滩海油田人工岛水-土-气腐蚀环境的多方位分析与评价

颜芳蕤 许腾泷 张书红 秦永坤 李岩 朱锡昶

1中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司

2水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院

冀东油田位于河北省唐山市境内的渤海湾滩海区域，现有NP1-1 号、NP1-2 号、NP1-3 号、NP4-1 号和NP4-2 号五座人工岛。人工岛上管线、储罐、采油平台等数量众多且结构多样，2017 年对在役滩海油气生产设施状态巡查时发现，岛上大量金属结构普遍发生明显的腐蚀。

从腐蚀角度看，海洋环境通常包括海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海底泥土区五个区带，各区带腐蚀特性不同[1]。按传统腐蚀环境分区，冀东油田人工岛所处滩海区域几乎覆盖了海洋腐蚀环境的所有分区，腐蚀环境苛刻。处于滩海区域的人工岛的腐蚀环境有其特殊性：一方面土壤理化性质差别大，上土层以含淤泥、砂粒的素填土和吹填海砂为主，土质松散且偏湿；另一方面土层中广泛分布Cl-Na 型咸水。两方面因素的存在，增加了滩海区域人工岛腐蚀环境的复杂性。因此，有必要系统研究并综合分析滩海区域人工岛的腐蚀环境特点，从而为推动滩海区域海洋资源开发和利用提供良好的参考经验。

1 测试方法及仪器设备

1.1 人工岛海水腐蚀性测试

海水对钢结构腐蚀有关的物理化学性质主要有盐度、氯度、电导率、pH 值、溶解氧含量、温度、流速及海生物组成等。采用Thermo-Orion 水质多参数测量仪测试人工岛周围海水的pH 值、电导率、溶解氧含量，采用氧化还原测定仪测量海水氧化还原电位及温度。

1.2 人工岛土壤腐蚀性测试

土壤电阻率是反映土壤腐蚀性的重要因素之一，其受土壤固有性质、土壤含水量、含盐量、pH 值、质地、松紧度等的综合影响。采用便携式pH 测试计测量土壤pH 值。采用Wenner 四极等距法测定人工岛土壤电阻率[2]。被测区土壤电阻率由以下公式计算得出

式中：ρ为被测区土壤电阻率，Ω·m；a为相邻两电极间距，本次测量a=5 m；R为仪器示值，Ω。

1.3 人工岛大气腐蚀性测试

大气氯离子沉降速率是反映滩海油田人工岛盐雾腐蚀性的重要环境因素。采用湿烛法[3]测量滩海区域的大气中氯离子沉降速率Sd,c，具体按以下公式计算

式中：m1和m0分别为取样溶液和空白溶液中Cl-的质量，mg；A为暴露纱布的表面积，m2；t为暴晒时间，d。

根据NP1-1、NP1-3 和NP4-1 人工岛的距海距离（与海水最高潮岸线的水平距离），分别设置大气中氯化物采集装置，并在距离最近的油田内陆作业区设置对比试验装置，如图1 所示。分别在2018年8—9 月和10—11 月进行现场取样，取样完毕后进行检测分析，计算氯离子沉降速率。

图1 大气氯离子采集装置布置示意图Fig.1 Distribution schematic of the device for collecting chloridion in atmosphere

2 结果与讨论

2.1 人工岛代表性钢结构腐蚀情况

人工岛登陆点的钢质靠船构件多处于浪溅区，通常该区域的腐蚀最为严重。如图2 所示，登陆点钢质靠船构件存在严重腐蚀现象，表面涂层完全破损脱落，出现大面积的蚀坑，局部位置钢板发生剥层脱落，腐蚀厚度在3 mm 以上。采用SEM 和EDS对钢质构件的腐蚀形貌和腐蚀产物进行分析（图3）。对于钢基体（图3a），其表面表现疏松、片状粗糙特征，EDS 分析表明，Fe 和O 元素质量分数分别为59%和34%，说明钢基体表面存在大量的Fe 的氧化物。对于表面涂层（图3b），其与基体的接触面上出现大量微裂纹，EDS 分析表明，Fe 和O元素质量分数分别为50%和37%，且出现一定量的Cl 元素（质量分数约1%），说明氯离子已经渗透贯穿整个涂层厚度，导致涂层与基体界面间发生明显腐蚀。

