海洋石油岸電平臺腐蝕原因及防腐措施

趙 偉，張水晶

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

0 引言

近年來，中國海油提出了一種新的供電方式，即利用陸上電網(wǎng)電力為海上油氣生產(chǎn)提供電力（簡稱“陸電”）。這種方式是將陸上高壓電力通過海底電纜傳輸?shù)胶Ｉ?，再通過岸電平臺的變壓和二次分配，為油田群內(nèi)各生產(chǎn)平臺提供電力。與傳統(tǒng)的海上石油平臺通過自身的發(fā)電機組為油氣田提供電力相比，岸電供電更加可靠，有利于油田的穩(wěn)定生產(chǎn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排、降低能耗。

海上平臺面臨復雜多變的海洋環(huán)境，海水中含有大量的氯離子、硫化物、溶解氧等腐蝕性物質(zhì)，會腐蝕平臺上的金屬管線和設(shè)備[1]，導致管道和設(shè)備的破損或斷裂。一旦發(fā)生泄漏，不僅會污染海洋環(huán)境，還可能造成災(zāi)難性的安全事故，導致重大經(jīng)濟損失、威脅生命安全。因此，確保海上油氣生產(chǎn)的安全運轉(zhuǎn)，延長海洋石油平臺設(shè)備設(shè)施的使用壽命，加強腐蝕控制是現(xiàn)階段必須重視和解決的問題。

1 海洋石油岸電平臺概述

海洋石油岸電工程是一種新型的供電方式，相比傳統(tǒng)的海電方式，它更加可靠、節(jié)能、環(huán)保。岸電工程是由陸地架空線輸送的電能，經(jīng)陸上開關(guān)站或換流站的作用后轉(zhuǎn)為通過海底電纜輸送，通過在海上設(shè)置的海上變電站或換流站進行接收，最后再將其輸送至各生產(chǎn)平臺上，以連續(xù)供給海上油田所需的電力。這一過程伴隨著多種高壓電氣設(shè)備的協(xié)同運轉(zhuǎn)，因此，為避免火災(zāi)隱患，海上變電站應(yīng)盡可能遠離油氣生產(chǎn)平臺。此外，海洋石油岸電工程需實現(xiàn)同時為多個生產(chǎn)平臺供電的要求，因此出于安全性和經(jīng)濟性的綜合考慮，海上變電站等高壓電氣設(shè)備通常集中布置在海上電力平臺上，再通過棧橋與海上油氣生產(chǎn)平臺連接[2]。

2 平臺腐蝕機理與防腐措施

2.1 腐蝕機理

海上平臺在海洋環(huán)境中的腐蝕失效形式主要是電化學腐蝕，即金屬構(gòu)件由于氧化反應(yīng)而被溶解。在此過程中，氧化和還原反應(yīng)同時存在，發(fā)生氧化反應(yīng)的部分失去電子，發(fā)生還原反應(yīng)的部分得到電子，即電子由前者轉(zhuǎn)移至后者，從而形成了電化學腐蝕的電流基礎(chǔ)。

電化學反應(yīng)的基本發(fā)生單元為電解池，由陽極、陰極和電解質(zhì)共同組成，陽極即為發(fā)生電化學腐蝕的部位。在腐蝕原電池中，陽極和陰極可以由同種或不同種金屬構(gòu)成，海上平臺由多種金屬構(gòu)件共同組成，其中化學性質(zhì)更活潑的金屬容易發(fā)生腐蝕成為陽極，而相比之下更穩(wěn)定的金屬不容易產(chǎn)生反應(yīng)而成為陰極。最后，由于海水富含大量易溶解的鹽類物質(zhì)而且具有強導電性，同時海洋中常常形成鹽霧環(huán)境，是自然界中最容易引起金屬腐蝕的電解質(zhì)之一[3]。

2.2 腐蝕區(qū)域劃分

從腐蝕角度，通常將平臺劃分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)和全浸區(qū)3 個區(qū)域（圖1）。

圖1 平臺腐蝕區(qū)域劃分

（1）大氣區(qū)的腐蝕主要由空氣中的水分和氧氣引起。在大氣區(qū)，高濕度、長日照時間和鹽粒、鹽霧等物質(zhì)的存在，會導致結(jié)構(gòu)表面積聚形成液膜，成為電化學腐蝕的基礎(chǔ)。在這種情況下，構(gòu)件表面不斷形成紅銹，并且不能附著在薄膜表面而不斷脫落，最終導致平臺結(jié)構(gòu)的連續(xù)腐蝕。這一過程主要主要受到大氣濕度、溫度、鹽度等條件的影響。

