海洋石油钻井机械设备腐蚀因素及防治技术

雷航

中海油田服务股份有限公司天津分公司，天津，300459

0 引言

由于海洋石油开采环境比较潮湿，石油钻井设备在这种环境下出现腐蚀问题的可能性比较大，腐蚀问题不但会使石油钻井设备出现性能衰减，而且会缩短石油钻井设备的实际使用年限，更甚至会由此发生严重的钻井安全事故。因此石油开采单位需要认真研究钻井机械设备出现腐蚀问题的根本原因，通过提前使用防腐蚀技术，减少设备出现被腐蚀的概率。

1 海洋石油钻井机械设备出现腐蚀问题的主要类型

由于海水中电解质比较复杂，受到海浪冲击影响，海洋中的微生物将会附着在机械设备表面，极易导致机械设备出现腐蚀问题，往往会造成石油钻井设备出现局部腐蚀，机械设备表面位置发生的腐蚀问题主要涵盖点腐蚀现象、缝隙腐蚀现象。从腐蚀原因的角度分析，可以将石油钻井机械设备的腐蚀原因划分为化学反应造成的腐蚀、生物导致的腐蚀问题、力学腐蚀、电化学造成的腐蚀。

1.1 化学腐蚀

化学腐蚀实际上是形容石油钻井设备金属表面发生氧化现象，导致氧化腐蚀问题。容易使海洋石油钻井设备出现化学腐蚀现象的物质主要包括硫化物质、氟化物质。如果工作人员将已经存在腐蚀迹象的钻井设备应用在石油开采工作，海洋石油钻井设备将会和石油出现反应，可能会使石油钻井设备的腐蚀速率下降。在温度不断提高的背景下，化学反应速度会随之变快，由此可知海洋高盐量环境、海水温度都会导致石油钻井设备出现严重的腐蚀问题。

1.1.1 硫化物导致的腐蚀问题

在海洋石油开采中使用钻井设备，往往会受到海洋中硫化物质的腐蚀，在钻井作业过程中，钻井设备表层位置会附着一些硫化物，这些硫化物的含氧量比较高，在酸性环境中的稳定性比较差，容易和海水以及空气中的湿气发生分解反应生成硫化氢组织，这种组织具有非常强的氧化还原能力，产生的氢原子被钢铁吸收后，能够和钻井设备表层材料发生化学反应，可能导致钢材脆化，表面开裂从而造成腐蚀。

1.1.2 氯化物导致的腐蚀问题

海水和海泥中含有的氯化物数量相当多，原油含水量比较大，工作人员在进行海洋石油钻井作业的过程中，钻井设备会直接和含盐量较高的海水、海泥以及原油接触，极易导致海洋石油钻井设备出现腐蚀问题。除此以外，氯化物、盐酸在与钻井设备接触时发生化学反应，从而使海洋石油钻井机械设备出现比较严重的腐蚀问题。

1.1.3 环烷酸导致的腐蚀问题

环烷酸也能够被称作石油酸，是环戊烷物质的一种衍生物，是原油有机酸的统称。由于环烷酸的黏性比较强，是具有弱酸性的化合物，腐蚀能力比较强，再加上环烷酸不能完全溶于水中，可以在石油醚、乙醇中发生溶解反应。在海洋石油钻井过程中，钻井设备中的铁元素、铅元素会与环烷酸发生直接接触发生化学反应，使得机械设备元件极易出现严重腐蚀问题，会直接降低石油钻井设备的作业效率。

1.2 生物腐蚀

钻井设备在开采海洋石油的过程中极易出现生物腐蚀问题，海水中的微生物——细菌会栖息在钻井机械设备的金属表面位置上，且会进行繁殖，将会直接对钻井机械设备的镀膜以及防腐蚀涂层产生破坏力，从而造成石油钻井机械设备出现局部腐蚀问题。海洋生物腐蚀问题往往出现在低于平均海潮线1米的位置，该位置具有很多溶解氧，海水的温度比较高，海中生物的繁殖速度比较快，海洋微生物聚集在钻井机械设备的不锈钢表面，使不锈钢处于严重缺氧的环境中，从而导致不锈钢出现钝化问题，产生了相当于闭塞电池的物质，使得腐蚀电位急速增加，将会加快石油钻井机械设备出现局部腐蚀现象的时间。

由于微生物的数量和钻井设备铸铁材料腐蚀速度具有直接关联，如果硫酸盐处在无氧条件下，将会转化硫化物，将会造成金属出现腐蚀问题。除此以外，部分海洋细菌会释放出氨氢物质和硫化氢，腐蚀性比较强，也会导致海洋石油钻井机械设备出现腐蚀问题。

1.3 在力学作用下出现腐蚀问题

海洋石油钻井设备金属在长期经过流体冲击后会出现腐蚀问题，此类腐蚀被称为力学作用腐蚀问题。不同海洋环境对于不同金属材料产生的腐蚀影响也存在差异，海洋力学对于腐蚀速度具有一定影响，在浪花飞溅比较严重的区域，波浪、海潮都会对机械设备的金属构件产生循环往复的应力以及冲击力，都会对金属保护膜产生破坏影响，因此该区域是发生腐蚀问题最严重的区域。

