石油平臺在海洋潮差區(qū)與飛濺區(qū)的新型防護(hù)技術(shù)研究

張 偉，金 曦

（中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海鎧防腐工程技術(shù)分公司，上海 200000）

1 概述

石油是“工業(yè)的血液”，是重要的燃料來源和化工原料，我國作為主要的石油消費大國，對服役于海水環(huán)境這一強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中的海洋鉆井平臺采取有效的防腐技術(shù)刻不容緩。

對于海上石油平臺導(dǎo)管架的鋼管樁，經(jīng)常采用涂層防腐的方法，這種防腐方法施工較為簡單，但是存在明顯的局限性，如涂層易脫落等。另外經(jīng)常使用到的就是犧牲陽極的陰極保護(hù)法，然而由于浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)干濕交替，海水浸泡率較低，在這兩個區(qū)域使用電化學(xué)方法來防護(hù)具有一定的局限性，有待進(jìn)一步改進(jìn)。研究適用于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)的導(dǎo)電包覆防腐方法，可以減少海上石油平臺導(dǎo)管架樁腿的腐蝕，降低海上石油平臺的維護(hù)成本，延長海上石油平臺的使用壽命，對降低海上石油平臺維護(hù)費用具有重要意義。

前蘇聯(lián)海洋石油工業(yè)研究設(shè)計院曾設(shè)計一種外加電流的陰極保護(hù)方法，證明了導(dǎo)電包覆方法的可行性。針對現(xiàn)有導(dǎo)電包覆方法的局限性，本文所提出新型導(dǎo)電包覆防腐方法，該防腐方法主要的改進(jìn)之處在于：能延長海水浸泡在被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面的時間，有效提高被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面的海水浸泡率，讓海水在被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面充當(dāng)電解質(zhì)溶液，形成相對穩(wěn)定的離子通道，從而使被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面獲得更好的電化學(xué)防腐效果。同時具備設(shè)計簡單、施工方便、維護(hù)成本低、選用的材料易得等優(yōu)點。由于陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計涉及結(jié)構(gòu)與環(huán)境等因素，因此本文為簡化研究，僅研究包覆層的高度和厚度對陰極保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計，其他影響因素固定不變，并通過數(shù)值模擬法對陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化 設(shè)計。

2 實驗部分

2.1 材料選定

（1）進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計，首先需要選定導(dǎo)電包覆層的材料。包覆層選擇吸水保濕材料，需滿足以下要求：①吸水性和保濕性優(yōu)良；②能在浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)形成連續(xù)的電解質(zhì)膜；③耐用，不需要頻繁維護(hù)和更換；④材料易制得，經(jīng)濟(jì)效益好；⑤綠色環(huán)保。

（2）吸水保濕材料的技術(shù)指標(biāo)如下：①浪花飛濺區(qū)及海水潮差區(qū)陰極保護(hù)用吸水保濕材料包覆后的吸水高度不低于液面上1m；②浪花飛濺區(qū)及海水潮差區(qū)陰極保護(hù)用吸水保濕材料包覆后在室內(nèi)環(huán)境下保濕維持陰極保護(hù)狀態(tài)不低于24h；③浪花飛濺區(qū)及海水潮差區(qū)陰極保護(hù)用吸水保濕材料包覆后導(dǎo)電性能滿足陰極保護(hù)最低導(dǎo)電性要求，金屬構(gòu)件的保護(hù)電位小于-800mV（vs.CSE）。

通過查閱相關(guān)資料，篩選各種吸水保濕材料，本實驗選定聚乙烯醇（PVA）作為包覆層的吸水保濕材料，PVA是一種常用的水溶性有機(jī)高分子聚合物，具有無毒性、無腐蝕性、可被生物降解的優(yōu)點。

2.2 鋼管樁的數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計

由于海上石油平臺導(dǎo)管架包含大量的管道、鋼支架、犧牲陽極，為了研究導(dǎo)管架的陰極優(yōu)化設(shè)計，通過COMSOL Multiphysics軟件中“腐蝕模塊”中的邊界單元，實施邊界元方法對單個鋼管樁的進(jìn)行陰極保護(hù)模擬優(yōu)化設(shè)計：

