海上浮式儲油裝置生產水艙陽極腐蝕速率分析

金向東

(中海油能源發展湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 524057)

?

海上浮式儲油裝置生產水艙陽極腐蝕速率分析

金向東

(中海油能源發展湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 524057)

按照《犧牲陽極電化學性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)分析不同溫度、不同pH下不同犧牲陽極在海上浮式儲油裝置生產水艙中生產水的電流效率，結果表明不同犧牲陽極的電流效率不同，降低生產水溫度和調整pH值可以提高犧牲陽極的電流效率，從而達到延長犧牲陽極使用壽命的目的。

腐蝕速率；生產水溫；pH值；陽極材料

海上浮式儲油裝置生產水艙和污油水艙犧牲陽極消耗太快，需要頻繁更換犧牲陽極才能有效地保護船體結構[1-3]。按照海上浮式儲油裝置ODP設計要求，該犧牲陽極的使用壽命為13年，實際生產運行不到3年，生產水艙和污油艙艙底陽極消耗殆盡。2011年在油田不停產狀態下完成陽極更換，由于油田后期含水量上升和新平臺的介入，難以實現在線更換，如果再次更換犧牲陽極，油田就要壓產甚至停產。為了延長犧牲陽極的使用壽命，需要從生產水艙涂層、生產水的腐蝕性和犧牲陽極3方面著手。首先應選擇性能優異的涂層，完好的涂層只需要很小的保護電流，從而有利于延長陽極壽命[4-6]；其次，應設法降低生產水對船體結構鋼材的腐蝕速率，此時也只需犧牲陽極提供較低的保護電流就可以達到保護鋼材的目的；最后是提高犧牲陽極的電流效率，讓犧牲陽極盡可能多地生成保護電流而不被溶液消耗掉[7-12]。涂層的性能和施工質量在生產水艙制造時就已固定，在使用過程中難以對其進行控制。電流效率是衡量犧牲陽極消耗的關鍵指標，因此考慮通過實驗研究不同材料犧牲陽極、生產水溫度和pH值對犧牲陽極電流效率的影響，并對海上浮式儲油裝置生產水艙腐蝕問題提出解決方案。

1 實驗

1.1 實驗原料

從市場上篩選5種電流效率較高的犧牲陽極A1、A2、B1、B2和C，其主要成分用電子能譜儀測定，每個犧牲陽極測定11個點，取平均值，見表1。

表1 5種犧牲陽極主要成分

對海上浮式儲油裝置生產水艙取樣，其離子組成按《油氣田水分析方法》(SY/T 5523—2000)[13]進行分析，成分見表2。

表2 油田生產水離子組成說明 mg/L

主要化學試劑有氫氧化鈉固體、五水硫酸銅、無水乙醇、二甲苯、98%濃硫酸、37.5%濃鹽酸及65%濃硝酸，均為廣州化學試劑廠生產的分析純試劑。松香石蠟為工業品，自市場購買。

1.2 實驗儀器

上海一恒科學儀器有限公司生產的DHG-9240A鼓風干燥箱；美國FEI公司制造Quanta 650掃描電子顯微鏡(SEM)；永勝公司生產0～200 mA和0～50 mA直流電流表；美國Gamry Instruments 公司Reference600。

1.3 實驗裝置

1.3.1 陽極、陰極和銅電量計

犧牲陽極按《犧牲陽極電化學性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)要求加工，隨后進行清洗，恒重，最后采用松香石蠟密封犧牲陽極兩端。

陰極按《犧牲陽極電化學性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)要求制作，其材質為不銹鋼，外形尺寸見圖1。

圖1 陰極結構示意

銅電量計按《犧牲陽極電化學性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)之附錄A要求制作。

1.4 實驗方法

參照《犧牲陽極電化學性能試驗方法》(GBT 17848—1999)測定96 h不同犧牲犧牲陽極在不同溫度和不同pH值的生產水中的電流效率。其中陽極位于陰極的中間部位、離液面和底部高度15～20 cm。

2 結果與討論

2.1 不同犧牲陽極對電流效率的影響

犧牲陽極的電流效率是其實際供電量與理論供電量的百分比。電流效率越高，實際用于保護的電流分量就越大，被溶液消耗的犧牲陽極的分量就越少。不同犧牲陽極的組成有所不同，其電流效率也會隨之產生差異。鋁合金犧牲陽極的單位重量陽極材料發電量大[10,12]，約為鋅陽極的3倍，鎂陽極的2倍[14-19]，而且含氯離子的溶液中，發出電流的自調節能力強。因此3次平行測定5種鋁合金犧牲陽極在海上浮式儲油裝置原始條件(48 ℃、pH 6.9)生產水中的電流效率，平均結果見表3。

