海上平台金属腐蚀与防护研究

于传波

中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东 深圳 518000

海上石油平台作为全球能源供应的关键基础设施，常年受到海水、湿气、温度变化以及生物侵蚀的影响。这种特殊的环境使得金属腐蚀成为一个不可忽视的问题，直接关系到平台的安全运营和使用寿命。海水中的盐分、湿气和氧气是金属腐蚀的主要诱因，而温度的波动和生物活动则加速了腐蚀过程。这种腐蚀不仅危及结构安全，还可能导致重大的环境污染事件，如石油泄漏等。高质量的金属防腐蚀技术不仅可以提高平台的安全性和可靠性，减少事故和损失的风险，而且可以降低运营成本，提高经济效益。

1 腐蚀分类

1.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀是常见的腐蚀形式，表现为金属表面均匀地失去材料，这种腐蚀通常导致金属表面出现均匀的锈蚀或蚀刻，但不会形成孔洞或裂缝。在海洋环境中，由于海水中含有大量的氯化物，铁及其合金容易发生均匀腐蚀。此类腐蚀通常与金属表面与腐蚀介质（如海水中的盐分和氧气）的直接接触有关。不同类型的金属和合金对均匀腐蚀的抵抗力不同。例如，铁和钢在海水中更容易均匀腐蚀，而某些不锈钢和合金显示出更好的抗腐蚀性能。

1.2 局部腐蚀

局部腐蚀是指金属材料在特定部位集中发生的腐蚀现象，与均匀腐蚀不同，它通常在金属表面的局部区域内快速进行，导致材料性能的严重下降。在海上平台的应用环境中，局部腐蚀尤为关键，因为它直接影响到平台的结构完整性和安全运行，尤其是在管道上局部腐蚀可导致整条管道失效。局部腐蚀主要可以分为以下几种类型。

1.2.1 点蚀

点蚀是局部腐蚀的一种常见形式，表现为金属表面出现微小但深入的坑洞。这种腐蚀通常发生在被局部化学或电化学环境破坏的区域，如金属表面的缺陷或污染物聚集处。在海上平台中，点蚀通常发生在管道和阀门等部件上，尤其是那些接触海水的部分，因为海水中的盐分和氧化剂可以加剧点蚀的发展。

1.2.2 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀发生在金属的缝隙或接合处，如螺栓连接、焊缝和覆层边缘。这种腐蚀形成的原因通常是由于缝隙区域中腐蚀介质的积聚或流动性差，造成局部化学环境的变化。在海洋平台中，由于结构复杂，缝隙腐蚀常在难以检测和维护的区域内发生，从而增加了维护的复杂性和成本。

1.2.3 应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是由于持续的机械应力和腐蚀性环境共同作用而发生的腐蚀形式。在海上平台，由于持续的海浪、风力和操作压力，结构材料经常承受较大的应力。当这些应力与腐蚀性环境（尤其是含氯离子的海水）结合时，就可能导致应力腐蚀开裂的发生，特别是在高强度钢材和某些不锈钢中较为常见。

1.2.4 腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是由交变应力和腐蚀环境共同作用引起的金属疲劳损伤形式。在海上平台，由于机械载荷和海洋环境的双重影响，金属材料可能会经历交变应力，导致裂纹的形成和扩展。海上平台比较典型的场景就是管道系统以及支撑结构。管道系统经常承受内部流体的压力变化和外部环境的腐蚀作用，特别是那些用于输送腐蚀性流体（如含硫化氢的原油或天然气）的管道。平台的支撑结构导管架经常承受波浪和风力的循环载荷，同时也暴露在海水腐蚀环境中。这种腐蚀方式对平台的结构部件尤为危险。

2 腐蚀的影响因素

海上石油平台的金属腐蚀是一个复杂的现象，受到多种环境和操作因素的影响。

2.1 海洋环境因素

2.1.1 盐分

海水中的高盐分是导致金属腐蚀的主要因素之一。盐分可以促进电解质的形成，海水中的盐分显著提高了水的电导率。在这个电池中，金属的某些部分（阳极）失去电子（氧化），而其他部分（阴极）获得电子（还原）。这种电子流动导致阳极部位的金属逐渐溶解，在这种过程中金属逐渐损耗。

2.1.2 湿度和温度

海上平台通常处于高湿度环境，湿气提供了腐蚀所需的水分环境，水分在金属表面形成薄膜，使得电解质（如海水中的盐分）在金属表面聚集，促进电化学腐蚀过程。高湿度环境还增加了金属表面与腐蚀介质的接触频率和范围，加速了金属的腐蚀速率。湿气中的水蒸气可能会在金属的微小缝隙或裂缝中凝结，形成局部电解质浓缩区，导致局部腐蚀，如缝隙腐蚀和点蚀。

