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海上平台设施设备腐蚀状况研究
撰稿:丁可
 
 


( 舟山五洲船厂,浙江舟山316000)

     摘要: 文章阐述了海上平台工作特点和腐蚀状况,分析了各种腐蚀及其产生的机理,指出了影响腐蚀的因素,提出了海上平台的防腐措施

     关键词: 海上平台; 化学腐蚀; 电化学腐蚀; 腐蚀机理; 防腐措施

     中图分类号: TE95 文献标志码: C 文章编号: 1001 8328 ( 2012) 06 0050 03

 

海上平台主要指相对固定于海上一段时间或一个时期的石油钻井平台,其工作特点是部分设施浸入海水,部分设备暴露于空气当中,由于受海水电解质的长期作用和空气氧化作用,使设备遭受腐蚀,影响其使用寿命及安全性,给生产单位造成极大的经济损失。各国关于防腐蚀的研究和尝试从未间断,我国也投入了大量的人力、物力进行海上作业平台防腐蚀的研究和实践,并取得了有效的成果。作为一名船舶行业人员,为了使建造的船舶和作业平台寿命和安全性能更好,有必要对防腐蚀问题进行研究探索。

海上平台的腐蚀情况

最近我国对金属腐蚀损失的统计表明,腐蚀造成的经济损失约占国民经济的3%,而船舶和石油钻井平台的腐蚀经济损失更是高达6%。同时,由于设备腐蚀造成的停工停产、事故危险系数的增加和海洋环境的污染等损失,就更无法计算了。

油水输送管道是海洋平台生产中的重要设施之一,在潮湿、盐雾环境下,由于材料及工艺原因,管道不能耐受强腐蚀性环境,且以前大范围采用的盐棉保温方式,导致因下雨存水使管线锈蚀严重。同时,随着注水的见效,油井含水逐渐升高,含有高矿化度流动介质的输油管道、闸门锈蚀严重。另外,由于油田注水采用的是海水水源,导致部分注水管线锈蚀严重。因此,工艺管道、闸门普遍存在严重的内外腐蚀,甚至有腐蚀穿孔的危险,严重威胁着平台生产安全。目前海上平台所使用的设备由于材质、焊接工艺等主观原因,在海上特定的腐蚀性客观条件下,腐蚀情况表现出多样性和复杂性特点。海上平台本体结构、诸多管线、闸门以及辅助设施锈蚀严重,腐蚀穿孔和断裂的危险情况经常发生,严重威胁着海上平台生产安全。

海上平台腐蚀机理

自然界大多数金属通常以化合物的形式存在。金属腐蚀实质上是金属从高自由能向低自由能恢复,实现其物质稳定状态的过程。金属释放能量就是腐蚀的动力。从高自由能向低自由能转换的趋势就是腐蚀发生的倾向,只有某些金属表面被致密的氧化膜覆盖才相对阻止了氧化的进一步发生。因此,腐蚀过程不仅取决于腐蚀反应的自由能变化,还应考虑腐蚀介质的性质以及腐蚀产物在该介质中的稳定性。另外,由于各种金属本身的活泼性不同,形成电位的高低不同,在电解质的离子导通下造成某些金属变成离子进入介质溶入电解质溶液,使金属质量损耗。金属的电极电位越低,表示金属越容易离子化,越不耐腐蚀。

2.1 金属腐蚀速度的表示方法

金属遭受腐蚀,其质量、尺寸和金相组织都发生一系列的变化,测量这些物理量的变化值,可以判明金属被腐蚀的速度大小。

1) 金属在被腐蚀后其质量往往减轻,金属在单位表面积和单位时间内的质量变化值如下:

                         

式中:V-为金属失重速度,g/ ( m2·h) ; m0m1表示金属腐蚀前后的质量; S表示腐蚀面积、腐蚀时间。

2) 金属被腐蚀后造成金属材料厚度减少,公式如下:


式中: VL为金属腐蚀深度ρ 为金属的密度。

  3) 金属被腐蚀后由于其金相结构发生变化,其电阻阻值也发生变化。公式如下:


式中: R0R1为金属被腐蚀前后的电阻值。

2.2 化学腐蚀机理

金属与周围介质非电解质直接作用发生化学反应引起的破坏称为化学腐蚀,也叫氧化反应。化学腐蚀又可分为气体腐蚀和有机介质腐蚀。

1) 气体腐蚀是指在干燥气体中的腐蚀。主要是指金属与周围氧化剂气体发生直接作用,形成氧化物的过程。钢结构海上钻井平台,生成的氧化物主要含Fe2O3Fe3O4FeOo Fe203Fe3O4组成的致密氧化膜能保护内部金属进一步被氧化,而FeO结构疏松,极易形成进一步的氧化反应。

