海洋石油岸电平台腐蚀原因及防腐措施

2024-03-20张水晶

设备管理与维修 2024年4期

赵伟，张水晶

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油安全技术服务有限公司，天津 300450）

0 引言

近年来，中国海油提出了一种新的供电方式，即利用陆上电网电力为海上油气生产提供电力（简称“陆电”）。这种方式是将陆上高压电力通过海底电缆传输到海上，再通过岸电平台的变压和二次分配，为油田群内各生产平台提供电力。与传统的海上石油平台通过自身的发电机组为油气田提供电力相比，岸电供电更加可靠，有利于油田的稳定生产，还能够实现节能减排、降低能耗。

海上平台面临复杂多变的海洋环境，海水中含有大量的氯离子、硫化物、溶解氧等腐蚀性物质，会腐蚀平台上的金属管线和设备[1]，导致管道和设备的破损或断裂。一旦发生泄漏，不仅会污染海洋环境，还可能造成灾难性的安全事故，导致重大经济损失、威胁生命安全。因此，确保海上油气生产的安全运转，延长海洋石油平台设备设施的使用寿命，加强腐蚀控制是现阶段必须重视和解决的问题。

1 海洋石油岸电平台概述

海洋石油岸电工程是一种新型的供电方式，相比传统的海电方式，它更加可靠、节能、环保。岸电工程是由陆地架空线输送的电能，经陆上开关站或换流站的作用后转为通过海底电缆输送，通过在海上设置的海上变电站或换流站进行接收，最后再将其输送至各生产平台上，以连续供给海上油田所需的电力。这一过程伴随着多种高压电气设备的协同运转，因此，为避免火灾隐患，海上变电站应尽可能远离油气生产平台。此外，海洋石油岸电工程需实现同时为多个生产平台供电的要求，因此出于安全性和经济性的综合考虑，海上变电站等高压电气设备通常集中布置在海上电力平台上，再通过栈桥与海上油气生产平台连接[2]。

2 平台腐蚀机理与防腐措施

2.1 腐蚀机理

海上平台在海洋环境中的腐蚀失效形式主要是电化学腐蚀，即金属构件由于氧化反应而被溶解。在此过程中，氧化和还原反应同时存在，发生氧化反应的部分失去电子，发生还原反应的部分得到电子，即电子由前者转移至后者，从而形成了电化学腐蚀的电流基础。

电化学反应的基本发生单元为电解池，由阳极、阴极和电解质共同组成，阳极即为发生电化学腐蚀的部位。在腐蚀原电池中，阳极和阴极可以由同种或不同种金属构成，海上平台由多种金属构件共同组成，其中化学性质更活泼的金属容易发生腐蚀成为阳极，而相比之下更稳定的金属不容易产生反应而成为阴极。最后，由于海水富含大量易溶解的盐类物质而且具有强导电性，同时海洋中常常形成盐雾环境，是自然界中最容易引起金属腐蚀的电解质之一[3]。

2.2 腐蚀区域划分

从腐蚀角度，通常将平台划分为大气区、飞溅区和全浸区3 个区域（图1）。

图1 平台腐蚀区域划分

（1）大气区的腐蚀主要由空气中的水分和氧气引起。在大气区，高湿度、长日照时间和盐粒、盐雾等物质的存在，会导致结构表面积聚形成液膜，成为电化学腐蚀的基础。在这种情况下，构件表面不断形成红锈，并且不能附着在薄膜表面而不断脱落，最终导致平台结构的连续腐蚀。这一过程主要主要受到大气湿度、温度、盐度等条件的影响。

（2）飞溅区是海上平台最严重的腐蚀区域之一。在潮汐和海浪的影响下，该区域处于干湿交替的环境中，其表面不断被富氧的海水浸湿，同时受到海浪的溅泼和冲击。这将加速部件表面的腐蚀速度。此外，海水中夹杂的气泡还能破坏结构表面的保护膜，加剧腐蚀。

（3）全浸没区指的是飞溅区以下和海泥中的部分，该部分平台的腐蚀表现为，在溶解氧的作用下，两种不同的金属和电解质形成两个电极，形成腐蚀电化学电池，使部分结构处于高电位的阳极而被腐蚀，而部分处于低电位的阴极区域得到保护。这种电化学腐蚀的速度主要受温度、盐度、速度和海洋生物的影响。