与此同时，海洋风力等级、海水流动速度都关系着海洋石油钻井设备的腐蚀速度，在存在潮差的位置会使石油钻井机械设备金属表面发生干湿交叉现象，将会使腐蚀问题愈演愈烈[1]。在海洋石油钻井设备已经进入到深度达到30米的海洋环境中，该区域海水的流动速度比较慢，能够减少钻井设备表层受到腐蚀影响的面积。

1.4 电化学腐蚀

在开采海洋石油时，钻井机械出现的所有腐蚀问题中，出现频率最高的是电化学腐蚀问题。在出现电化学腐蚀时，一般是形容电解质已经和石油钻井金属表面出现直接接触的时候，此时腐蚀状态与原电池造成的腐蚀现象比较相似。在海洋环境中海水和海泥交界位置极易出现海泥、海水组成的腐蚀电池，在空气湿度比较大的海洋环境中，二氧化氮会溶解在钻井设备表面水层处，将会产生很多电解质容易，这时候机械元件能够顺利转化成电池阳极，腐蚀区域即是电池阴极。

在阳极发生氧化反应的同时，钻井设备腐蚀位置将会发生溶解问题，阴极将会发生氧化还原反应。海洋腐蚀问题即是形容海水几乎静止的时候、海水流动速度比较小的时候，阴极会受到氧气扩散的影响，石油钻井设备出现腐蚀问题时，初期会先出现一些点腐蚀问题，点腐蚀程度会随着时间增加而减弱，此时石油钻井设备合金中含有的铁金属会和海水杂质出现直接接触，会发生持续的电化学腐蚀问题[2]。

2 海洋石油钻井机械设备腐蚀问题的防治举措

2.1 使用耐腐蚀机械材料

海洋石油钻井机械设备的组装原材料，是最需要开展防腐处理的位置，在生产加工时，应该运用一些耐腐蚀性能比较好的材料，能够从加工阶段降低钻井设备发生腐蚀问题的可能性。海洋中含有的硫化物、氯化物极易和海洋石油钻井设备的铁金属出现化学反应，因此相关工作人员在购置生产石油钻井设备原材料的过程中，应该多购置一些耐腐蚀效果比较高的不锈钢材料，尽量不要使用生锈概率比较大的铸铁材料。依照不锈钢金属含量大小划分，可以将不锈钢材料划分为素体不锈钢、奥氏体不锈钢等。

在所有不锈钢材料中，奥氏体不锈钢的耐腐蚀效果最佳，制作材料中大都涵盖镍材料、铬材料，耐酸碱性能力比较强。除此以外，聚四氟乙烯由于具备较好的防腐蚀能力，已经被大面积用于制作石油钻井机械设备连接位置的密封材料、填充材料。

2.2 使用防腐蚀涂料

因为石油钻井设备出现的腐蚀问题一般出现在设备表层，在制造和维保石油钻井机械设备的过程中，在机械设备表层位置上喷涂一些防腐蚀能力比较强的防腐涂料，能够使石油钻井设备的腐蚀速度下降[3]。抗腐蚀涂料可以防止海水中的化学物质和钻井设备表面出现直接接触产生腐蚀问题。

在海洋石油钻井设备中使用防腐蚀涂料时，需要分别在底层漆、中层漆、表层漆涂抹防腐蚀涂料，现在应用频率比较高的防腐蚀涂料是无机聚合物涂料。在涂抹石油钻井设备底层漆时，一般会使用环氧富锌漆，因为环氧富锌漆的耐油能力比较强，可以作为钻井设备的耐干湿盐雾，适合应用在海洋石油开采中。在涂抹石油钻井设备中层漆时需要使用环氧树脂漆，因为其具备的耐碱腐蚀能力比较好，耐磨损能力比较强，耐油性较好，耐海水能力比较强，再加上漆膜的弹性比较好、硬度比较大，适合涂抹在中层漆。聚氨酯漆由于附着能力比较强，耐化学腐蚀能力比较好，而且具有较强的耐磨能力，韧性比较好，适合运用在表层漆。在完成三层耐腐蚀物质涂层以后，可以有效提升石油钻井设备的耐腐蚀能力。

2.3 使用电镀、热镀防腐蚀方式

电镀技术、热镀技术均是当前广泛应用在石油钻井设备表层区域的防腐蚀处理方式，若是使用电镀法进行防腐蚀，工作人员应该在开采海洋石油之前，在钻井设备表层镀上一层金属合金，避免海洋钻井机械设备和海洋环境中的酸碱物质直接出现化学反应，从而充分发挥出防腐蚀效果。电镀法防腐处理中应用频率比较大的材料涵盖镍锌材料、铜钛材料，在钻井设备基体部分常使用的材料涵盖不锈钢材料、铸铁材料等[4]。

