海洋固井雙機雙泵撬防腐方案設(shè)計

侯 林，于海安，雷 彪，李 斌

海洋固井雙機雙泵撬防腐方案設(shè)計

侯 林a，于海安a，雷 彪a，李 斌b

（中海油服油化事業(yè)部a．物資裝備部；b．裝備技術(shù)室，河北燕郊065200）

分析了海上露天安裝的固井雙機雙泵撬的結(jié)構(gòu)特點及海洋大氣環(huán)境的腐蝕因素，結(jié)合設(shè)備因腐蝕發(fā)生的故障統(tǒng)計，總結(jié)了設(shè)備在海洋大氣環(huán)境中的防腐薄弱部位；從表面處理及涂裝工藝、關(guān)鍵部件的選型和防護及散熱器、接頭等易腐蝕部位的防腐措施入手，制定了整體設(shè)備的工藝要求及防腐措施。對提高海洋固井雙機雙泵撬設(shè)計與制造水平、延長設(shè)備使用壽命、規(guī)范設(shè)備的防腐蝕技術(shù)方案、降低設(shè)備運營成本、最大限度保證作業(yè)安全提供參考。

露天安裝；雙機雙泵撬；防腐

隨著海洋鉆井技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，固井設(shè)備的集成化、自動化程度不斷增加，除發(fā)動機、變速箱等部件仍需依賴進口，其余部件及核心的混漿自動控制系統(tǒng)均已實現(xiàn)國產(chǎn)化，在技術(shù)參數(shù)和配置上，國產(chǎn)固井設(shè)備已與國際水平相當。但在設(shè)備生產(chǎn)過程中的制造標準、工藝控制等方面與國際先進的固井設(shè)備仍存在較大差距，導致各個組件防腐性能參差不齊，不耐腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)較多。以目前中海油服在墨西哥導管架安裝的固井雙機雙泵撬為例，設(shè)備投入使用5 a多以來，散熱器、柴油機渦輪增壓器組件及液壓管線平均每2 a就需要更換1次，因腐蝕引起的設(shè)備故障也時有發(fā)生。由于設(shè)備投入使用后，很難安排時間窗口進行大規(guī)模的整改與大修，所以在設(shè)備設(shè)計選型與制造環(huán)節(jié)進行必要的防腐處理至關(guān)重要。

1 海洋固井設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點及使用環(huán)境

目前，海上平臺主流固井主機均為雙機雙泵自動混漿撬，該設(shè)備由發(fā)動機、變速箱、三缸臥式柱塞泵、高低壓管匯、閉式及開式液壓系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、混漿自動控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1　典型的雙機雙泵固井撬結(jié)構(gòu)（水冷）

設(shè)備安裝環(huán)境根據(jù)鉆井平臺或?qū)Ч芗艿脑O(shè)計不同，可分為艙內(nèi)、露天及懸臂梁下3種情況。其中：艙內(nèi)安裝由于溫度、濕度相對穩(wěn)定，設(shè)備無需進行特殊的防腐處理；懸臂梁下部空間安裝固井泵多見于自升式鉆井平臺，設(shè)備在懸臂梁下仍能得到一定防護。但多數(shù)采油平臺及導管架一般沒有設(shè)計專門的固井設(shè)備艙室，且甲板空間十分有限，設(shè)備安裝于露天環(huán)境下，直接暴露在海洋大氣環(huán)境中，陽光暴曬、硫化氫及鹽霧對設(shè)備，尤其是散熱器、管線接頭、發(fā)動機高溫部件及電氣接頭的腐蝕十分嚴重。根據(jù)中海油服油化事業(yè)部設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)（2013-06）：中海油服目前在役海上固井設(shè)備有34%均安裝于露天環(huán)境，設(shè)備由于腐蝕發(fā)生故障、影響作業(yè)時有發(fā)生，并且受限于空間，大部分設(shè)備無法加裝外部防護頂棚或艙室。因此，提高設(shè)備自身的抗腐蝕能力，對延長設(shè)備使用壽命、降低設(shè)備運營成本及提高服務(wù)質(zhì)量、保證作業(yè)安全具有十分重要的意義。

2 表面處理及涂裝工藝要求

在設(shè)備制造階段，良好的表面處理和涂裝工藝可以解決設(shè)備罐體、高低壓管線、泵體等大部分外表面的防腐問題。設(shè)備使用過程中的除銹刷漆也應(yīng)該有相應(yīng)的規(guī)范，以避免漆膜缺陷的產(chǎn)生。

