石油平台在海洋潮差区与飞溅区的新型防护技术研究

张 伟，金 曦

（中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海铠防腐工程技术分公司，上海 200000）

1 概述

石油是“工业的血液”，是重要的燃料来源和化工原料，我国作为主要的石油消费大国，对服役于海水环境这一强腐蚀性介质中的海洋钻井平台采取有效的防腐技术刻不容缓。

对于海上石油平台导管架的钢管桩，经常采用涂层防腐的方法，这种防腐方法施工较为简单，但是存在明显的局限性，如涂层易脱落等。另外经常使用到的就是牺牲阳极的阴极保护法，然而由于浪花飞溅区和海水潮差区干湿交替，海水浸泡率较低，在这两个区域使用电化学方法来防护具有一定的局限性，有待进一步改进。研究适用于海洋工程钢结构浪花飞溅区和海水潮差区的导电包覆防腐方法，可以减少海上石油平台导管架桩腿的腐蚀，降低海上石油平台的维护成本，延长海上石油平台的使用寿命，对降低海上石油平台维护费用具有重要意义。

前苏联海洋石油工业研究设计院曾设计一种外加电流的阴极保护方法，证明了导电包覆方法的可行性。针对现有导电包覆方法的局限性，本文所提出新型导电包覆防腐方法，该防腐方法主要的改进之处在于：能延长海水浸泡在被保护结构表面的时间，有效提高被保护结构表面的海水浸泡率，让海水在被保护结构表面充当电解质溶液，形成相对稳定的离子通道，从而使被保护结构表面获得更好的电化学防腐效果。同时具备设计简单、施工方便、维护成本低、选用的材料易得等优点。由于阴极保护优化设计涉及结构与环境等因素，因此本文为简化研究，仅研究包覆层的高度和厚度对阴极保护的优化设计，其他影响因素固定不变，并通过数值模拟法对阴极保护系统进行优化 设计。

2 实验部分

2.1 材料选定

（1）进行数值模拟优化设计，首先需要选定导电包覆层的材料。包覆层选择吸水保湿材料，需满足以下要求：①吸水性和保湿性优良；②能在浪花飞溅区和海水潮差区形成连续的电解质膜；③耐用，不需要频繁维护和更换；④材料易制得，经济效益好；⑤绿色环保。

（2）吸水保湿材料的技术指标如下：①浪花飞溅区及海水潮差区阴极保护用吸水保湿材料包覆后的吸水高度不低于液面上1m；②浪花飞溅区及海水潮差区阴极保护用吸水保湿材料包覆后在室内环境下保湿维持阴极保护状态不低于24h；③浪花飞溅区及海水潮差区阴极保护用吸水保湿材料包覆后导电性能满足阴极保护最低导电性要求，金属构件的保护电位小于-800mV（vs.CSE）。

通过查阅相关资料，筛选各种吸水保湿材料，本实验选定聚乙烯醇（PVA）作为包覆层的吸水保湿材料，PVA是一种常用的水溶性有机高分子聚合物，具有无毒性、无腐蚀性、可被生物降解的优点。

2.2 钢管桩的数值模拟优化设计

由于海上石油平台导管架包含大量的管道、钢支架、牺牲阳极，为了研究导管架的阴极优化设计，通过COMSOL Multiphysics软件中“腐蚀模块”中的边界单元，实施边界元方法对单个钢管桩的进行阴极保护模拟优化设计：

首先构建单个直径1 000mm，高度为5 000mm的实心钢管桩数值模型，钢管桩的底部均匀放置四支500×（200+210）×220mm海洋工程常用的铝合金牺牲阳极，材质为Al-Zn-In-Mg-Ti，吸水保湿包覆层材料为PVA，海水的电导率为5S/m，选择的物理场为一次电流分布，铝的平衡电位Eeq=-1.050V，参比电极为Ag/AgCl参比电极，保护电流密度如表1所示。

表1 常用初期保护电流密度

考虑到钢管桩在流动海水中，有PVA包覆层的包覆，根据上表，取30mA/m2作为保护电流密度。

3 结果与讨论

3.1 钢管桩的数值模拟优化

直径1.00m、高度5.00m的钢管桩外包覆一层高度为5.00m（保持包覆层与钢管桩高度相同，下同）、厚度为0.10m的PVA，作为导电包覆层。包覆层中的海水作为电解质溶液，使包覆层能够作为原电池的离子通道。

直径1.00m、高度5.00m的钢管桩包覆0.10m的PVA后，钢管桩电位为-0.820～-1.050V，因为要求的保护电位是-0.800～-1.050V，所以符合保护电位要求。

