中國南海潿洲油田W114A平臺服役15年的水下鋼結構腐蝕防護調(diào)查

姚 平, 鮑 祺, 趙 霞, 段繼周, 馬士德

（1. 中海石油有限公司 湛江分公司, 廣東 湛江 524000; 2. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071;3. 中國科學院 研究生院, 北京 100049）

中國南海潿洲油田W114A平臺服役15年的水下鋼結構腐蝕防護調(diào)查

姚 平1, 鮑 祺2,3, 趙 霞2, 段繼周2, 馬士德2

（1. 中海石油有限公司 湛江分公司, 廣東 湛江 524000; 2. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071;3. 中國科學院 研究生院, 北京 100049）

介紹了W114A平臺在南海服役15年的水下鋼結構的腐蝕與防護特檢報告。檢測表明, 生物污損嚴重, 最大附著厚度可達20 cm, 陰極保護系統(tǒng)正常, 保護效果良好。對檢測方法和結果進行了分析發(fā)現(xiàn), 電位測量程序不妥, 犧牲陽極物理尺寸的測量方法不準確, 測厚點的基面清理不干凈, 不能準確地對平臺的陰極防護效果進行評估, 并對此提出了修改意見和建議。

海洋平臺; 水下鋼結構; 腐蝕

W114平臺系我國南海投產(chǎn)最早的自產(chǎn)海洋石油平臺, 20世紀90年代初建造, 1993年在南海潿洲油田投入使用。海洋中鋼鐵構筑物的鋼鐵/海水界面同時存在著兩個自然過程, 即鋼鐵的腐蝕過程和污損生物的附著過程[1], 在這兩個過程共同作用下, 鋼鐵遭到了腐蝕破壞。潿洲油田地處亞熱帶海域, 其所處的環(huán)境和渤海、黃海、東海相比, 具有水溫高、鹽度高、海水透明度高和生物活性高等特點, 由此給該海域鋼鐵結構帶來嚴重的生物污損和腐蝕破壞。根據(jù)國際船級社的規(guī)定, 平臺需每隔 5年特檢 1次,2008年已是該平臺的第 3次特檢, 即在海水中服役15年特檢（分別于1999年、2003年對水下鋼結構的腐蝕、污損及陰極保護狀態(tài)各進行過1次特檢）。此前, 我們已經(jīng)對10年來的污損生物群落對潿洲油田W114以及W12-1等平臺的安全影響進行了研究[2-4],本次報告選擇了該平臺的導管架海平面至泥面范圍內(nèi)的 8條樁腿（ROW-A的 4條樁腿 A1、A2、A3、A4和ROW-B的4條樁腿B1、B2、B3、B4）, 從超聲測厚、陰極保護電位和犧牲陽極狀態(tài)三方面結果對其進行了討論和評估。

1 水下檢

1.1 水下鋼樁的陰極保護電位

1.1.1 檢測方法

對 W114A平臺樁腿水下結構選取不同深度的2×7個部位共2×21個采樣點（圖1）, 進行結構陰極電位測量。陰極測量點盡量選擇遠離犧牲陽極, 每個結構陰極測量部位測3個點, 對每個采樣陰極3個點電位分別取平均值, 匯總制成圖2、圖3。測量前用手錘清理測量點的海生物, 確保電位儀與測量部位良好接觸。電位測試采用的是巴氏電位儀。電位儀水下使用前和試驗鋅塊一起用海水浸泡超過4 h, 并對電位儀進行校驗, 確保水下測量數(shù)據(jù)的準確性。

1.1.2 檢測結果與討論

從2008年陰極保護電位測量數(shù)據(jù)可以看出（圖3）,W114A 平臺 8個樁腿陰極電位數(shù)值均在?1050 ～?1 000 mV之間, 該平臺水下鋼結構完全處于良好保護狀態(tài)。通過測量發(fā)現(xiàn)低合金鋼在該海域的自腐蝕電位在?650 mVvs.Ag/AgCl左右, 平臺結構鋼與低合金鋼基本同類, 通常設計保護電位在?800～ ?1000 mVvs.Ag/AgCl。因此上述測試結果足以說明, 該平臺水下鋼結構處于良好保護狀態(tài), 但是, 保護電位長期處于?1000 mV以上, 鋼鐵表面易產(chǎn)生析氫反應, 氫向鋼鐵內(nèi)滲透引起氫腐蝕, 給平臺造成潛在危險。

該檢測結果并未反映水下鋼結構真實保護電位（圖4）, 在海水中浸泡15年之久的平臺水下鋼結構鋼鐵/海水界面的真實情況為在水下鋼結構表面還覆蓋著平均20 cm厚的污損生物層（圖4中陰影部分）。犧牲陽極的陰極電流Ia必須通過污損生物層Rb才能到鋼結構基體。

圖1 W114A平臺陰極保護電位采樣點分布圖Fig. 1 Distribution of the sampling sites for the potentials of cathodic protection of W114A offshore platform