2．1 表面處理工藝要求及檢驗規(guī)范

設(shè)備表面涂裝是設(shè)備防腐的第1道防線，也是設(shè)備組裝前的最后1道工序，而涂裝前的表面處理對涂裝效果及壽命有著決定性影響。目前，生產(chǎn)廠家主流的表面處理工藝為噴砂處理，但由于設(shè)備、工人技術(shù)及后續(xù)工序銜接的差異，導致漆膜效果不穩(wěn)定。通過查閱ISO 8501-1—1988標準［1］，借鑒海洋平臺及設(shè)備的工藝要求，制定的表面處理質(zhì)量控制標準如表1。

表1　表面處理質(zhì)量控制級別

ISO 8501-1—1988標準將未涂裝過的鋼材表面原始程度按氧化皮覆蓋程度和銹蝕程度分為4個等級，分別以A、B、C、D表示，按照Sa2．5處理后對照如表2所示。

表2　表面原始等級描述及Sa2.5處理對照

除銹后的金屬表面與涂底漆的時間間隔不應(yīng)大于6 h，但無論間隔時間多少，涂漆前表面不應(yīng)有銹蝕或污染。

2．2 表面涂裝工藝要求

露天安裝的固井設(shè)備長期處于惡劣的腐蝕環(huán)境中，使用期間維修困難，因此在防腐蝕技術(shù)上規(guī)定只能使用高性能重防腐涂料。根據(jù)目前成熟的海洋平臺使用的幾種重防腐涂料體系［2-4］，制定的涂裝工藝要求如下：

1)富鋅底漆。要求含高比例鋅粉的涂料，同時要求與基材附著力強。富鋅底漆作用之一是起陰極保護，另外當涂層有破壞或不連續(xù)時，鋅粉可以起犧牲陽極作用而保護基材。富鋅底漆一般采用無機富鋅底漆、環(huán)氧富鋅底漆等。

2)中間漆。要求綜合防腐能力強，中間漆的特點是含高效的防銹材料或防滲透材料，如顆粒狀或鱗片狀鋅粉、玻璃鱗片、不銹鋼鱗片、納米級的鈦粉等為主的屏蔽型和陰極保護型涂料及各種新型緩蝕型涂料等。

3)面漆。面漆的作用是為底漆和中間漆提供一個保護層，減緩和限制水氣、氧及化學活性離子的滲入。

參考的涂層配套如表3所示。

表3　典型的海洋平臺大氣區(qū)重防腐涂料配套體系

不良的涂漆施工程序?qū)е缕崮こ霈F(xiàn)缺陷，有些缺陷是在涂層固化和干燥過程中發(fā)生的，有些則是在投入使用后才出現(xiàn)的。常見的漆膜缺陷有夾砂、流掛、針孔、縮孔、開裂等［5］；漆膜的修復一般采用手動或動力工具打磨后人工刷涂的方法，相關(guān)要求可參考ISO 8501-1—1988標準。

3 發(fā)動機的選型及防護

雙機雙泵撬采用2臺發(fā)動機，分別為2臺固井泵及其他系統(tǒng)提供動力。盡管隨著技術(shù)的不斷進步，采用備份清水泵及循環(huán)、灌注泵替換的方式，完全可以在1臺發(fā)動機故障后采用單泵固井，但單泵固井存在時效低、作業(yè)風險大的缺點。已有的案例是某平臺由于渦輪增壓器潤滑管線腐蝕開裂，導致作業(yè)過程中1臺柴油機停機，采用單泵固井后，由于作業(yè)時間延長，約1／3的尾漿未能混配和泵注，并且因搶修設(shè)備造成停工超過10 h。

根據(jù)對目前露天使用的雙機雙泵撬的腐蝕問題統(tǒng)計，腐蝕主要發(fā)生在風冷發(fā)動機散熱器、渦輪增壓器及排氣歧管等位置，如圖2～3所示。無論以上那個部件發(fā)生故障，柴油機都無法正常工作。

圖2　散熱器的腐蝕

圖3　渦輪增壓器的腐蝕

3．1 散熱器

目前，海上使用的發(fā)動機冷卻方式有風冷和海水冷卻2種。風冷依靠發(fā)動機自身動力帶動風扇，氣流穿過散熱器帶走熱量；其優(yōu)點是不依靠外部動力，缺點是由于發(fā)動機散熱器表面積大，與海洋大氣接觸最為頻繁，故腐蝕最為嚴重。海水冷卻通過熱交換器內(nèi)部的銅管束實現(xiàn)海水與發(fā)動機冷卻液的對流，帶走發(fā)動機的熱量；其優(yōu)點為熱交換效率高，體積和造價相對低些，可避免設(shè)備周圍環(huán)境溫度過高；缺點是需要外接水泵為其提供冷卻水源。