图2 NP4-1 号人工岛登陆点靠船桩和防撞桩的腐蚀状况Fig.2 Corrosion of ship piles and crash-proof piles at the landing place on NP4-1 artificial island

图3 钢质防撞桩基体及其表面涂层背面的腐蚀形貌Fig.3 Corrosion morphology of the substrate and surface coating of anti-crash pile

2.2 海水水质分析

表1 为NP1-1 号、NP1-2 号和NP4-1 号人工岛周围海水电导率、溶解氧含量、氧化还原电位及pH 测试值。从表1 可看出，3 座人工岛的海水电导率均在4×104μS/cm 左右。王曰义等[4]研究发现，电导率在400～4 000 μS/cm 之间存在临界电导率，超过该值时，金属在水中的腐蚀速率将随水的电导率的增加而增大，直到海水腐蚀速率出现最大值。冀东油田人工岛海水电导率均远超临界值，说明海水中电子与离子活度增加，因而腐蚀反应离子和电子的转移阻抗降低，会促进腐蚀反应的进行。

溶解氧含量是影响海水腐蚀性的重要因素。有研究表明[5]，质量分数为3%～3.5%的NaCl 水溶液对钢铁的腐蚀最为严重，当盐质量分数高于3.5%时，氧的溶解度降低且扩散速度减小，腐蚀速率明显下降。对照ASTM D1125—2014《水的电导率和电阻率的标准测试方法》[6]发现，3 座人工岛海水电导率介于0.1～1 mol/L 氯化钾参比溶液的电导率之间，相应换算成NaCl 的质量分数包含了上述腐蚀速率较高的浓度区间。结合表1 可见，3 座人工岛海水溶解氧质量浓度均保持在7 mg/L 左右，未随海水电导率变化而出现明显降低，这说明人工岛周围海水与空气接触，加上波浪不断搅动，大量的氧可以溶入海水，以保证供氧充足。因此可以推断，人工岛海水中的溶解氧仍会使钢具有较高的腐蚀速率。

表1 冀东油田人工岛海水水质测试分析结果Tab.1 Quality test and analysis results of sea water around the artificial islands of Jidong Oilfield

水的氧化还原电位是由若干个氧化还原电对共同作用的结果，可综合反映海水体系的氧化能力。因此，氧化还原电位必然通过与海水中金属腐蚀反应耦合而对其腐蚀过程产生影响[7]。钢在海水中的腐蚀受到阴极氧去极化控制，如式（3）和（4）所示。

通常，氧化还原电位与海水的含氧量和pH 值相关，不过在开放性大洋海水中，pH 值相对稳定在8 左右（表1），因而人工岛周围海水的氧化还原电位主要与海水的含氧量有关。如图4 所示，自NP1-1 号人工岛至NP1-2 号和NP4-1 号人工岛，海水的溶解氧含量增加，相应的其氧化还原电位值也增大。当溶解氧含量增大时，氧的极限扩散电流密度增大，导致氧去极化速度增加。因此，在溶解氧含量增加的情况下，氧化还原电位值增加，将导致阴极反应速度增大，即加快腐蚀速度。

图4 冀东油田3 座人工岛周围海水的溶解氧浓度和氧化还原电位变化趋势Fig.4 Variation trend of dissolved oxygen concentration and oxidation reduction potential in sea water around three artificial islands of Jidong Oilfield

