較緩慢。氧氣最主要的腐蝕機理主要是溶解在海水中的加速電化學反應，它促進了陰極反應，這通常是金屬腐蝕過程中的速率控制步驟。

其他的腐蝕性化學物質比如輸油氣管道中存在的H2S、CO2和氯化物等可以形成電解質，導致金屬離子化和電化學腐蝕。水和腐蝕性氣體（如H2S和CO2）共存時，會形成酸性環境，加速管道內壁的腐蝕。

2.2 機械和物理因素

2.2.1 金屬焊接

焊接過程本身及其結果對于金屬材料的腐蝕性能有著顯著影響，特別是在海上平臺的工作環境。焊接對金屬腐蝕速率的影響主要有以下幾個方面：（1）焊接區域的微觀結構變化：焊接過程中的高溫會改變金屬在焊縫附近的微觀結構，這可能導致焊縫區域與母材在化學和物理性質上的差異，從而形成腐蝕電池。（2）焊接應力和應力腐蝕開裂：焊接過程產生的內部應力可能導致金屬材料在特定腐蝕環境下出現應力腐蝕開裂。在海上平臺中，這種現象尤其危險，因為平臺經常暴露于含有氯離子的海洋環境中。熱影響區域受殘余應力影響，腐蝕程度較焊縫會加重[1]。（3）焊接材料的選擇：使用與母材化學成分或電位不匹配的焊接材料可能加劇焊縫區域的腐蝕。在海上平臺中，選擇適合海洋環境的防腐蝕焊接材料尤為關鍵，如使用特定合金或耐腐蝕涂層的焊條。（4）焊接質量和技術：焊接缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋等，會成為腐蝕的起點，特別是在海洋環境中。高質量的焊接技術和嚴格的焊接質量控制是預防焊接缺陷和相關腐蝕的關鍵。（5）后焊處理：后焊熱處理可以減輕焊接引起的應力，降低應力腐蝕開裂的風險。對焊接區域進行適當的表面處理，如打磨和涂覆防腐層，也有助于提高焊接區域的腐蝕抗性。

2.2.2 異種金屬接觸

當兩種不同的金屬或合金在電導性介質（如海水）中相互接觸時會發生電偶腐蝕。這種腐蝕在海洋環境下尤為常見。這種情況下，電位更負的金屬會發生腐蝕，而電位更正的金屬則受到保護，兩種金屬間的電位差越大，電偶腐蝕的速率通常越高。電偶腐蝕需要兩個條件：（1）兩種金屬形成電連接；（2）兩種金屬處于同一電解質環境中。

2.2.3 機械應力

海上平臺在運營過程中會承受來自波浪、風力和操作活動的機械應力。這些應力可能導致金屬疲勞，增加腐蝕的風險。

2.2.4 磨損和損傷

機械磨損和物理損傷可以破壞金屬表面的保護層，比如由于吊裝作業引起的甲板面油漆受損，會使其更易受到腐蝕。

2.3 生物因素

海洋中的微生物，如細菌和藻類，可以導致微生物腐蝕。微生物腐蝕是海上石油平臺金屬腐蝕中的一個重要因素，尤其是硫酸鹽還原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）對金屬管道的影響。SRB 是一類厭氧型微生物，廣泛存在于油氣田污水、油泥、油氣集輸管線、土壤等環境中[2]。在海上平臺的環境中，這些細菌常常在金屬管道內部、儲罐底部或其他缺乏氧氣的環境中生長。SRB的代謝活動產生的硫化氫是一種強還原劑，可以與金屬反應形成金屬硫化物，導致金屬的局部腐蝕。硫化氫還能降低局部環境的pH值，加速金屬的腐蝕過程。SRB還可能在金屬表面形成生物膜，這種生物膜不僅為細菌提供保護，而且可以集中腐蝕介質，加劇局部腐蝕。SRB對海上平臺金屬管道的影響主要表現在可以在管道內部引起嚴重的腐蝕，特別是在管道內壁或焊縫處。SRB引起的通常難以檢測，可能導致管道泄漏，進而引發安全事故和環境污染。