（2）飛濺區(qū)是海上平臺最嚴重的腐蝕區(qū)域之一。在潮汐和海浪的影響下，該區(qū)域處于干濕交替的環(huán)境中，其表面不斷被富氧的海水浸濕，同時受到海浪的濺潑和沖擊。這將加速部件表面的腐蝕速度。此外，海水中夾雜的氣泡還能破壞結(jié)構(gòu)表面的保護膜，加劇腐蝕。

（3）全浸沒區(qū)指的是飛濺區(qū)以下和海泥中的部分，該部分平臺的腐蝕表現(xiàn)為，在溶解氧的作用下，兩種不同的金屬和電解質(zhì)形成兩個電極，形成腐蝕電化學電池，使部分結(jié)構(gòu)處于高電位的陽極而被腐蝕，而部分處于低電位的陰極區(qū)域得到保護。這種電化學腐蝕的速度主要受溫度、鹽度、速度和海洋生物的影響。

2.3 防腐措施

除了由施工工藝不規(guī)范引起的腐蝕失效，大多數(shù)金屬構(gòu)件的腐蝕失效是由于其與自然環(huán)境相互作用導致的。為了延長金屬構(gòu)件的使用壽命，需要采取腐蝕防護措施，如選擇耐腐蝕性能較好的材料、涂覆防腐涂料、電鍍等方法，以減緩金屬構(gòu)件的腐蝕速度。相應(yīng)地，防腐措施應(yīng)根據(jù)平臺的環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)部件、使用壽命、施工和維護可能性等因素確定[4]。一般來說，在海洋大氣區(qū)采用高性能防腐涂料；飛濺區(qū)則采用增加壁厚、高性能防腐涂料（或包覆層）與陰極保護相結(jié)合的保護方法；全浸區(qū)的腐蝕形式大多為電化學腐蝕，一般采用陰極保護方法。目前，常見的陰極保護方法有犧牲陽極保護法和外加電流保護法兩種。

（1）犧牲陽極保護法。利用鋅、鋁、鎂等活性金屬作為陽極材料，將其焊接或用螺栓固定在需要保護的結(jié)構(gòu)上。這些金屬在海水中更容易被溶解，因此其在海水中的電位遠高于結(jié)構(gòu)的電位而處于陽極地位，從而保護了處于陰極地位的結(jié)構(gòu)[5-6]。為確保保護的有效性，犧牲陽極應(yīng)根據(jù)被保護結(jié)構(gòu)的形狀和所需保護電流大小，在水平和垂直方向上均衡布置。這種方法雖然設(shè)計簡單、維護成本低、過保護風險小，但是會給平臺帶來額外重量、環(huán)境污染等問題[6]。

（2）外加電流保護法。通過將直流電源正極與輔助陽極、負極與被需要保護的結(jié)構(gòu)直接相連接，從而形成電流回路。通過輔助陽極為該系統(tǒng)提供的陽極電場，使被保護的陰極金屬能夠保持其電位處于保護電位之間，從而達到保護平臺的目的。外加電流陰極保護系統(tǒng)具有重量輕、壽命長、環(huán)境友好、工作狀態(tài)可適應(yīng)性調(diào)控等多方面優(yōu)點，如今越來越得到關(guān)注和重視。

對于海洋平臺的陰極保護，既可以選用犧牲陽極保護法，也可以選用外加電流保護法。如今在工程實踐中，多聯(lián)合采用兩種方法，即前2～3 年采用牲陽極保護系統(tǒng)，隨后更換為為外加電流保護系統(tǒng)的方法。這種保護系統(tǒng)通過發(fā)揮兩種保護方法的優(yōu)點，以實現(xiàn)海上平臺陰極保護效率的最大化。

3 張緊式外加電流陰極保護

渤海某區(qū)域項目新建海上電力動力平臺采用“犧牲陽極（2 年）+張緊式外加電流”陰極保護。計劃在海上電力動力平臺導管架上各安裝1 套張緊式外加電流陰極保護系統(tǒng)（張緊式ICCP），且ICCP 系統(tǒng)內(nèi)集成相應(yīng)的陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)（CPMS）。

張緊式（拉伸式）和遠地式外加電流系統(tǒng)是兩種主要形式，國內(nèi)應(yīng)用后者短短數(shù)年后嚴重失效，而前者經(jīng)受了超強臺風的正面沖擊，可靠性得到驗證。新建平臺采用外加電流陰極保護在保護環(huán)境、降低平臺重量和平臺波浪載荷、延長服役年限和投資等方面有明顯優(yōu)勢，而張緊式外加電流陰極保護技術(shù)相比遠地式外加電流陰極保護技術(shù)有不占用平臺周圍用海資源、可在陸上安裝、可精細化調(diào)節(jié)各區(qū)域的保護效果等優(yōu)勢。張緊式外加電流陰極保護技術(shù)是海上新建平臺外加電流陰極保護和在役平臺陰極保護延壽的首選[8]。