若是使用热镀技术进行防腐处理，工作人员应该利用高温将金属浸泡到融化状态，然后添加合金材料实施热镀处理，然后在钻井设备表层涂抹一些涂层，尽量保证涂抹厚度比较大。相对而言，热镀法防腐能力优于电镀法防腐，热镀主要是通过牺牲阳极材料保护钻井设备不受腐蚀影响，防腐蚀保护能力比较强，若是综合运用电镀防腐、热镀防腐镀技术，能够有效提升钢材料在海洋环境中的实际使用期限。

2.4 电化学防腐蚀处理

防止电化学腐蚀处理主要是用于防止氯离子使钢筋出现锈蚀问题，海水以及混凝土材料中都含有一定量的氯离子，在处理海洋石油钻井设备电化学腐蚀问题应用的原理是电化学原理，对石油钻井机械设备使用的防腐措施是使机械设备作为电池阴极，从而提升机械设备金属表面的防腐蚀能力[5]。

常使用的电化学防腐蚀处理技术主要涵盖阴极保护技术、电化学除氯技术等。阴极保护法主要包括两类，一类是牺牲阳极保护阴极保护，另一类是通过施加外加电流保护阴极，在使用牺牲阳极法的时候，需要牺牲掉阳极物体，为阴极提供充足的电流，在电解质影响下会产生保护作用。牺牲阳极法是对钻井设备金属材料施加保护，使其通过牺牲阳极的方式为石油钻井设备提供充足电流，利用电解质环境进行防腐蚀处理保护钻井设备，比较适合运用在海洋石油钻井设备的电化学防腐蚀问题中。

2.5 使用缓蚀剂进行防腐蚀处理

在海洋石油钻井设备运用在海洋环境的时候，缓蚀剂能够直接和海水中含有的腐蚀性组织发生化学反应，避免海洋环境中的杂质对于钻井设备表层位置产生腐蚀等不利影响。从化学成分的角度进行划分，能够将防腐蚀缓蚀剂划分为防腐聚合物、防腐有机缓蚀剂、无机防腐缓蚀剂。通过使用混合型缓蚀剂，能够降低海水中的溶解氧直接扩散到石油钻井机械设备金属表层的阴极位置，能够产生防腐蚀保护膜。其中的阳极缓蚀剂能够直接与钻井设备的金属离子出现化学反应，使石油钻井设备表层具备一层防腐保护膜，能够使石油钻井设备表层出现腐蚀问题的速度减慢[6]。

3 控制石油钻井设备腐蚀问题的对策

3.1 提升设备选材控制力度

由于海洋石油钻井设备的运行环境腐蚀性比较强，因此工作人员在控制机械设备选材时，应该尽量使用不锈钢材料、合金材料。与此同时，在选材工作中，除了应该满足石油钻井设备的抗腐蚀需要以外，还需要考虑材料的力学性能，工作人员应该认真评估材料的力学性能，保证原材料性能符合石油钻井设备的应力要求、强度要求，避免由于过于重视防腐能力使得石油钻井设备出现无法正常使用的问题[7]。

3.2 优化机械设备设计

因为石油钻井机械设备设计和受腐蚀影响程度具有直接关联，因此工作人员可以通过优化设计的方式提升抗腐蚀能力机。在设计石油钻井机械设备的结构时，需要尽量防止存在死角以及裂缝，若是石油钻井设备具有死角，机械设备表层极易残留一些化学物质，在钻井设备沉积在海洋环境中时会出现化学反应从而导致腐蚀问题。若是石油钻井设备表面出现裂缝，会在一定程度上阻止化学液体的正常流动，使得化学液体进入到机械设备内部结构中，也会导致腐蚀现象出现。因此工作人员在优化石油钻井机械设备结构设计时，需要降低死角以及裂缝出现的可能性，从而防止石油钻井设备出现腐蚀问题。

3.3 优化工艺流程

因为石油钻井设备的制作流程比较复杂，在选择好制造工艺以后，充分考虑工艺流程的防腐水平。首先，避免石油钻井机械设备出现水分，正常情况下，石油钻井设备在处于空气比较干燥的常温环境中，空气对设备金属表面不会产生过多的腐蚀影响。因此在加工石油钻井设备的时候，需要使用一些干燥设备、冷却设备，将设备内部含有的水分清除干净，方能减少氯气对碳钢产生的腐蚀影响。其次，工作人员可以通过提升温度的方式，达到减少腐蚀影响的目的，增高温度能够使石油钻井设备的水分蒸发，不会使水分发生冷凝问题，可以在一定程度上减少海洋石油开采设备出现腐蚀问题的概率[8]。

4 结论

综上所述，在开采海洋石油的过程中，需要使用石油钻井机械设备，但是钻井设备受到腐蚀影响的程度高于陆地，使得海洋石油开采难度远高于陆地石油开采，如果腐蚀问题未获得及时优化解决，将会直接影响石油钻井设备的实际使用期限，因此石油开采单位应该在使用石油钻井设备之前，提前使用一些防腐蚀技术对石油钻井机械设备建立防腐保护层，从而避免海洋石油钻井机械设备受到腐蚀影响，进而提升海洋石油开采效率。