海上浮式储油装置生产水舱阳极腐蚀速率分析

金向东

(中海油能源发展湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 524057)



海上浮式储油装置生产水舱阳极腐蚀速率分析

金向东

(中海油能源发展湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 524057)

按照《牺牲阳极电化学性能试验方法》(GB/T 17848—1999)分析不同温度、不同pH下不同牺牲阳极在海上浮式储油装置生产水舱中生产水的电流效率，结果表明不同牺牲阳极的电流效率不同，降低生产水温度和调整pH值可以提高牺牲阳极的电流效率，从而达到延长牺牲阳极使用寿命的目的。

腐蚀速率；生产水温；pH值；阳极材料

海上浮式储油装置生产水舱和污油水舱牺牲阳极消耗太快，需要频繁更换牺牲阳极才能有效地保护船体结构[1-3]。按照海上浮式储油装置ODP设计要求，该牺牲阳极的使用寿命为13年，实际生产运行不到3年，生产水舱和污油舱舱底阳极消耗殆尽。2011年在油田不停产状态下完成阳极更换，由于油田后期含水量上升和新平台的介入，难以实现在线更换，如果再次更换牺牲阳极，油田就要压产甚至停产。为了延长牺牲阳极的使用寿命，需要从生产水舱涂层、生产水的腐蚀性和牺牲阳极3方面着手。首先应选择性能优异的涂层，完好的涂层只需要很小的保护电流，从而有利于延长阳极寿命[4-6]；其次，应设法降低生产水对船体结构钢材的腐蚀速率，此时也只需牺牲阳极提供较低的保护电流就可以达到保护钢材的目的；最后是提高牺牲阳极的电流效率，让牺牲阳极尽可能多地生成保护电流而不被溶液消耗掉[7-12]。涂层的性能和施工质量在生产水舱制造时就已固定，在使用过程中难以对其进行控制。电流效率是衡量牺牲阳极消耗的关键指标，因此考虑通过实验研究不同材料牺牲阳极、生产水温度和pH值对牺牲阳极电流效率的影响，并对海上浮式储油装置生产水舱腐蚀问题提出解决方案。

1 实验

1.1 实验原料

从市场上筛选5种电流效率较高的牺牲阳极A1、A2、B1、B2和C，其主要成分用电子能谱仪测定，每个牺牲阳极测定11个点，取平均值，见表1。

表1 5种牺牲阳极主要成分

对海上浮式储油装置生产水舱取样，其离子组成按《油气田水分析方法》(SY/T 5523—2000)[13]进行分析，成分见表2。

表2 油田生产水离子组成说明 mg/L

主要化学试剂有氢氧化钠固体、五水硫酸铜、无水乙醇、二甲苯、98%浓硫酸、37.5%浓盐酸及65%浓硝酸，均为广州化学试剂厂生产的分析纯试剂。松香石蜡为工业品，自市场购买。

1.2 实验仪器

上海一恒科学仪器有限公司生产的DHG-9240A鼓风干燥箱；美国FEI公司制造Quanta 650扫描电子显微镜(SEM)；永胜公司生产0～200 mA和0～50 mA直流电流表；美国Gamry Instruments 公司Reference600。

1.3 实验装置

1.3.1 阳极、阴极和铜电量计

牺牲阳极按《牺牲阳极电化学性能试验方法》(GB/T 17848—1999)要求加工，随后进行清洗，恒重，最后采用松香石蜡密封牺牲阳极两端。

阴极按《牺牲阳极电化学性能试验方法》(GB/T 17848—1999)要求制作，其材质为不锈钢，外形尺寸见图1。

图1 阴极结构示意

铜电量计按《牺牲阳极电化学性能试验方法》(GB/T 17848—1999)之附录A要求制作。

1.4 实验方法

参照《牺牲阳极电化学性能试验方法》(GBT 17848—1999)测定96 h不同牺牲牺牲阳极在不同温度和不同pH值的生产水中的电流效率。其中阳极位于阴极的中间部位、离液面和底部高度15～20 cm。

2 结果与讨论

2.1 不同牺牲阳极对电流效率的影响

牺牲阳极的电流效率是其实际供电量与理论供电量的百分比。电流效率越高，实际用于保护的电流分量就越大，被溶液消耗的牺牲阳极的分量就越少。不同牺牲阳极的组成有所不同，其电流效率也会随之产生差异。铝合金牺牲阳极的单位重量阳极材料发电量大[10,12]，约为锌阳极的3倍，镁阳极的2倍[14-19]，而且含氯离子的溶液中，发出电流的自调节能力强。因此3次平行测定5种铝合金牺牲阳极在海上浮式储油装置原始条件(48 ℃、pH 6.9)生产水中的电流效率，平均结果见表3。