根據(jù)目前墨西哥灣導管架的維保記錄統(tǒng)計，碳鋼材質(zhì)的散熱器在5 a內(nèi)均已更換1～2次，平均使用壽命僅3～4 a；因此如果平臺條件允許，應(yīng)盡量采用海水冷卻。如果只能使用風冷機，柴油機和液壓系統(tǒng)的散熱器應(yīng)選用不銹鋼材質(zhì)。

3．2 渦輪增壓器

渦輪增壓器及排氣歧管是發(fā)動機工作中溫度最高的外部部件，其中廢氣渦輪殼體及排氣歧管工作溫度高達300～500℃［6］，高溫加劇了該部件的腐蝕速度。根據(jù)墨西哥灣現(xiàn)場的維保經(jīng)驗，盡管定期刷涂高溫漆，但渦輪增壓器的腐蝕仍然比設(shè)備整體腐蝕的速度要快，平均每2～3 a就需要更換。而陸地及平臺艙內(nèi)的環(huán)境下，該部件的平均使用壽命大于10 a。因此，降低該部件的表面工作溫度是首選方案。選用帶冷卻水套的渦輪增壓器及排氣歧管組件（如圖4）可從根本上解決此問題。目前，CAT 3406型柴油機及CAT C15型柴油機都可提供此組件。另外，如果平臺可在設(shè)計初期考慮用電需求，也可選擇安裝電驅(qū)固井泵，其散熱和噪聲均優(yōu)于柴油機驅(qū)動的固井設(shè)備。

圖4　帶冷卻水套的渦輪增壓器組件

3．3 發(fā)動機防護罩

目前，海洋固井雙機雙泵撬配套的發(fā)動機95%以上均為CAT生產(chǎn)，該品牌發(fā)動機有工業(yè)機、船用機2種選型。工業(yè)機設(shè)計為室內(nèi)使用，直接暴露在海洋大氣環(huán)境下，發(fā)動機外部管線及電氣接頭腐蝕速率很快。船用機主要特點是滿足全天候滿負荷工作、變負荷工作及抗風浪設(shè)計，在防腐方面并無優(yōu)勢，所以固井設(shè)備選用的都是工業(yè)機。作為固井設(shè)備中最精密的核心部件，為避免雨水、海浪的沖刷和陽光暴曬，為露天安裝的發(fā)動機加裝防護罩十分必要。防護罩的設(shè)計有以下3點要求：

1)不影響設(shè)備使用維保。

2)盡量不增加設(shè)備的總體外形尺寸。

3)如使用風冷機，防護罩不能干擾冷卻氣流的流向，影響冷卻效果。

經(jīng)過多年的摸索、試驗與改進，現(xiàn)有的發(fā)動機防護罩有全封閉式防護罩、半封閉式防護罩2種形式，如圖5～6所示。全封閉式防護罩采用鋼板包裹隔音棉制做，前端與發(fā)動機散熱器相連，后端敞開，將氣流導入設(shè)備其他部件進行冷卻；兩側(cè)為對開式活動門，以方便發(fā)動機的運行前檢查與日常維保。半封閉式防護罩僅覆蓋發(fā)動機的頂部，四周向下盡量延伸，以不影響發(fā)動機的散熱與維保為宜。兩者相比較，全封閉式防護罩在防腐的基礎(chǔ)上，兼具隔音降噪功能，但在造價與尺寸上略高于半封閉式防護罩。因此，在預(yù)算及平臺空間允許的情況下，應(yīng)盡量選用全封閉式防護罩。

圖5　全封閉式防護罩

圖6　半封閉式防護罩

4 設(shè)備電氣接頭及液壓和氣路管線接頭保護

電氣接頭因腐蝕、老化而導致接觸不良，是固井設(shè)備的常見故障；由于柴油機及液壓系統(tǒng)管線接頭的腐蝕泄露而導致火災(zāi)事故也時有發(fā)生。目前對各種電氣、液壓系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)的金屬接頭的防護一般有2種方式：一種是船舶用防腐膠帶或黃油布包裹；一種是采用高溫熱縮管包裹處理［7-8］。2種方式的原理都是將接頭與外部大氣隔絕，以減緩腐蝕速度。