2.3 土壤腐蚀性分析

根据相关规范[8]的规定，土壤的腐蚀性可以根据土壤电阻率大小进行分级。表2 为NP1-1 号、NP1-2 号、NP4-1 号和NP4-2 号人工岛土壤电阻率现场测试结果。从表2 可以看出，NP1-1 号和NP1-2 号人工岛的土壤电阻率总体上大于50 Ω·m，仅NP1-1 号人工岛生产区内局部区域的土壤电阻率小于50 Ω·m，土壤腐蚀性总体中等偏弱；NP4-1 号人工岛生产区内局部区域的土壤电阻率小于50 Ω·m，土壤腐蚀性中等偏弱；NP4-2 号人工岛生产区内部分区域的土壤电阻率为10.1 Ω·m，属于土壤腐蚀性较强等级。不过，土壤电阻率不仅取决于土壤本身的固有性质，还受到土壤含水量、含盐量、pH 值、质地、松紧度等性质的综合影响，其中含水量对电阻率的影响最大[2]。现场测量区域的土壤均为压实土体，且处于干燥状态，因此不能完全反映人工岛土壤的本征电阻率，后续将结合降雨情况进行对比测量。另外，对选测区域的土壤pH 值测定表明，人工岛土壤pH 值均大于8，属于盐碱性土壤。综合来说，冀东油田人工岛土壤属于盐碱性，腐蚀性总体中等偏弱，但是局部仍具有较强腐蚀性。

表2 冀东油田人工岛土壤电阻率现场测定结果Tab.2 Field measurement results of soil resistivity of the artificial islands in Jidong Oilfield

2.4 大气腐蚀性分析

图5 为冀东油田NP1-1、NP1-3 和NP4-1 号人工岛大气氯离子沉降速率随季节的变化情况。从图5 可以看出，3 座人工岛的氯离子沉降速率均明显高于油田内陆作业区沉降速率［（约30 mg/(m2·d)］，并且随距海距离的增加而有逐渐增加趋势，不过超过一定距离后氯离子沉降速率增加趋于平稳。这是由于在距海距离较大的海洋区域，氯离子沉降速率与大气温度和相对湿度的相关性增加，且海面风急浪高，受海水飞溅的影响程度大，而在油田内陆作业区，海水飞溅对氯离子沉降速率的影响减弱[9-10]。此外，氯离子沉降速率在8—9 月份明显高于10—11 月份，根据油田记录的气象资料显示，冀东滩海油田每年最热月份为7、8 月，平均最高气温为30 ℃，较高的环境温度会导致氯离子的运动速度加快，使得脱脂棉纱布可以收集更多的氯离子[11]。这也说明了氯离子沉降速率与大气温度存在正相关性。

图5 冀东油田人工岛大气氯离子沉降速率变化曲线Fig.5 Settlement rate change curve of atmospheric chloride ion in artificial islands of Jidong Oilfield

根据相关规范[12]，基于氯离子沉降速率数据可以对碳钢的腐蚀速率进行预测，预测值如表3 所示。在8—9 月份，NP1-1、NP1-3 和NP4-1 号人工岛上碳钢腐蚀速率预测值在70 μm/a 左右，10—11月腐蚀速率有所降低，维持在64 μm/a 左右。对照ISO 12944-2 环境分类[13]，可以推算出滩海油田人工岛的大气腐蚀环境等级为C4 高级别。

表3 碳钢腐蚀速率预测数据Tab.3 Carbon steel corrosion rate prediction data

3 结论与建议

浪溅区受到海水、盐雾、光照等腐蚀因素的综合影响，导致处于这类区域内的钢质构件的腐蚀成为一个共性问题。对于滩海区域人工岛，其生产设施所处腐蚀环境具有特殊性，除海水和大气外，人工岛土壤也表现出明显的腐蚀性。通过对人工岛所处环境的海水、大气和土壤的多方位分析，得到结论和相应建议如下：

（1）滩海油田人工岛处于海水腐蚀、土壤腐蚀和大气腐蚀综合作用环境，周围海水电导率较高且供氧充足，土壤腐蚀性总体中等偏弱且局部较强，大气腐蚀环境等级为C4 高级别，整体腐蚀环境苛刻，易使钢结构表现出较高的腐蚀速率。

（2）土壤腐蚀性检测受土质、土壤状态、含水量、含盐量、杂散电流等多种因素的综合影响，建议对人工岛土壤的多项指标进行综合理化分析，结合国际规范确定土壤腐蚀性分级。

（3）滩海区域腐蚀环境分级需综合考虑海水、土壤和大气的影响，建议滩海区域防腐蚀方案设计所参考腐蚀环境等级增高一级，增大腐蚀防护裕量。