圖2 2003年特檢各個采樣點處鋼結構陰極電位圖Fig. 2 Cathodic potentials of the steel structure at each sampling position detected in 2003

圖3 2008年特檢相同采樣點處鋼結構陰極電位圖Fig. 3 Cathodic potentials of the steel structure at the same sampling positions as that of 2003 detected in 2008

圖4 由犧牲陽極發(fā)射出的陰極極化電流實際狀態(tài)示意圖（A）及其等效電路圖（B）Fig. 4 Sketch map of the cathodic polarization current emitted from the sacrificial anode （A） and its equivalent circuit （B）

現(xiàn)用檢測方法是在除去了污損生物層之后所得的電位, 消除了生物層IaRb降, 不能反映平臺水下鋼結構的真實保護電位, 真實保護電位為未除去污損生物層時所測得電位, 所以, 真實保護電位=本次所測電位?IaRb。

1.2 水下犧牲陽極檢測

1.2.1 檢測方法

1.2.1.1 潛水員水下目測

對W114A平臺樁腿水下犧牲陽極進行目視檢驗,目測項目主要為犧牲陽極塊和鋼結構的平整情況以及犧牲陽極的表現(xiàn)狀態(tài)。目測結果表明, 所有犧牲陽極和平臺鋼結構焊接良好, 犧牲陽極表面基本被污損生物包覆, 從水下照片（圖 5）和水下錄像發(fā)現(xiàn)在犧牲陽極的表面除了污損生物以外, 還有白色生物物質(zhì)零散分布于污損生物上。

圖5 水下犧牲陽極Fig. 5 Underwater sacrificial anodes

1.2.1.2 抽樣陽極的物理尺寸測量

在不同位置抽查共 2×12塊抽查犧牲陽極, 對每一塊陽極首先表面全部進行表面海生物、腐蝕物清除, 再用軟尺和鋼卷尺, 測量陽極的長度和3個不同位置周長值（=兩側邊長+上寬長+下寬長）, 對犧牲陽極的實際測量物理尺寸數(shù)據(jù)匯總, 見表1。發(fā)現(xiàn)犧牲陽極外觀尺寸較原始尺寸（圖6）有了一定的縮減。

1.2.2 討論

原始設計陽極周長為 95.4 cm, 根據(jù)表 1, 2003年 8塊陽極的外觀物理尺寸實際測量結果取平均值計算為90.1 cm, 占原始周長的94%, 粗略估計陽極消耗平均速率為0.5 cm/a, 照此速率計算, 2008年犧牲陽極周長應為87.4 cm, 但是2008年實際粗略測量為90.4 cm, 和2003年用同樣方法測得的90.1cm相比較, 未能減小反而增加?？紤]到在海洋中測量過程中, 測量人員所采用的測量方法, 如用鋼卷尺纏縛測量周長時, 因鋼片的彈性在水下很難緊貼帶有四棱角的陽極表面, 而采用皮尺雖能緊貼陽極表面,但一個潛水員操作很難找到垂直于測點縛線周長,加之, 犧牲陽極表面變得凹凸不平, 使得實測周長大于實際周長。

圖6 犧牲陽極模型圖Fig. 6 Model diagram of sacrificial anode

1.3 水下鋼樁超聲測厚

1.3.1 實驗方法

采用超聲測厚儀對W114A平臺樁腿海平面至泥面范圍內(nèi)的 2×4條樁腿進行結構厚度測量工作, 其中每個樁腿水下部分每隔 5 m測量一個部位, 每個部位分別在3:00、6:00、9:00和12:00鐘點位置測量4個數(shù)值, 取4個鐘點位的厚度平均值。測厚儀每次水下使用前先在水面進行校驗, 校驗數(shù)值拍照, 確保水下結構測厚數(shù)值的準確性。然后, 分別與該位置原始設計厚度值作差, 見圖7、圖8。測量前用手錘清理結構桿件表面的海生物, 確保測厚儀探頭與被測結構良好接觸。

1.3.2 討論

從圖7、圖8曲線不難看出, 不同水深8個樁腿采樣點的厚度2008年數(shù)值較2003年數(shù)值有不同程度的減小, 這說明從2003年到2008年這5年間導管架鋼樁樁腿仍被緩慢腐蝕著, 從測量厚度看, 對于ROW-A最大腐蝕厚度發(fā)生在水下10 m處, 為0.50 mm, 最小腐蝕厚度發(fā)生在水下20 m處為0.09 mm,平均腐蝕厚度為0.069 mm/a。對于ROW-B來說, 腐蝕速率較ROW-A更為均勻, 最大腐蝕厚度發(fā)生同樣在水下10 m處, 為0.44 mm, 最小腐蝕厚度發(fā)生在水下 35 m處為 0.13 mm, 平均腐蝕厚度為 0.058 mm/a。綜合2003年和2008年數(shù)據(jù), 可以看出, 水下部分的腐蝕速率隨著水深的不同略有不同, 開始隨著深度的增加而逐漸增大達最大值（水下10 m處）后,隨著隨著深度的繼續(xù)增加而又開始逐漸減小而后又增大。低合金鋼在海水全浸時自然腐蝕速率為0.07～0.15 mm/a, 在南海腐蝕掛片表明低合金鋼在海水中的腐蝕速率為0.09～0.14 mm/a[5], 比我國其他海域腐蝕掛片腐蝕速率低, 這是大型鈣質(zhì)為底的污損生物重疊附著保護作用[6], 而此次W114平臺水下鋼結構所得的數(shù)值同樣低于低合金鋼在海水全浸時的自然腐蝕速率, 說明犧牲陽極仍起作用, 但此次測試電位值和2003年測試值相比所得結果, 與鋼樁超聲測厚結果相矛盾, 說明犧牲陽極物理測量方法應改進。