2.3 防腐措施

除了由施工工艺不规范引起的腐蚀失效，大多数金属构件的腐蚀失效是由于其与自然环境相互作用导致的。为了延长金属构件的使用寿命，需要采取腐蚀防护措施，如选择耐腐蚀性能较好的材料、涂覆防腐涂料、电镀等方法，以减缓金属构件的腐蚀速度。相应地，防腐措施应根据平台的环境条件、结构部件、使用寿命、施工和维护可能性等因素确定[4]。一般来说，在海洋大气区采用高性能防腐涂料；飞溅区则采用增加壁厚、高性能防腐涂料（或包覆层）与阴极保护相结合的保护方法；全浸区的腐蚀形式大多为电化学腐蚀，一般采用阴极保护方法。目前，常见的阴极保护方法有牺牲阳极保护法和外加电流保护法两种。

（1）牺牲阳极保护法。利用锌、铝、镁等活性金属作为阳极材料，将其焊接或用螺栓固定在需要保护的结构上。这些金属在海水中更容易被溶解，因此其在海水中的电位远高于结构的电位而处于阳极地位，从而保护了处于阴极地位的结构[5-6]。为确保保护的有效性，牺牲阳极应根据被保护结构的形状和所需保护电流大小，在水平和垂直方向上均衡布置。这种方法虽然设计简单、维护成本低、过保护风险小，但是会给平台带来额外重量、环境污染等问题[6]。

（2）外加电流保护法。通过将直流电源正极与辅助阳极、负极与被需要保护的结构直接相连接，从而形成电流回路。通过辅助阳极为该系统提供的阳极电场，使被保护的阴极金属能够保持其电位处于保护电位之间，从而达到保护平台的目的。外加电流阴极保护系统具有重量轻、寿命长、环境友好、工作状态可适应性调控等多方面优点，如今越来越得到关注和重视。

对于海洋平台的阴极保护，既可以选用牺牲阳极保护法，也可以选用外加电流保护法。如今在工程实践中，多联合采用两种方法，即前2～3 年采用牲阳极保护系统，随后更换为为外加电流保护系统的方法。这种保护系统通过发挥两种保护方法的优点，以实现海上平台阴极保护效率的最大化。

3 张紧式外加电流阴极保护

渤海某区域项目新建海上电力动力平台采用“牺牲阳极（2 年）+张紧式外加电流”阴极保护。计划在海上电力动力平台导管架上各安装1 套张紧式外加电流阴极保护系统（张紧式ICCP），且ICCP 系统内集成相应的阴极保护监测系统（CPMS）。

张紧式（拉伸式）和远地式外加电流系统是两种主要形式，国内应用后者短短数年后严重失效，而前者经受了超强台风的正面冲击，可靠性得到验证。新建平台采用外加电流阴极保护在保护环境、降低平台重量和平台波浪载荷、延长服役年限和投资等方面有明显优势，而张紧式外加电流阴极保护技术相比远地式外加电流阴极保护技术有不占用平台周围用海资源、可在陆上安装、可精细化调节各区域的保护效果等优势。张紧式外加电流阴极保护技术是海上新建平台外加电流阴极保护和在役平台阴极保护延寿的首选[8]。

3.1 可靠性

张紧式ICCP 系统一般张拉于导管架内部，可以有效防止渔网拖拽、碰撞。上部控制系统采用模块化设计、可以实现分布式独立控制每个辅助阳极的效果，可互为冗余，且具备软硬件阈值双重监控与报警，通过布置在导管架平台容易出现欠保护与过保护位置的参比电极，可实现实时监控平台的保护电位，有效防止导管架出现过保护或者欠保护的情况，保证平台全寿命期的有效保护。当导管架电位、辅助阳极电流出现异常时系统会自动报警，进一步保证系统的可靠性。

3.2 智能化

基于DSP 全数字化高频开关的先进控制策略，监控软件人机交互友好，支持局域网内集群组双功能，远程监控具备实时监控、实时故障、操作日志、参数配置、大容量数据库等一系列智能化功能，实现专家分析及运维报表导出；具备故障指示灯，能够对过流、过压等常规故障进行报警，显示屏给出故障信息；可根据长期监测数据，自动生成监测报告，对导管架阴极保护状态给出专业评估，降低对运维人员的专业性要求；兼备导管架三维模型展示、折线趋势图展示等多种展示视图；在导管架模型中标记出辅助阳极与参比电极的位置，在标记处展示其对应的实时数据，在数据异常处进行区分颜色闪烁提示状态；折线趋势图筛选时间不限。