表3 不同牺牲阳极的电流效率

通常牺牲阳极中Fe是有害的，因此是牺牲阳极中的限制元素。而镁的电极电位远低于金属铝。但从表3可知，含铁的牺牲阳极A1和含镁的牺牲阳极B2的电流效率较高，该结果出乎意料。这可能是由于生产水与通常用于评价牺牲阳极的海水存在较大的差异所致。牺牲阳极C的电流效率最低，仅为57%，这说明如果选用牺牲阳极C对在海上浮式储油装置生产水舱进行保护，有相当一部分没有用于保护，而是被溶液给消耗了。因此，对于海上浮式储油装置生产水舱，应选用牺牲阳极A1或牺牲阳极B2，而不应选用牺牲阳极C。

2.2 水温对牺牲阳极电流效率的影响

海上浮式储油装置生产水系统水温会对牺牲阳极消耗速度产生影响[20]，因此需要测定不同温度下牺牲阳极的电流效率。将海上浮式储油装置生产水分别控制在48、42、33、28和23 ℃，按《牺牲阳极电化学性能试验方法》(GBT 17848—1999)平行3次测定牺牲阳极C的电流效率，平均结果见图2。

图2 温度对牺牲阳极电流效率的影响

由图3可知，即使是电流效率最低的牺牲阳极C，其电流效率随温度的下降会迅速增加。在油田产出水温度48 ℃时，电流效率仅为57%，当温度降至23 ℃时，电流效率提高到83%。

降低污水温度不仅可以提高牺牲阳极的电流效率，减少牺牲阳极不必要的消耗。同时，降低温度可以减缓污水对船舶结构钢材的腐蚀速率[21]，此时较低的保护电流就能达到对船舶结构钢材的保护作用，这对延长牺牲阳极的使用寿命极为有利。

2.3 pH值对牺牲阳极的电流效率的影响

用1% HCl和NaOH溶液分别将生产水的pH值调整至9.0、8.5、8.0、6.9、6.0，测定48 ℃牺牲阳极C在不同pH值的海上浮式储油装置生产水中的电流效率，结果见图3。

图3 牺牲阳极的电流效率随pH值的变化

从图3可知，在pH值6～9的范围内，电流效率在pH值为6.9时最低，仅为57%。降低或增加pH值，其电流效率都会增加。在pH值为6时，电流效率达到了73%；在pH值为8.5时，电流效率也达到了74%。

虽然降低污水pH值可以提高牺牲阳极的电流效率，这有利于延长牺牲阳极的使用寿命，但降低污水pH值会增加船舶结构钢材H+的去极化腐蚀速率。此时，为了防止钢材的腐蚀，需要使用更大的保护电流才能避免钢材被腐蚀，这样会缩短牺牲阳极的使用寿命。而增加污水pH值既可以降低钢材的腐蚀速率。此时只需牺牲阳极提供较小的保护电流就可以达到保护效果，又可以提高牺牲阳极的电流效率。这对延长牺牲阳极的使用寿命特别有利。但增加溶液pH值会导致整个水系统结垢，需要对整个污水流程通盘考虑，采取必要措施，以避免在水系统中结垢。

3 结论

1)降低生产水温度可以显著提高牺牲阳极的电流效率。采用换热器至少可以将生产水温降至30 ℃，电流效率约为75%，较48 ℃的57%增加了18%。为达此目的，只需在生产水进生产水舱总管增加一台换热器即可降低阳极的腐蚀速率，工程难度较小。

2)海上浮式储油装置所用牺牲阳极(C样)的电流效率最低，在生产水原始条件(48 ℃、pH值为6.9)下仅为57%，而其他厂家2个牺牲阳极样品(B样)的电流效率相差不大，约为70%，其大批量的销售价格为35元/kg，与目前所用牺牲阳极价格相当，显然，采用B样牺牲阳极更为经济。

3)调整生产水的pH值可以有效改变牺牲阳极的电流效率。但增加溶液pH值会导致生产水结垢，需要对整个流程整改以避免生产水在流程中结垢。由于生产水要经过处理达标排海，pH值增加对处理设施造成的影响难以估量，所以不建议采用此方法。

4)牺牲阳极更换前需要对生产水舱洗舱，可以降低洗舱的频率；避免牺牲阳极更换过程中存在潜在风险，如人员滑倒摔伤、密保空间作业人员窒息、燃气探头报警引起生产关停、脚手架材料和工具等坠落碰撞舱壁产生火花引起爆炸、高空作业等。