表1 犧牲陽極實測物理尺寸Tab. 1 Actual physical sizes of the sacrificial anode

圖7 ROW-A實測厚度變化值與深度關系曲線圖Fig. 7 Relation curves of thickness and depth for ROW-A platform leg

圖8 ROW-B實測厚度變化值與深度關系曲線圖Fig. 8 Relation curves of thickness and depth for ROW-B platform leg

2 結論

從 W114A平臺樁腿的水下鋼樁的陰極保護電位、犧牲陽極保護和鋼樁超聲測厚三方面出發(fā), 對W114A平臺服役 15年的水下鋼結構腐蝕防護情況進行了分析和初步的討論:

（1）通過對水下鋼樁的陰極保護電位檢測, 該平臺水下鋼結構完全處于良好的保護狀態(tài), 但該檢測方法并未反應水下鋼結構的真實保護電位, 測量過程中不應破壞污損生物層;

（2）通過水下犧牲陽極表面狀態(tài)目測和物理尺寸測量, 說明犧牲陽極已完全被污損生物包覆, 清除污損生物層后犧牲陽極表面有一層灰白色腐蝕產(chǎn)物,這是電阻較大的氧化鋁, 加之污損生物層兩者結合將大大阻礙犧牲陽極的放電, 最終導致犧牲陽極的“污損失效”;

（3）超聲測厚結果表明, 平臺水下鋼結構仍依平均0.06 mm/年的腐蝕速率進行。

[1] 馬士德. 金屬/海水界面兩個主要過程的關系[J]. 海洋湖沼通報, 1979, 2: 237-241.

[2] 張良興, 黃宗國, 李傳燕, 等. 呂四洋附著生物與鉆

孔生物生態(tài)研究[J]. 海洋學報, 1981, 3（1）: 139-148.

[3] 馬士德, 段繼周, 李偉華, 等. 南海油田. W12-1平臺水下鋼結構腐蝕與防護檢測情況討論[J]. 全面腐蝕控制, 2006, 20（2）: 26-29.

[4] Ma Shi-de, Li Wei-hua, Yao Ping, et al. The effect of fouling creatures on the security of the offshore oil platform in Weizhou oil field of the South China Sea ⅡThe study on the effect of biotic community in W12-1 platform on cathodic protection. MARINE CORROSION AND CONTROL[R]. //3rdInternational Symposium on Marine Corrosion and Control, 2006.

[5] 侯保榮. 海洋腐蝕環(huán)境理論及其應用[M]. 北京: 科學出版社, 1999.

[6] 朱相榮, 王相潤. 金屬材料的海洋腐蝕與防護[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 1999.

Received: Jan., 18, 2010

Key words:offshore platform;underwater steel structures;corrosion

Abstract:Corrosion and protection of the underwater steel structures for W114A platform were investigated. The offshore platform has been in service in the South China Sea for 15 years. It was found that the bio-fouling was serious and the maximum attachment thickness was 20cm, while, the cathodic protection system was normal and the protective effect was favorable. After analyzing the detective methods and their results, some problems were found.The program of potential detection was inappropriate, the detection method for physical size of the sacrificial anodes was inaccurate, and the base surface of the thickness measurement points was not clean; therefore, the cathodic protective effect could not be accuraely evaluated. To solve these problems, some valuable suggestions are put forward accordingly.

（本文編輯:康亦兼）

Corrosion and protection of the W114 offshore platform after a 15-year service in Weizhou oil field of the South China

YAO Ping1, BAO Qi2,3, ZHAO Xia2, DUN Ji-zhou2, MA Shi-de2
（1. China National Offshore Oil Corporation, Zhanjiang 524000, China; 2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

TE985.6

A

1000-3096（2011）01-0054-05

2010-01-18;

2010-06-20

國家科技支撐計劃項目（2007BAB27B01）

姚平（1965-）, 男, 陜西彬縣人, 工程師, 研究方向: 海上石油平臺腐蝕防護, E-mail: yaoping@cnooc.com.cn; 馬士德, 通信作者,E-mail: baoqi08@mails.gucas.ac.cn