温度的波动也会影响腐蚀速率，温度升高通常会加快腐蚀过程。随着温度的升高，电解质（如海水中的盐分）的活性和离子浓度可能增加，进一步促进电化学腐蚀过程。

2.1.3 氧气和其他化学物质

氧气可以直接与金属发生反应，形成氧化物，这是一种化学腐蚀过程，不需要电解质的参与。相比于电化学腐蚀，在海上平台这种腐蚀往往比较缓慢。氧气最主要的腐蚀机理主要是溶解在海水中的加速电化学反应，它促进了阴极反应，这通常是金属腐蚀过程中的速率控制步骤。

其他的腐蚀性化学物质比如输油气管道中存在的H2S、CO2和氯化物等可以形成电解质，导致金属离子化和电化学腐蚀。水和腐蚀性气体（如H2S和CO2）共存时，会形成酸性环境，加速管道内壁的腐蚀。

2.2 机械和物理因素

2.2.1 金属焊接

焊接过程本身及其结果对于金属材料的腐蚀性能有着显著影响，特别是在海上平台的工作环境。焊接对金属腐蚀速率的影响主要有以下几个方面：（1）焊接区域的微观结构变化：焊接过程中的高温会改变金属在焊缝附近的微观结构，这可能导致焊缝区域与母材在化学和物理性质上的差异，从而形成腐蚀电池。（2）焊接应力和应力腐蚀开裂：焊接过程产生的内部应力可能导致金属材料在特定腐蚀环境下出现应力腐蚀开裂。在海上平台中，这种现象尤其危险，因为平台经常暴露于含有氯离子的海洋环境中。热影响区域受残余应力影响，腐蚀程度较焊缝会加重[1]。（3）焊接材料的选择：使用与母材化学成分或电位不匹配的焊接材料可能加剧焊缝区域的腐蚀。在海上平台中，选择适合海洋环境的防腐蚀焊接材料尤为关键，如使用特定合金或耐腐蚀涂层的焊条。（4）焊接质量和技术：焊接缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等，会成为腐蚀的起点，特别是在海洋环境中。高质量的焊接技术和严格的焊接质量控制是预防焊接缺陷和相关腐蚀的关键。（5）后焊处理：后焊热处理可以减轻焊接引起的应力，降低应力腐蚀开裂的风险。对焊接区域进行适当的表面处理，如打磨和涂覆防腐层，也有助于提高焊接区域的腐蚀抗性。

2.2.2 异种金属接触

当两种不同的金属或合金在电导性介质（如海水）中相互接触时会发生电偶腐蚀。这种腐蚀在海洋环境下尤为常见。这种情况下，电位更负的金属会发生腐蚀，而电位更正的金属则受到保护，两种金属间的电位差越大，电偶腐蚀的速率通常越高。电偶腐蚀需要两个条件：（1）两种金属形成电连接；（2）两种金属处于同一电解质环境中。

2.2.3 机械应力

海上平台在运营过程中会承受来自波浪、风力和操作活动的机械应力。这些应力可能导致金属疲劳，增加腐蚀的风险。

2.2.4 磨损和损伤

机械磨损和物理损伤可以破坏金属表面的保护层，比如由于吊装作业引起的甲板面油漆受损，会使其更易受到腐蚀。

2.3 生物因素

海洋中的微生物，如细菌和藻类，可以导致微生物腐蚀。微生物腐蚀是海上石油平台金属腐蚀中的一个重要因素，尤其是硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）对金属管道的影响。SRB 是一类厌氧型微生物，广泛存在于油气田污水、油泥、油气集输管线、土壤等环境中[2]。在海上平台的环境中，这些细菌常常在金属管道内部、储罐底部或其他缺乏氧气的环境中生长。SRB的代谢活动产生的硫化氢是一种强还原剂，可以与金属反应形成金属硫化物，导致金属的局部腐蚀。硫化氢还能降低局部环境的pH值，加速金属的腐蚀过程。SRB还可能在金属表面形成生物膜，这种生物膜不仅为细菌提供保护，而且可以集中腐蚀介质，加剧局部腐蚀。SRB对海上平台金属管道的影响主要表现在可以在管道内部引起严重的腐蚀，特别是在管道内壁或焊缝处。SRB引起的通常难以检测，可能导致管道泄漏，进而引发安全事故和环境污染。