2.4 設計和結構因素

2.4.1 設計缺陷

設計不當的部件可能會在某些區域積聚腐蝕介質，如排水和排污管線沒有設計坡度，可能會導致水和污物的局部聚集，引發局部腐蝕。

2.4.2 材料選擇不當

使用不適當的材料也會增加腐蝕風險。例如，采油油井生產管柱如果在設計選材時沒有考慮井下高溫、高壓、腐蝕性介質的影響，將存在腐蝕穿孔的風險。

3 常見腐蝕防護措施

3.1 防護材料

3.1.1 防腐涂層

應用在金屬表面的防腐涂層可以有效地隔絕金屬與腐蝕介質（如海水、氧氣）的直接接觸。這些涂層包括環氧樹脂、聚氨酯和鋅豐富的涂料等。在涂層選擇時，需考慮涂層的耐化學性、耐磨性和附著力。

3.1.2 耐腐蝕合金

使用耐腐蝕性能更強的合金材料，如不銹鋼、鎳基合金和銅鎳合金，可以顯著降低腐蝕速率。奧氏體不銹鋼如304、316系列是最常用的不銹鋼類型，尤其是316不銹鋼，由于其增加的鉬含量，對海水有更好的抵抗力。22Cr雙相不銹鋼比316奧氏體不銹鋼對氯化物應力腐蝕開裂具有更強的耐腐蝕性[3]，特別是對點蝕和裂縫腐蝕的抵抗能力。銅鎳合金也經常用于海上平臺和船舶的海水冷卻系統、消防水系統、公用海水系統中。由于銅鎳合金具有自然的抗生物腐蝕性，它們在海上環境中被用作防止生物生長的表面材料。

3.1.3 犧牲陽極

采用犧牲陽極，如鋅或鎂合金，可以通過電化學原理保護主體金屬。犧牲陽極會優先腐蝕，從而保護主體金屬不受腐蝕。陽極塊通常設計在導管架、海管立管等重要設備上。

3.2 設計和工程措施

3.2.1 材料選擇

在設計階段，除了選擇耐腐蝕合金外，還要盡量避免將電位差異較大的金屬材料直接接觸，選擇在電化學系列中電位接近的材料，以減少電位差，從而降低電偶腐蝕的風險。還可以在不同金屬之間使用非導電的絕緣材料，如涂層、墊圈或隔板，來阻斷電子的流動。

3.2.2 設計避免縫隙

避免裂縫和引起腐蝕的方法是使用良好的設計和施工方法，并使用焊點來解決源頭的間隙問題[4]。對于螺栓與法蘭之間的不可避免的縫隙處可以采用外涂密封材料的方式隔絕腐蝕介質，在管線與支撐之間添加絕緣墊片，這些措施都可以減緩腐蝕發生。

3.2.3 陰極保護系統的設計

在平臺結構設計中整合陰極保護系統，如外加電流陰極保護，可以有效防止金屬腐蝕。

3.3 維護和操作策略

3.3.1 加注緩蝕劑

緩蝕劑通過減緩或阻止腐蝕過程，保護金屬管道免受海洋環境的侵蝕。緩蝕劑的作用機理主要包括吸附作用和改變電化學反應。吸附作用是指緩蝕劑中的活性成分能在金屬表面形成保護膜，阻止腐蝕介質與金屬的直接接觸。這層薄膜減少了金屬離子的溶解和氧氣的擴散，從而降低腐蝕速率。改變電化學反應是指某些緩蝕劑能改變金屬表面的電化學性質，抑制腐蝕電池的形成。加注緩蝕劑時需要注意確保緩蝕劑在系統中均勻分布，避免局部過量或不足。要合理設定緩蝕劑的注入點，以保證全面有效的腐蝕防護。還要定期對金屬設備進行腐蝕監測，評估緩蝕劑的效果。

3.3.2 定期檢查和維護

定期對平臺進行全面檢查，尤其是對那些難以觀察的部位，以及關鍵的腐蝕區域，主要包括對涂層的完整性、犧牲陽極的狀況以及整個陰極保護系統的功能進行檢查。

3.3.3 清潔和去污

定期清潔金屬表面，去除海洋生物、鹽分和其他沉積物，可以減少腐蝕的機會。

4 結束語

海上石油平臺因長期暴露于海水、濕氣、溫度變化和生物侵蝕等惡劣環境下，金屬腐蝕問題顯得尤為嚴重，直接關系到平臺的安全運營和壽命。海水中的鹽分、濕氣和氧氣是主要腐蝕因素，溫度波動和生物活動則加速腐蝕過程。技術人員針對不同腐蝕類型，如均勻腐蝕、局部腐蝕（點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞）進行了詳細分析。通過選擇良好防護材料、改善設計和工程措施、優化維護和操作策略等途徑可以提高平臺防腐蝕能力。