考慮到熱縮管的老化及黃油布變干后需要更換，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，推薦發(fā)動機電氣接頭、氣路系統(tǒng)接頭（6．35 mm（1／4英寸）銅質(zhì)或鋼制接頭）使用高溫熱縮管保護；液壓管線接頭（多為25．4 mm或19．05 mm（1英寸或3／4英寸）鋼制接頭）采用防腐膠帶或黃油布包裹，這樣在更換防腐膠帶或黃油布時，無需將管線接頭拆下，降低液壓油浪費及液壓系統(tǒng)進氣的風險。

5 整體防腐方案

綜合以上對露天安裝的海洋固井雙機雙泵撬采取的防腐措施，在現(xiàn)有的設(shè)備標準化選型庫中增加防腐型雙機雙泵撬整體防腐方案，如表4。

表4　防腐型雙機雙泵撬整體防腐方案

以上列出的防腐措施較為經(jīng)濟，對設(shè)備的整體造價不會產(chǎn)生大的影響，配套使用可以有效地控制海洋大氣及陽光暴曬造成的老化、腐蝕。

6 結(jié)語

腐蝕進程是一個漸進的、危險不斷加大的過程，影響設(shè)備腐蝕的因素很多，任何參數(shù)的變化都可能加速腐蝕［9］。同時，已有的防腐措施隨時間的推移和現(xiàn)場條件的變化還有可能減弱甚至失效。所以，在設(shè)備使用過程中，加強對以上防腐措施，尤其是漆面和接頭防護的檢查與維護尤其重要。固井主機在成套固井設(shè)備中結(jié)構(gòu)最為復雜，最具代表性。因此，本文制定的防腐措施可以選擇性地應(yīng)用在混合水罐、液添系統(tǒng)、灰罐等附屬設(shè)備上，以解決附屬設(shè)備的防腐問題。

［1］ISO 8501-1—1988，涂料和有關(guān)產(chǎn)品使用前鋼基底的制備：表面清潔度的視覺評定［S］．

［2］ISO 20340—2009，色漆和清漆：海上平臺及相關(guān)結(jié)構(gòu)防護涂料體系的性能要求［S］．

［3］SY／T 10008—2000，海上固定式鋼質(zhì)石油生產(chǎn)平臺的腐蝕控制［S］．

［4］Greenwood-sole G，Watkinson C J．New Glassflack Coating Technology for Off shore Applications［C］／／Houston：NACE，2004．

［5］佐敦公司．佐敦油漆技術(shù)手冊［K］．2004．

［6］于海安，張樹立，姜曉寶．固井設(shè)備發(fā)動機防爆系統(tǒng)研究［J］．石油機械，2005，33（3）：36-37．

［7］DL 413—1991，35k V及以下電力電纜熱縮型附件應(yīng)用技術(shù)條件［S］．

［8］OZDS．528．001，電力開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備母線用熱縮套管技術(shù)規(guī)范［Z］．正泰電氣股份有限公司，2008．

［9］龔凡明，余建星，郝曉楠，等．基于風險檢查的海洋立管腐蝕失效分析［J］．石油礦場機械，2013，42（2）：1-4．

Eesign of Corrosion of Ocean Cementing Eouble Body Eouble Pump Skid

HOULina，YUHaiana，LEI Biaoa，LI Binb
（a．Procurement Department；b．Equipment Technical Cffice，CCSL Cilfield Chemicals Equipment Center，Yanjiao 065200，China ）

The structural characteristics and corrosion factors offshore marine atmosphere of openair installation of cementing double pump skid were analyzed，combining statistical device failures due to corrosion，and equipment corrosion weak parts in the marine atmospheric environment were summarized．And from surface treatment and coating process，the selection and protection of critical components，radiators，connectors and other parts of the anti-corrosion measures corrosive start to develop the technological requirements and anti-corrosion measures overall equipment；aiming at improving marine cementing double pump skid design and manufacturing horizontal，extended equipment life，standardized equipment of anti-corrosion technology solutions，reduce equipment operating costs，to ensure maximum safety of operations．

open-air installation；double body double pump skid；corrosion prevention

TE952

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．016

1001-3482（2015）04-0065-05

2014-10-25

侯 林（1980-），男，四川瀘州人，工程師，主要從事海洋石油固井裝備技術(shù)管理工作，E-mail：houlin＠cosl．com．cn。