2) 有机介质腐蚀是指金属在不导电的有机介质中发生的腐蚀。这类腐蚀理论上比较轻微,但是由于介质中含水或无机盐而使金属的化学腐蚀变为电化学腐蚀,加剧了腐蚀的程度。

2电化学腐蚀机理

金属表面与离子导电的电解质发生电化学作用而产生的破坏称为电化学腐蚀。电化学腐蚀过程中伴有电流产生。是海上平台典型的腐蚀形式之一,电化学腐蚀有以下几种形式。

1) 电偶腐蚀。种活泼性不同的金属物质放入电解质溶液中,由于金属物质表面失去电子的倾向不同,就构成了简单的电池,使性质活泼的金属失去电子变成离子进入溶液而被腐蚀。

2) 氧浓差腐蚀。同一种金属物质部分暴露于空气中、部分被水或泥土掩埋,导致金属物周围空间的氧浓差不同,形成电位的高低,进而形成微电池。

3) 石墨化腐蚀。金属在冶炼过程中加入的石墨与金属本身,由于电位不同而构成微电池。

4) 应力腐蚀。金属零件在一定的应力和特定的介质共同作用下,形成电位不同的微电池。

5) 晶间腐蚀。金属晶间组织不同或不均匀,形成电位高低的微电池。

6) 海水腐蚀。海水是典型的电解质溶液,组成海上作业平台的金属存在各种差异,可以形成微观电池,也可能形成宏观电池。

影响腐蚀的主要因素

海上作业平台的栈桥、甲板、上部组块、平台上保温管线、阀门支座及附属构件及配电间。由于海盐特别是氯化钙和氯化镁很容易吸水潮解,在金属表面形成一层导电性良好的薄薄的液膜,导致电化学腐蚀。腐蚀速度取决于空气湿度、降水量、温度、各种污染杂质和水的聚集状态。

水上基盘导管架腿、拉杆、支撑、防沉板、抗冰隔水管及附件,管线支吊架及附属构件,平台桩腿钢表面,由于在潮溅区经常与充气良好的海水接触,使紧贴桩腿表面上的液膜长期保持,氧浓度高,由于氧是良好的去极化剂,形成了氧去极化电化学腐蚀。而且,由于风浪的影响、冬季浮冰冲击,导致严重的腐蚀。

平台在全浸区的腐蚀受到溶解氧、盐类浓度、海洋生物、海水温度、海水深度等的影响。在厚度约1 m 的表层海水中含氧最多,含氧量随着深度的增加先是缓慢降低,然后急剧下降,腐蚀速度降低一般随海水盐度增加,电导增加,腐蚀速度增加海水流速增大,有利于氧的去极化过程,冲刷带走腐蚀产物,不断给阴极供氧,腐蚀速度增大。一般情况下,平台在海水中的腐蚀速度为0.08 0.20 mm/a,但是容易发生严重的局部腐蚀和腐蚀疲劳,引起平台结构的破坏。对于部分埋在海底部分裸露在海水中的桩腿和海管,由于氧浓差电池作

用,将加快埋在海泥中桩腿、海管的腐蚀。

防止或减轻海上平台腐蚀的措施

防止化学腐蚀,可以根据化学腐蚀的机理在金属表面覆盖防护膜或电镀防护层等处理,另外选择抗腐蚀材料也是一种有效途径。防止电化学腐蚀的最基本原则就是破坏产生电化学腐蚀的条件。因此为了减轻海上作业平台的腐蚀,提出以下防护措施。

1) 在操作成本允许的情况下进一步优选防腐涂料及设备材质,把好入口关。

2) 对腐蚀率超过20% 的管线应考虑予以更换,以防止管线刺漏和污染事故的发生。

3) 对保温层损坏、锈蚀严重的及时修复,对多年不动流程上可采取福乐斯夹克保温系统。

4) 在考克等多动部件上采用不锈钢部件,在整个流程上采用电极保护。以牺牲阳极阴极保护法作为平台、海管保护的重要措施实施到位。对阴极保护电位来说,存在着最佳保护电位。不同的阴极保护规范,保护标准往往不完全相同。

5) 对平台管线流程要有计划的、定期的、随机的检测与监测。平台大气区及潮溅区的检测包括对防腐层进行目测和对裂痕等进行仔细的非破坏性检测,全浸区的检测在专用工作船上,利用遥控潜水器和聘任的潜水员分别进行一般的目测和详细的无损伤检查。遥控潜水器可以对整个结构明显的损伤、结构异常和腐蚀进行扫描。在预选区进行保护电位测定及阳极损耗的目测,进行超声波厚度检测。而海底管线的定期检测则更是有着严格而又高技术含量的规范要求。

6) 进行平台、海管剩余寿命的预测。对处于强腐蚀性海洋环境中的海洋平台,不仅投资巨大,而且它的可靠性直接关系到油田和工作人员的安危,海底管线是否可靠关系到是否会发生溢油或天然气泄露,导致环境污染或引发爆炸、火灾事故。因此,开展平台腐蚀的在线检测/评价/维修保养,进行平台和海管的剩余寿命预测非常重要。

海上作业平台遭受腐蚀是必然的,但可以根据产生腐蚀的机理采取有效的措施减轻腐蚀,保障海上作业的安全性和可靠性。

 

 

 
 
 
 
 
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