首先構(gòu)建單個直徑1 000mm，高度為5 000mm的實心鋼管樁數(shù)值模型，鋼管樁的底部均勻放置四支500×（200+210）×220mm海洋工程常用的鋁合金犧牲陽極，材質(zhì)為Al-Zn-In-Mg-Ti，吸水保濕包覆層材料為PVA，海水的電導(dǎo)率為5S/m，選擇的物理場為一次電流分布，鋁的平衡電位Eeq=-1.050V，參比電極為Ag/AgCl參比電極，保護(hù)電流密度如表1所示。

表1 常用初期保護(hù)電流密度

考慮到鋼管樁在流動海水中，有PVA包覆層的包覆，根據(jù)上表，取30mA/m2作為保護(hù)電流密度。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼管樁的數(shù)值模擬優(yōu)化

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁外包覆一層高度為5.00m（保持包覆層與鋼管樁高度相同，下同）、厚度為0.10m的PVA，作為導(dǎo)電包覆層。包覆層中的海水作為電解質(zhì)溶液，使包覆層能夠作為原電池的離子通道。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.10m的PVA后，鋼管樁電位為-0.820～-1.050V，因為要求的保護(hù)電位是-0.800～-1.050V，所以符合保護(hù)電位要求。

其他條件保持不變，將包覆層厚度減小0.10m到0.09m后。輸入邊界條件，運行計算。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.09m的PVA后，鋼管樁電位為-0.810～-1.050V，符合保護(hù)電位要求。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆層厚度減小至0.08m。輸入邊界條件，運行計算。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.08m的PVA后，鋼管樁電位為-0.802～-1.050V，符合保護(hù)電位要求。

直徑1.00m、高度5.00m的鋼管樁包覆0.07m的PVA后，鋼管樁電位為-0.790～-1.050V，不符合保護(hù)電位要求。

綜合以上模擬優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，總結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同厚度的包覆層下鋼管樁電位范圍

由此可知，對于直徑為1.000m、高度為5.000m的鋼管樁，包覆層的厚度≥0.08m時能起到保護(hù)作用，包覆層的厚度≤0.07m時不能起到保護(hù)作用。

包覆層的高度取決于鋼管樁的高度，因為裸露的鋼管樁會直接與海水接觸，不能起到陰極保護(hù)效果，所以包覆層的高度不能低于鋼管樁的高度。對于包覆層的厚度而言，上述的實驗數(shù)據(jù)并不意味著在實際工程應(yīng)用中采用包覆材料體積最小的方案就是最好的，因為除了考慮材料成本，還要綜合其他因素來考慮。對于包覆厚度而言：包覆厚度越厚，鋼管樁的陰極保護(hù)效果越好，但是結(jié)構(gòu)的載荷越大，安裝越困難，包覆層越容易滑落；包覆厚度越薄，結(jié)構(gòu)載荷越小，安裝越容易，包覆層越不容易滑落，但是鋼管樁的陰極保護(hù)效果越差。從材料成本的角度來看，包覆層越薄，包覆層體積越小，所需的包覆材料成本越小。由于海上石油平臺導(dǎo)管架的浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)不斷受到海浪和風(fēng)雨的沖擊，對于不同環(huán)境下的鋼管樁，應(yīng)選擇合適的包覆厚度，平衡各種影響因素之間的關(guān)系，使包覆層能滿足需求。

3.2 導(dǎo)電包覆外殼材質(zhì)的選擇

為了導(dǎo)電保護(hù)層可以進(jìn)行長周期的服役，還需要在被保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)的最外層增設(shè)一層高強(qiáng)度的外殼，用螺栓固定于鋼結(jié)構(gòu)上。

在電化學(xué)防腐的基礎(chǔ)上，結(jié)合浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)的國內(nèi)外防腐技術(shù)的現(xiàn)狀，篩選出玻璃鋼、高密度聚乙烯和氯丁橡膠三種材質(zhì)，作為包覆外殼材質(zhì)。

3.2.1 玻璃鋼

玻璃鋼是一種玻璃纖維增強(qiáng)材料，具有易于設(shè)計、強(qiáng)度高、耐腐蝕、透光性好、電絕緣性好、隔音降噪性能優(yōu)良等優(yōu)點。但是在大氣暴露的條件下，由于天氣引起的機(jī)械損傷和陽光輻射會導(dǎo)致老化，特別是未加保護(hù)的玻璃鋼，其表層老化明顯。