2.4 设计和结构因素

2.4.1 设计缺陷

设计不当的部件可能会在某些区域积聚腐蚀介质，如排水和排污管线没有设计坡度，可能会导致水和污物的局部聚集，引发局部腐蚀。

2.4.2 材料选择不当

使用不适当的材料也会增加腐蚀风险。例如，采油油井生产管柱如果在设计选材时没有考虑井下高温、高压、腐蚀性介质的影响，将存在腐蚀穿孔的风险。

3 常见腐蚀防护措施

3.1 防护材料

3.1.1 防腐涂层

应用在金属表面的防腐涂层可以有效地隔绝金属与腐蚀介质（如海水、氧气）的直接接触。这些涂层包括环氧树脂、聚氨酯和锌丰富的涂料等。在涂层选择时，需考虑涂层的耐化学性、耐磨性和附着力。

3.1.2 耐腐蚀合金

使用耐腐蚀性能更强的合金材料，如不锈钢、镍基合金和铜镍合金，可以显著降低腐蚀速率。奥氏体不锈钢如304、316系列是最常用的不锈钢类型，尤其是316不锈钢，由于其增加的钼含量，对海水有更好的抵抗力。22Cr双相不锈钢比316奥氏体不锈钢对氯化物应力腐蚀开裂具有更强的耐腐蚀性[3]，特别是对点蚀和裂缝腐蚀的抵抗能力。铜镍合金也经常用于海上平台和船舶的海水冷却系统、消防水系统、公用海水系统中。由于铜镍合金具有自然的抗生物腐蚀性，它们在海上环境中被用作防止生物生长的表面材料。

3.1.3 牺牲阳极

采用牺牲阳极，如锌或镁合金，可以通过电化学原理保护主体金属。牺牲阳极会优先腐蚀，从而保护主体金属不受腐蚀。阳极块通常设计在导管架、海管立管等重要设备上。

3.2 设计和工程措施

3.2.1 材料选择

在设计阶段，除了选择耐腐蚀合金外，还要尽量避免将电位差异较大的金属材料直接接触，选择在电化学系列中电位接近的材料，以减少电位差，从而降低电偶腐蚀的风险。还可以在不同金属之间使用非导电的绝缘材料，如涂层、垫圈或隔板，来阻断电子的流动。

3.2.2 设计避免缝隙

避免裂缝和引起腐蚀的方法是使用良好的设计和施工方法，并使用焊点来解决源头的间隙问题[4]。对于螺栓与法兰之间的不可避免的缝隙处可以采用外涂密封材料的方式隔绝腐蚀介质，在管线与支撑之间添加绝缘垫片，这些措施都可以减缓腐蚀发生。

3.2.3 阴极保护系统的设计

在平台结构设计中整合阴极保护系统，如外加电流阴极保护，可以有效防止金属腐蚀。

3.3 维护和操作策略

3.3.1 加注缓蚀剂

缓蚀剂通过减缓或阻止腐蚀过程，保护金属管道免受海洋环境的侵蚀。缓蚀剂的作用机理主要包括吸附作用和改变电化学反应。吸附作用是指缓蚀剂中的活性成分能在金属表面形成保护膜，阻止腐蚀介质与金属的直接接触。这层薄膜减少了金属离子的溶解和氧气的扩散，从而降低腐蚀速率。改变电化学反应是指某些缓蚀剂能改变金属表面的电化学性质，抑制腐蚀电池的形成。加注缓蚀剂时需要注意确保缓蚀剂在系统中均匀分布，避免局部过量或不足。要合理设定缓蚀剂的注入点，以保证全面有效的腐蚀防护。还要定期对金属设备进行腐蚀监测，评估缓蚀剂的效果。

3.3.2 定期检查和维护

定期对平台进行全面检查，尤其是对那些难以观察的部位，以及关键的腐蚀区域，主要包括对涂层的完整性、牺牲阳极的状况以及整个阴极保护系统的功能进行检查。

3.3.3 清洁和去污

定期清洁金属表面，去除海洋生物、盐分和其他沉积物，可以减少腐蚀的机会。

4 结束语

海上石油平台因长期暴露于海水、湿气、温度变化和生物侵蚀等恶劣环境下，金属腐蚀问题显得尤为严重，直接关系到平台的安全运营和寿命。海水中的盐分、湿气和氧气是主要腐蚀因素，温度波动和生物活动则加速腐蚀过程。技术人员针对不同腐蚀类型，如均匀腐蚀、局部腐蚀（点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳）进行了详细分析。通过选择良好防护材料、改善设计和工程措施、优化维护和操作策略等途径可以提高平台防腐蚀能力。