海洋平台飞溅区腐蚀与防腐修复技术
肖治国 张敬安 郑 辉 李成钢
全面腐蚀控制
摘 要：海洋平台的不同区域具有不同的腐蚀环境和腐蚀特点。海洋飞溅区是海洋腐蚀环境最苛刻的区域。针对飞溅区防腐保护的要求, 介绍了几种导管架飞溅区新型防腐修复技术, 为海洋平台导管架的腐蚀与修复提供参考。
关键词：海洋平台 飞溅区 腐蚀 修复
0 引 言
我国从20世纪60年代开始在渤海海域勘探和开采海上石油，日前己建成海洋平台100余座。海洋平台结构复杂、造价昂贵，所处海洋环境十分恶劣。其钢结构不仅受到海上大气和海水的腐蚀, 还遭受海水飞溅、潮汐、海泥的作用，而产生剧烈的电化学腐蚀，尤其海水飞溅区的腐蚀及保护成为十分突出的问题。为保证海洋工程结构的使用安全和经济性，必须对各种腐蚀情况采取有效措施加以防护[1]。
1 海洋平台的腐蚀规律
影响海洋腐蚀的有化学因素、物理因素和生物因素等三类，而且其影响常常是相互关联的，不但对不同的金属影响不一样，就是在同一海域对同一金属的影响也因金属在海水环境中的部位不同而异，海洋腐蚀规律的研究主要是从环境角度来考察海洋环境对材料的腐蚀能力问题[2]。
为了更好的分析海洋油田平台钢结构的腐蚀情况，许多研究人员将海洋平台腐蚀区域划分为海洋大气区，浪花飞溅区，潮差区，全浸区和海泥区五个区域，分别对这五个区域海洋环境的腐蚀规律和特点进行了研究[3-9]。图1为海洋油田固定式生产平台腐蚀区域划分与海洋环境腐蚀倾向示意图。
1.1 海洋大气区
海洋大气环境与内陆有着明显的不同，在海洋大气区影响腐蚀的重要因素是存在金属表面上的含盐粒子量。同时海洋大气的湿度大，它们积存在钢铁表面形成导电良好的电介质，他们是电化学腐蚀的有利条件，使得海洋平台钢结构的腐蚀速度加快。
1.2 浪花飞溅区
飞溅区位于海水高潮位的上方，是海洋环境中钢结构遭受到腐蚀最严重的区域。飞溅区的钢结构表面常被含有饱和空气的海水所湿润，含盐粒子量及海水干湿交替程度均比海洋大气区大。另外，在风浪作用下海水的冲击作用也会加剧飞溅区钢结构防腐保护层的破坏。因此, 钢结构在海水飞溅区的腐蚀都有一个腐蚀峰值，防腐涂料层在这个区带比其它区带更易脱落。
1.3 潮差区
海水从高潮位到低潮位之间的区域称为潮差区，潮汐、海流运动造成钢结构表面干湿交替，钢结构表面经常和饱和了空气的海水相接触，从而加剧腐蚀。另外, 在冬季有流冰的海域，潮差区的钢结构还会受到冰块的磨蚀。潮差区有海生物附着，它可对钢铁结构提供一定程度的局部保护。
1.4 海水全浸区
海水全浸区的钢结构，其腐蚀受溶解氧、流速、盐度、温度、污染和海生物等因素的影响。钢结构在海水中的腐蚀反应受到氧的还原反应所控制，所以溶解氧对钢铁腐蚀起着主导作用。海面下20m之内为表层海水，表层海水中溶解氧近于饱和， 它是全浸条件下腐蚀较重的区域。随着水深的增加, 海水中氧含量有所减少，水温随水深而下降，腐蚀性变弱。深海中, 由于温度低，压力大，pH较低，海水中CaCO3低于饱和度，因此，对深海结构物进行阴极保护时不易形成保护性水垢，牺牲阳极消耗比表层要大。
1.5 海泥区
海泥的情况与大陆上土壤的情况相似，比较复杂。由于氧气供应不足，钢在海泥区的腐蚀速度通常比在海水中慢[10]。但是，在海底沉积物层里往往都含有细菌等微生物，硫酸盐还原菌所产生的硫化物使钢结构加速腐蚀。
将海洋油田平台钢结构不同区域的环境和腐蚀特点绘汇总在一个图表内，如图2所示[11]。海洋油田平台的结构特点之一是广泛采用大型圆管构件焊接而成，圆管相交形成结点。这些结点是平台上的高应力区，除有应力集中外，很可能还同时存在焊接残余应力、焊接缺陷等促进断裂等因素, 加之焊接节点形状复杂，不易得到保护，更容易产生腐蚀和焊接热影响区腐蚀[12]。