3.1 可靠性

張緊式ICCP 系統(tǒng)一般張拉于導管架內(nèi)部，可以有效防止?jié)O網(wǎng)拖拽、碰撞。上部控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計、可以實現(xiàn)分布式獨立控制每個輔助陽極的效果，可互為冗余，且具備軟硬件閾值雙重監(jiān)控與報警，通過布置在導管架平臺容易出現(xiàn)欠保護與過保護位置的參比電極，可實現(xiàn)實時監(jiān)控平臺的保護電位，有效防止導管架出現(xiàn)過保護或者欠保護的情況，保證平臺全壽命期的有效保護。當導管架電位、輔助陽極電流出現(xiàn)異常時系統(tǒng)會自動報警，進一步保證系統(tǒng)的可靠性。

3.2 智能化

基于DSP 全數(shù)字化高頻開關(guān)的先進控制策略，監(jiān)控軟件人機交互友好，支持局域網(wǎng)內(nèi)集群組雙功能，遠程監(jiān)控具備實時監(jiān)控、實時故障、操作日志、參數(shù)配置、大容量數(shù)據(jù)庫等一系列智能化功能，實現(xiàn)專家分析及運維報表導出；具備故障指示燈，能夠?qū)^流、過壓等常規(guī)故障進行報警，顯示屏給出故障信息；可根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動生成監(jiān)測報告，對導管架陰極保護狀態(tài)給出專業(yè)評估，降低對運維人員的專業(yè)性要求；兼?zhèn)鋵Ч芗苋S模型展示、折線趨勢圖展示等多種展示視圖；在導管架模型中標記出輔助陽極與參比電極的位置，在標記處展示其對應(yīng)的實時數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)異常處進行區(qū)分顏色閃爍提示狀態(tài)；折線趨勢圖篩選時間不限。

3.3 可控性

針對不同區(qū)域、不同時期的電流需求，可精細化調(diào)節(jié)每個輔助陽極的輸出電流，優(yōu)化各區(qū)域的保護效果，實現(xiàn)被保護體全壽命期整體陰極保護的精細化控制，保證導管架各水深處的結(jié)構(gòu)保護電位分布均勻。控制與監(jiān)測系統(tǒng)用戶操作方面，具備采集、存儲、查詢、打印和分析處理多種功能，且具備多種選擇與篩選、過濾條件。

3.4 簡便性

復合纜-電極系統(tǒng)由承載纜、電源芯線、輔助陽極高度集成為一體。不僅具有機械承載能力，還具有輔助陽極電流的傳輸能力?？芍苯訉⒓奢o助陽極的復合纜張拉緊固于導管架內(nèi)部，避免冗繁的安裝操作，可在導管架陸地建造階段完成張緊式ICCP 系統(tǒng)的安裝，無需水下作業(yè)，安裝成本低、難度低、風險低。

3.5 可維護性

供電和控制單元采用標準化的抽屜式設(shè)計及推拉式安裝/拆卸技術(shù)。每臺模塊單獨給一個輔助陽極供電，各模塊互不影響，可獨立工作、維護，實現(xiàn)故障模塊的在線更換/板級維護，降低ICCP 系統(tǒng)的維護成本和難度。復合纜與輔助陽極高度集成，復合纜和輔助陽極一旦意外損壞，更換維修簡便，無需水下焊接工作、成本低。

3.6 冗余性

系統(tǒng)至少安裝2 根復合纜，每根復合纜配多組輔助陽極，保證平臺全壽命期的穩(wěn)定作業(yè)。用于監(jiān)測導管架平臺電位的參比電極采用高純鋅和銀/鹵化銀復合的雙參比電極冗余設(shè)計，確保監(jiān)測電位的準確性和耐久性。

3.7 經(jīng)濟性

采用張緊式外加電流陰極保護系統(tǒng)，具有成本低、安裝工作量小等優(yōu)點，且系統(tǒng)集成了陰極保護監(jiān)測功能。針對新建導管架，可在導管架制造場地完成安裝，進一步降低安裝費用和風險。

3.8 環(huán)保性

金屬鋁、鋅作為常用的防腐材料，大量的金屬鋅溶解到海水中，會對海洋環(huán)境造成影響，是導致渤海海水金屬含量超標的重要原因。外加電流陰極保護系統(tǒng)服役過程中，無金屬溶解，對海洋環(huán)境無污染。

4 結(jié)束語

本文基于海上平臺的腐蝕機理和特點，對不同陰極保護方法進行了分析與對比以，并以渤海區(qū)域某岸電工程項目新建海上電力動力平臺為例，介紹一種張緊式外加電流陰極保護的防腐方案及其優(yōu)點，為海洋石油岸電平臺的防腐提供技術(shù)參考。