其他条件保持不变，将包覆层厚度减小0.10m到0.09m后。输入边界条件，运行计算。

直径1.00m、高度5.00m的钢管桩包覆0.09m的PVA后，钢管桩电位为-0.810～-1.050V，符合保护电位要求。

直径1.00m、高度5.00m的钢管桩包覆层厚度减小至0.08m。输入边界条件，运行计算。

直径1.00m、高度5.00m的钢管桩包覆0.08m的PVA后，钢管桩电位为-0.802～-1.050V，符合保护电位要求。

直径1.00m、高度5.00m的钢管桩包覆0.07m的PVA后，钢管桩电位为-0.790～-1.050V，不符合保护电位要求。

综合以上模拟优化设计结果，总结相关数据，如表2所示。

表2 不同厚度的包覆层下钢管桩电位范围

由此可知，对于直径为1.000m、高度为5.000m的钢管桩，包覆层的厚度≥0.08m时能起到保护作用，包覆层的厚度≤0.07m时不能起到保护作用。

包覆层的高度取决于钢管桩的高度，因为裸露的钢管桩会直接与海水接触，不能起到阴极保护效果，所以包覆层的高度不能低于钢管桩的高度。对于包覆层的厚度而言，上述的实验数据并不意味着在实际工程应用中采用包覆材料体积最小的方案就是最好的，因为除了考虑材料成本，还要综合其他因素来考虑。对于包覆厚度而言：包覆厚度越厚，钢管桩的阴极保护效果越好，但是结构的载荷越大，安装越困难，包覆层越容易滑落；包覆厚度越薄，结构载荷越小，安装越容易，包覆层越不容易滑落，但是钢管桩的阴极保护效果越差。从材料成本的角度来看，包覆层越薄，包覆层体积越小，所需的包覆材料成本越小。由于海上石油平台导管架的浪花飞溅区和海水潮差区不断受到海浪和风雨的冲击，对于不同环境下的钢管桩，应选择合适的包覆厚度，平衡各种影响因素之间的关系，使包覆层能满足需求。

3.2 导电包覆外壳材质的选择

为了导电保护层可以进行长周期的服役，还需要在被保护的钢结构的最外层增设一层高强度的外壳，用螺栓固定于钢结构上。

在电化学防腐的基础上，结合浪花飞溅区和海水潮差区的国内外防腐技术的现状，筛选出玻璃钢、高密度聚乙烯和氯丁橡胶三种材质，作为包覆外壳材质。

3.2.1 玻璃钢

玻璃钢是一种玻璃纤维增强材料，具有易于设计、强度高、耐腐蚀、透光性好、电绝缘性好、隔音降噪性能优良等优点。但是在大气暴露的条件下，由于天气引起的机械损伤和阳光辐射会导致老化，特别是未加保护的玻璃钢，其表层老化明显。

3.2.2 高密度聚乙烯

高密度聚乙烯为白色粉末或颗粒状产品，其硬度、拉伸强度和蠕变性比低密度聚乙烯好，其韧性、耐摩擦性、耐低温性和绝缘性较好，常温下，不溶于有机溶剂，耐酸、碱、盐腐蚀，水蒸气和空气难以透过其薄膜，耐老化性差，与低密度聚乙烯相比，其耐环境应力开裂的性能较差，所以需要加入抗氧化剂和紫外线吸收剂来增强其性能。增强型高密度聚乙烯复合管由于具有优异的耐压性能、耐腐蚀性、经济效益、接头可靠性和安装效率，而被广泛用于石油生产。

3.2.3 氯丁橡胶

氯丁橡胶是用氯丁二烯为主要原料制成的合成橡胶，机械性能较好，具有较高的拉伸强度、伸长率和可逆的结晶性，黏接性好，耐油性好，耐高温，耐燃，耐阳光辐射，耐臭氧腐蚀，耐酸碱腐蚀等。氯丁橡胶的缺点是耐低温性能较差，储存稳定性较差。

使用氯丁橡胶进行包覆，最内层是被保护的钢管，中间层是氯丁橡胶防腐层，最外层是防海生物附着 层。若将氯丁橡胶应用于本文所提出的导电包覆技术，则不能直接把氯丁橡胶包覆在钢管桩上，而是需要将氯丁橡胶作为包裹层，包裹住吸水保湿材料，作为一个整体，再将这个整体包覆钢管桩。

4 结束语

1）通过深入分析海洋钢结构浪花飞溅区和海水潮差区腐蚀的原理，指出这两个区带腐蚀严重的原因主要是干湿交替下发生电化学腐蚀，再综合国内外海洋防腐技术，提出一种新型导电包覆方法，该方法采用吸水保湿材料作为电解质层的牺牲阳极阴极保护技术，再结合覆盖层保护技术，可用于海上石油平台的导管架桩腿浪花飞溅区和海水潮差区的防腐。

2）建立了钢管桩的数值模型，导电包覆层采用PVA作为吸水保湿材料，通过阴极极化的优化设计，从下到上，电位逐渐正移，符合阴极保护电位区间的要求，即保护电位符合-0.800V到-1.050V的范围。包覆层越厚，保护效果越好。然而实际应用中并不是包覆层越厚越好，对钢管桩进行阴极保护优化设计，可以节省包覆层材料的用量，同时最大限度地发挥牺牲阳极的防护效果，使最大保护高度能覆盖整根钢管桩的高度，从而减少牺牲阳极的消耗，既能降低防腐成本，又能减少资源消耗和环境污染，还能提高包覆层的结构稳定性。

3）根据现有的包覆材料，选定了玻璃钢、高密度聚乙烯和氯丁橡胶三种包覆外壳材质，采用哪种包覆材料需要根据实际的现场环境来决定。从耐海水冲击和其他摩擦碰撞的角度来说，玻璃钢在三者中表现最好。但是从安装方便程度、经济效益、耐海水腐蚀和耐紫外线老化的角度来看，高密度聚乙烯在三者中最好。

4）所述的导电包覆防腐方法的海水浸泡率更高，使电解质溶液对被保护结构表面的覆盖效果更好；设计简单，施工方便，维护成本低，能延长有效保护的年限；选用的材料容易获得，有利于该防腐方法的 推广。