2 海洋油田平台的腐蚀防护技术
海洋油田平台钢结构防腐技术很多，随着环境条件不同，采用的防腐蚀措施也不同，主要有以下几种[13]：
（1）电化学保护技术，主要是外加电流法阴极保护技术和牺牲阳极法阴极保护技术；
（2）非金属防护涂层技术，主要有防腐蚀涂料、防锈油脂、防污损涂料等；
（3）金属涂镀层保护技术，如热喷涂、热浸镀、化学镀、金属衬里或包覆等；
（4）其他方法：例如缓蚀剂防腐技术、电解防污技术和钢筋混凝土构筑物防腐技术等。
基于《海上固定式钢质石油生产平台的腐蚀控制》标准，将平台的腐蚀区域分为三个区域：大气区、飞溅区和全浸区[14]。海洋平台的大气区、飞溅区一般都会采用涂层进行防护, 全浸区当水深较浅时, 也会采用涂层联合阴极保护进行防腐蚀, 一般只有水较深时，全浸区才会单独采用阴极保护。
2.1 海洋平台飞溅区防腐修复技术
国内外长期的海洋腐蚀研究结果表明，钢结构设施在海洋环境不同区域其腐蚀速度有明显的差别，其中浪花飞溅区是钢结构设施腐蚀最为严重的区域[15]。国内外对海洋平台浪溅区的防腐历来十分重视，从未停止过对其防护对策的研究。除了不断改善钢结构，加入Cr、Mo、Mn等合金元素提高合金钢的抗腐蚀能力外, 还采取了一系列的防腐措施，较多的采用隔离层的防腐蚀方式，主要有施加涂料保护，覆层防护等[16]。表1给出了海水飞溅区代表性的防腐对策。
由韩国爱涂防水防腐株式会社自行研发的新型ATO超陶涂料，其材料成分本身不会分解，物理特性不变，化学性能稳定，已成为传统环氧防腐蚀涂料的替代产品。与其他防腐蚀材料相比，这种新型的防腐蚀涂料具有以下特性：
双组分，依靠基本剂与固化剂混合后自身发热而逐渐固化，很快膜层分子紧密结合形成半永久性防护层, 设计理论寿命30~50年；成膜物质主要是无机系硅酸酯及少量的共聚树脂，黏接力强，涂层对多种基材，如金属、混凝土等都能附着牢固(附着力1600~2220N/cm2)，成膜后表面光亮如瓷釉(硬度112HRR)，可选择多种颜色；添加了钨(W)、钼(Mo)等超微细金属粉末(纯度99.99%, 细度325目)，不仅加强了涂膜的强度且不会产生烧结，最大限度地发挥了其流动性和黏结性，可耐高温、耐老化，具有强耐蚀、耐化学药品、涂层厚度薄、水中可固化、施工简便易行等特性。
ATO超陶防腐补强修复系统由防腐修补剂、防腐层、防腐强化层组成。参见图3。
（1）超陶防腐修补剂：主要成分是由陶瓷粉末(硅酸酯)、聚合物及钨、钼等超微细金属粉末构成的超陶共聚分子合金。适用于焊缝及破损部位的修补强化。
（2） 防腐层：与上述修补剂同系的超陶防腐涂料, 双组份混合后, 涂层结构致密, 能够在被涂体表面形成封闭膜, 有效隔绝环境中的水分、游离酸、盐分等老化腐蚀因素。同时耐湿性、耐冲击性优秀。
（3）防腐强化层加固带：上述超陶防腐涂料调整粘度后, 可浸泡加固带, 通过缠绕法，可强化管道补口、焊缝或破损等区域。
超陶防腐修复施工工艺如图4所示。超陶防腐修复系统已经在海洋平台飞溅区防腐修复中得到应用。图5为ATO超陶涂料在海洋平台飞溅区防腐修复前后对比图。
荷兰STOPAQ公司研制出一种可以用于海洋飞溅区钢结构防腐的修复体系, 如图6所示。他可以保护钢结构免受海水、细菌和氧气的侵蚀作用。这种修复方法能够被潜水员或者ROV在水下方便操作。不受作业天气条件的影响。同时只需两名潜水员下水操作,缠绕方便, 作业效率高。作业时对钢结构表面清理要求不高, 采用200～300bar的高压水进行表面清理达到St2～3级别, 不需要采取水下喷砂作业。作业可以随时终止和继续, 并不需要对整个作业区域重新清理。
