浅谈导管架平台防腐设计

牛 童 王基威

中国石油天然气第一建设有限公司 河南洛阳 471023

海洋环境下的金属由于长期受到高湿度、高盐度、强烈紫外线、海洋微生物和海冰等各种因素的侵蚀，存在不同程度的腐蚀现象[1]。随着海上油（气）田勘探开发工作的不断深入，海洋平台和海底管线等陆续服役，腐蚀问题也越发成为影响油（气）田生产安全的主要因素之一。大多数金属因热力学稳定性及材料电化学不均匀性等原因，不可避免地会发生腐蚀，但我们可以通过某些方式来减缓腐蚀的速率。

1 导管架平台腐蚀概述

金属腐蚀的原因有多种，其中最广泛、最常见的是电化学腐蚀。电化学腐蚀是指金属表面与电解质接触发生电化学反应而产生的破坏。反应过程中阳极（原电池负极）发生氧化反应并溶解，而阴极（原电池正极）也会伴随发生相应还原反应[2]。

负极：Me-ne-=Me+

正极：2H2O+O2+4e-=4OH-（吸氧腐蚀）

或者：2H++2e-=H2↑ （析氢腐蚀）

金属在海洋环境中的腐蚀，按形态可分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀指整个金属表面发生均匀腐蚀。而局部腐蚀包括晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和电偶腐蚀等，其中晶间腐蚀指在金属的微小晶粒四周发生的腐蚀现象；点腐蚀指在金属表面分散发生的腐蚀，通常点蚀孔径小于1mm；电偶腐蚀指两种金属相互接触于电解质水溶液时发生的类似于电池作用的腐蚀现象；缝隙腐蚀指在金属表面有缝隙的地方产生的腐蚀现象。

2 导管架平台腐蚀的影响因素及其控制措施

2.1 影响因素

影响导管架平台腐蚀的因素有三类，即化学因素、物理因素和生物因素[3]。

2.1.1 化学因素

溶解氧气的含量是影响导管架平台腐蚀性的重要因素。氧气的含量随着结构所处位置、海水温度和海水深度的变化而变化。根据氧气作用的不同，将金属分为活性金属和钝态金属两类。其中活性金属在金属表面不会形成具有保护性的氧化膜，所以氧气浓度越高腐蚀破坏就会越严重；钝态金属在金属表面会形成具有保护性的氧化膜。另外，二氧化碳也会增加海水的腐蚀性。图1给出腐蚀速度与溶解氧浓度的关系。

图1 腐蚀速度与溶解氧浓度的关系

2.1.2 物理因素

海水流速的作用随着金属环境体系的不同而不同。对于形成钝化膜的金属，在高速海水中具有较高的耐腐蚀性，在低速静滞的海水中耐腐蚀性却不佳。因为，在高速海水中金属表面可以不间断地获得氧气从而形成钝化膜。图2表示腐蚀速度与流速的关系。

图2 腐蚀速度与流速的关系

2.1.3 生物因素

海洋结构表面上附着的海洋生物会影响导管架平台的腐蚀作用。对于钝态金属而言，这些生物附着在金属表面，阻碍了维持钝态所必需的氧气的供应。对于活性金属而言，生物附着可以减少腐蚀破坏。生物附着引起的腐蚀破坏强度随着所处地理位置的不同而不同。在热带海域，全年都可以产生生物附着，在北极海域则不会有生物附着情况。

2.2 控制方法

对于海洋环境下的钢结构腐蚀，无论是实验检测，还是生产实践，都显示出了很强的规律性。根据腐蚀特点和平均腐蚀速率不同，一般将其划分为5个区域：大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区，如图3所示。对于大气区、飞溅区和潮差区，目前主要采用涂漆或保护层的方法来减缓腐蚀速率；对于全浸区和海泥区，则主要采用阴极保护的方法。

图3 海洋平台腐蚀区域划分示意图

3 导管架平台防腐设计

3.1 防护涂层

导管架平台一般采用重防腐涂装系统[4]，通常涂层厚度小于1000μm，设计防腐寿命15年。对于飞溅区，一般采用玻璃鳞片环氧耐磨涂层（涂层厚度750～1000μm），面漆颜色由业主指定。渤海海域主桩式导管架材用的涂装系统如下：

3.1.1 系统A

系统A适用于飞溅区的结构物表面，包括导管架腿、泵护管、电缆护管、隔水套管、靠船件和（登船）平台等，具体如表1所示。

表1 系统A涂装系统

3.1.2 系统B

系统B适用于飞溅区以上（大气区）导管架腿、泵护管、电缆护管、隔水套管和（楼梯）平台等，具体如表2所示。

3.1.3 系统C

系统C适用于所有表面镀锌的格栅，具体如表3所示。

3.2 阴极保护

阴极保护方法可分为两种：牺牲阳极阴极保护和强制电流阴极保护。对于导管架结构来说，牺牲阳极的阴极保护法是最常用的方法，下面以某设计年限为20年的海洋平台导管架为例，介绍阳极块的设计方法。

表2 系统B涂装系统

表3 系统C涂装系统

（1）环境条件参数：海水的电阻率（ρ）为23Ω·cm；海水温度为-1.2～28.5℃；碳钢和低合金钢保护电位为-0.8V（Ag/AgCl参比电极，介质海水）。

保护电流密度和总保护电流（Ic）分别见表4和表5。

表4 保护电流密度数据表 mA/m2

表5 总保护电流数据表 A

(2)阳极块参数：阳极块需符合GB/T 4948-2002《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》的要求，本文选用阳极块参数信息如下：类型为长条形（见图4）；毛重（Wg）384.0kg；净重（Wn）291.4kg；利用率（u）为 0.9；阳极块平均电容量（ε）为2000A·hr/kg。

图4 阳极块类型

(3)每个阳极提供的初始电流：驱动电压（E）为0.25V；阳极块初始电阻率（Ra）为0.044Ω；初始电流（Ia）为5.7A。

(4)每个阳极提供的末期电流：驱动电压为0.25V；阳极块末期电阻率为0.058Ω；末期电流为4.3A。

(5)阳极需求数量（n）需满足以下条件：

第一，满足平均需求电流折算的总安时数要求，见式（1）。

n×Wn×ε×u≥Ic（平均）×Tf×8760 （1）

即，n≥455.9×20×8760/(291.4×2000×0.9)=151块。

第二，满足初始、末期所需电流强度要求，见式（2）。

n×Ia(初期/末期)≥Ic(初期/末期) （2）

即：初期 n≥780.5/5.7=137块；末期 n≥576.6/4.3=134块。

在工程中，阳极块一般成对布置且稍有富余量，因此结合结构图纸，选定阳极块数量为150块。

4 结论

导管架平台腐蚀应考虑其影响因素和控制方法，再对不同区域进行针对性的防腐设计，如防护涂层和阴极保护等，从而保证其设计的合理性，为海上生产的顺利进行，以及作业人员的安全打下基础。