5)2个生产水舱和2个污油舱共367块牺牲阳极，从现场阳极消耗情况来看，阳极消耗最快的是舱底阳极，其次是舱底2 m处的阳极，11.7 m处平台上阳极也存在消耗，但消耗量低，其他阳极基本无消耗情况。如果每次只更换底层及2 m处阳极150块左右，阳极材料费15万元，施工费约为100万元，洗舱费用10万元，共125万元。

6)试验需要大量的生产水做实验，测得的数据相对较少，若能做小模型设备到现场多次重复实验，应该可以获得更可靠的结果。

[1] 谷旭东.船体的腐蚀与保养[J].中国修船，2003,5(2):40-41.

[2] 张广智，裘达夫，左昭武.船体腐蚀规律与防腐蚀对策[J].中国修船，2003(2):34-35.

[3] 陆勇.船体腐蚀与维护保养问题的探究[J].中国水运，2011,11(7)：87-88.

[4] ThandarKaing, JIN Yongxing. Analysis on time variant reliability of primary ship bull subjected to corrosion[J].中国海洋大学学报，2007,28(1)：160-165.

[5] 郑金东.浅议船体腐蚀与维护保养措施[J].中国水运，2013,13(1):1-2.

[6] 卢尚工.化学镀船体防腐技术[J].舰船科学技术，2015,27(3):234-237.

[7] 杨朝晖，刘斌，李向阳，等.牺牲阳极在舰船阴极保护中的应用和进展[J].中国材料进展，2014,33(9/10):618-622.

[8] 龙晋明，郭忠诚，樊爱民，等.牺牲阳极材料及其在金属防腐工程中的应用[J].云南冶金，202,31(3):142-148.

[9] 李可.金属管道的电化学腐蚀与防护[J].油气田地面工程，2013,32(5):118.

[10] 徐宏妍，李延斌.铝基牺牲阳极在海水中的活化行为[J].中国腐蚀与防护学报，2008,28(3):187-192.

[11] 陈秀玲，关建庆，尹依娜，等.油田油水井高温牺牲阳极保护技术[J].腐蚀与防护，2005,26(12):524-526.

[12] 李威力，闫永贵，陈光，等.合金元素对铝基牺牲阳极性能的影响[J].中国腐蚀与防护学报，2012,32(2):127-132.

[13] 中华人民共和国石油天然气行业标准.油气田水分析方法：SY/T 5523—2000[S].北京：国家石油和化学工业局，2000.

[14] 李异.牺牲阳极在海泥中电化学性能的影响因素[J].腐蚀与防护,2001,22(12):527-529.

[15] 李异，邓和平.铝合金牺牲阳极在南海海泥中的性能研究[J].腐蚀科学与防护技术，1991,3(1)：22-26.

[16] 苏景新，张昭，曹发和，等.铝合金的晶间腐蚀与剥蚀[J].中国腐蚀与防护学报，2005,25(3):187-192.

[17] 张琦，李荻，丁学谊，等.LC4铝合金晶间腐蚀电化学机理[J].材料保护，1996,29(1)：6-8.

[18] 张匀，刘玉林，赵洪恩，等.8090Al-Li合金晶间腐蚀与剥落腐蚀性能研究[J].金属学报，1991,2(4)：B271-B277.

[19] ZHANG Bo, LI Xiang-yang, LI Chao, et al. Accumulation and application of environmental corrosion data about warship materials[J]. Corrosion & protection, 2015,36(4):347.

[20] 王芷芳，杨骁.牺牲阳极在高温下电化学性能的测定[J].化工腐蚀与防护,1994,2(1):21-23.

[21] 韩德刚，高执棣，高盘良.物理化学[M].北京，高等教育出版社，2001.

Study on the Corrosion Rate of the Water Tank in the Offshore Floating Oil Storage Device

JIN Xiang-dong

(OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

According to the Electrochemical Performance Test Method of the Anode (GB/T 17848-1999), the current efficiency of the production water in the water tank of the offshore oil storage tanks with different temperatures and different pH at different sacrificial anodes was studied. The results show that the current efficiency of different sacrificial anodes is different, reducing the production water temperature can effectively improve the current efficiency of the sacrificial anode, so as to achieve the purpose of extending the service life of the anode.

corrosion rate; water temperature; pH value; anode material

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.033

2016-01-05

金向东(1973—)，男，学士，高级工程师

U674.38;U672.7

A

1671-7953(2016)05-0131-04

修回日期：2016-02-17

研究方向:海上油气田开发工程项目管理

E-mail:jinxd@cnooc.com.cn