其是一种长效的防腐体系，防腐保护可达30年。国内有研究者开发研制了一种特殊的便于水中施工的环氧防腐涂料SUPER-U。该涂料用于石油平台等恶劣环境下设备的防腐涂层, 简化了施工工艺,降低了成本, 延长了设备的使用寿命。SUPER-U涂料由树脂组分漆料和固化剂构成, 具有水上施工、潮湿施工和水下施工等品种[17]。
葡萄牙一家专业海洋防腐涂料生产商-Euronavy研发出一种海洋飞溅区重防腐涂料ES323。
ES323涂料可以迅速析出钢结构表面的水分, 使涂料迅速与钢结构表面产生化学反应, 在水下固化形成坚硬的抗海水侵蚀的防腐涂层, 可在恶劣的环境下如低温水下, 对金属、混凝土等结构或设备进行防腐与防护。
ES323含固量为100%、高性能、符合环保要求,可以水下涂覆, 在表面处理较差的表面具有优异的附着力(>5MPa)。其具有优异的抗海水和抗化学腐蚀性能, 抗冲刷性能优异, 易于用传统工具在水下涂覆, 与阴极保护有相容性, 与处理较差的表面有优异的附着力, 可在任何水温中涂覆, 适用期达3小时。其广泛用于海洋结构物飞溅区和全浸区的腐蚀防护。其飞溅区防腐工艺见表2所示。
专利CN1477232提出一种海洋中浪花飞溅区钢铁设施腐蚀防护方法[18]。它在浪花飞溅区的钢结构表面引入一层电解质膜, 形成导电通路, 使牺牲阳极为钢结构表面提供阴极保护电流, 以保护钢结构。具体方式为：在内层先将毛细吸水层缠绕于被保护体上, 在钢结构表面引入一层电解质膜, 在中层设牺牲阳极, 为钢结构表面提供阴极保护电流, 然后在外层设纤维增强的塑料外壳, 用螺栓固定在钢结构上, 构成牺牲阳极护套结构。本发明相对简单、使用安装方便, 不但适用于新建海工设施的腐蚀防护, 而且适用于已有设施腐蚀防护的更新和修复, 还能方便地实现保护效果的监测。
针对目前浪花飞溅区腐蚀严重这一现状, 中科院海洋研究所与有关科研单位合作, 联合研究开发了适合海洋石油平台飞溅区的新型包覆防蚀(PTC)技术[19]。PTC技术采用了优良的缓蚀剂成分并采用了能隔绝氧气的密封技术。PTC新型包覆防蚀系统由四层紧密相连的保护层组成，即防蚀膏、防蚀带、聚乙烯泡沫和玻璃钢或者增强玻璃钢防蚀保护罩。图7是PTC技术的结构构成示意图。PTC防腐修复技术作业施工工艺流程见图8所示。
最近有学者引进日本海洋钢结构物浪花飞溅区腐蚀复层修复技术, 其是一个提供更好保护的矿脂缠带和硬的玻璃钢(FRP)或增强玻璃钢(FRPP)或玻璃钢衬里的多重保护系统[20]。其具有更好的抗腐蚀性、持久的抗疲劳强度和冲击强度, 可以给暴露在潮差区和浪花飞溅区的钢结构物提供更长时间的腐蚀保护。海上油气田钢结构的腐蚀防护措施和方法多种多样, 具体选择那种技术, 必须通过防腐工程师以及防腐专家有针对性的进行评价和分析。要考虑钢结构物所处的海洋环境条件, 选择长效防腐体系；必须满足相应的标准和规范要求；对钢结构表面处理标准的要求；与阴极保护系统的相容性；实施防腐时要求的温度、湿度以及风速等条件；要便于操作, 可维护性好；防腐成本以及与要求达到的防腐周期之间的平衡等因素。
3 结束语
随着海洋平台结构物服役时间的延长, 钢结构的腐蚀问题已经成为一个突出的问题。海洋平台钢结构的防腐, 要根据不同区域进行设计, 采取相应的防腐蚀措施。浪花飞溅区是海洋平台防腐中的薄弱环节, 需要采用高效防护系统进行防护。今后, 要进一步研发海洋结构物的腐蚀保护及修复技术, 从而降低海洋结构物的腐蚀破坏风险, 延长结构物的使用寿命,确保海洋结构物服役期间的完整性。
参考文献略
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