3.2.2 高密度聚乙烯

高密度聚乙烯為白色粉末或顆粒狀產(chǎn)品，其硬度、拉伸強(qiáng)度和蠕變性比低密度聚乙烯好，其韌性、耐摩擦性、耐低溫性和絕緣性較好，常溫下，不溶于有機(jī)溶劑，耐酸、堿、鹽腐蝕，水蒸氣和空氣難以透過其薄膜，耐老化性差，與低密度聚乙烯相比，其耐環(huán)境應(yīng)力開裂的性能較差，所以需要加入抗氧化劑和紫外線吸收劑來增強(qiáng)其性能。增強(qiáng)型高密度聚乙烯復(fù)合管由于具有優(yōu)異的耐壓性能、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)效益、接頭可靠性和安裝效率，而被廣泛用于石油生產(chǎn)。

3.2.3 氯丁橡膠

氯丁橡膠是用氯丁二烯為主要原料制成的合成橡膠，機(jī)械性能較好，具有較高的拉伸強(qiáng)度、伸長率和可逆的結(jié)晶性，黏接性好，耐油性好，耐高溫，耐燃，耐陽光輻射，耐臭氧腐蝕，耐酸堿腐蝕等。氯丁橡膠的缺點是耐低溫性能較差，儲存穩(wěn)定性較差。

使用氯丁橡膠進(jìn)行包覆，最內(nèi)層是被保護(hù)的鋼管，中間層是氯丁橡膠防腐層，最外層是防海生物附著 層。若將氯丁橡膠應(yīng)用于本文所提出的導(dǎo)電包覆技術(shù)，則不能直接把氯丁橡膠包覆在鋼管樁上，而是需要將氯丁橡膠作為包裹層，包裹住吸水保濕材料，作為一個整體，再將這個整體包覆鋼管樁。

4 結(jié)束語

1）通過深入分析海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)腐蝕的原理，指出這兩個區(qū)帶腐蝕嚴(yán)重的原因主要是干濕交替下發(fā)生電化學(xué)腐蝕，再綜合國內(nèi)外海洋防腐技術(shù)，提出一種新型導(dǎo)電包覆方法，該方法采用吸水保濕材料作為電解質(zhì)層的犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)，再結(jié)合覆蓋層保護(hù)技術(shù)，可用于海上石油平臺的導(dǎo)管架樁腿浪花飛濺區(qū)和海水潮差區(qū)的防腐。

2）建立了鋼管樁的數(shù)值模型，導(dǎo)電包覆層采用PVA作為吸水保濕材料，通過陰極極化的優(yōu)化設(shè)計，從下到上，電位逐漸正移，符合陰極保護(hù)電位區(qū)間的要求，即保護(hù)電位符合-0.800V到-1.050V的范圍。包覆層越厚，保護(hù)效果越好。然而實際應(yīng)用中并不是包覆層越厚越好，對鋼管樁進(jìn)行陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計，可以節(jié)省包覆層材料的用量，同時最大限度地發(fā)揮犧牲陽極的防護(hù)效果，使最大保護(hù)高度能覆蓋整根鋼管樁的高度，從而減少犧牲陽極的消耗，既能降低防腐成本，又能減少資源消耗和環(huán)境污染，還能提高包覆層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3）根據(jù)現(xiàn)有的包覆材料，選定了玻璃鋼、高密度聚乙烯和氯丁橡膠三種包覆外殼材質(zhì)，采用哪種包覆材料需要根據(jù)實際的現(xiàn)場環(huán)境來決定。從耐海水沖擊和其他摩擦碰撞的角度來說，玻璃鋼在三者中表現(xiàn)最好。但是從安裝方便程度、經(jīng)濟(jì)效益、耐海水腐蝕和耐紫外線老化的角度來看，高密度聚乙烯在三者中最好。

4）所述的導(dǎo)電包覆防腐方法的海水浸泡率更高，使電解質(zhì)溶液對被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面的覆蓋效果更好；設(shè)計簡單，施工方便，維護(hù)成本低，能延長有效保護(hù)的年限；選用的材料容易獲得，有利于該防腐方法的 推廣。