表3 不同犧牲陽極的電流效率

通常犧牲陽極中Fe是有害的，因此是犧牲陽極中的限制元素。而鎂的電極電位遠低于金屬鋁。但從表3可知，含鐵的犧牲陽極A1和含鎂的犧牲陽極B2的電流效率較高，該結果出乎意料。這可能是由于生產水與通常用于評價犧牲陽極的海水存在較大的差異所致。犧牲陽極C的電流效率最低，僅為57%，這說明如果選用犧牲陽極C對在海上浮式儲油裝置生產水艙進行保護，有相當一部分沒有用于保護，而是被溶液給消耗了。因此，對于海上浮式儲油裝置生產水艙，應選用犧牲陽極A1或犧牲陽極B2，而不應選用犧牲陽極C。

2.2 水溫對犧牲陽極電流效率的影響

海上浮式儲油裝置生產水系統水溫會對犧牲陽極消耗速度產生影響[20]，因此需要測定不同溫度下犧牲陽極的電流效率。將海上浮式儲油裝置生產水分別控制在48、42、33、28和23 ℃，按《犧牲陽極電化學性能試驗方法》(GBT 17848—1999)平行3次測定犧牲陽極C的電流效率，平均結果見圖2。

圖2 溫度對犧牲陽極電流效率的影響

由圖3可知，即使是電流效率最低的犧牲陽極C，其電流效率隨溫度的下降會迅速增加。在油田產出水溫度48 ℃時，電流效率僅為57%，當溫度降至23 ℃時，電流效率提高到83%。

降低污水溫度不僅可以提高犧牲陽極的電流效率，減少犧牲陽極不必要的消耗。同時，降低溫度可以減緩污水對船舶結構鋼材的腐蝕速率[21]，此時較低的保護電流就能達到對船舶結構鋼材的保護作用，這對延長犧牲陽極的使用壽命極為有利。

2.3 pH值對犧牲陽極的電流效率的影響

用1% HCl和NaOH溶液分別將生產水的pH值調整至9.0、8.5、8.0、6.9、6.0，測定48 ℃犧牲陽極C在不同pH值的海上浮式儲油裝置生產水中的電流效率，結果見圖3。

圖3 犧牲陽極的電流效率隨pH值的變化

從圖3可知，在pH值6～9的范圍內，電流效率在pH值為6.9時最低，僅為57%。降低或增加pH值，其電流效率都會增加。在pH值為6時，電流效率達到了73%；在pH值為8.5時，電流效率也達到了74%。

雖然降低污水pH值可以提高犧牲陽極的電流效率，這有利于延長犧牲陽極的使用壽命，但降低污水pH值會增加船舶結構鋼材H+的去極化腐蝕速率。此時，為了防止鋼材的腐蝕，需要使用更大的保護電流才能避免鋼材被腐蝕，這樣會縮短犧牲陽極的使用壽命。而增加污水pH值既可以降低鋼材的腐蝕速率。此時只需犧牲陽極提供較小的保護電流就可以達到保護效果，又可以提高犧牲陽極的電流效率。這對延長犧牲陽極的使用壽命特別有利。但增加溶液pH值會導致整個水系統結垢，需要對整個污水流程通盤考慮，采取必要措施，以避免在水系統中結垢。

3 結論

1)降低生產水溫度可以顯著提高犧牲陽極的電流效率。采用換熱器至少可以將生產水溫降至30 ℃，電流效率約為75%，較48 ℃的57%增加了18%。為達此目的，只需在生產水進生產水艙總管增加一臺換熱器即可降低陽極的腐蝕速率，工程難度較小。

2)海上浮式儲油裝置所用犧牲陽極(C樣)的電流效率最低，在生產水原始條件(48 ℃、pH值為6.9)下僅為57%，而其他廠家2個犧牲陽極樣品(B樣)的電流效率相差不大，約為70%，其大批量的銷售價格為35元/kg，與目前所用犧牲陽極價格相當，顯然，采用B樣犧牲陽極更為經濟。

3)調整生產水的pH值可以有效改變犧牲陽極的電流效率。但增加溶液pH值會導致生產水結垢，需要對整個流程整改以避免生產水在流程中結垢。由于生產水要經過處理達標排海，pH值增加對處理設施造成的影響難以估量，所以不建議采用此方法。

4)犧牲陽極更換前需要對生產水艙洗艙，可以降低洗艙的頻率；避免犧牲陽極更換過程中存在潛在風險，如人員滑倒摔傷、密保空間作業人員窒息、燃氣探頭報警引起生產關停、腳手架材料和工具等墜落碰撞艙壁產生火花引起爆炸、高空作業等。

5)2個生產水艙和2個污油艙共367塊犧牲陽極，從現場陽極消耗情況來看，陽極消耗最快的是艙底陽極，其次是艙底2 m處的陽極，11.7 m處平臺上陽極也存在消耗，但消耗量低，其他陽極基本無消耗情況。如果每次只更換底層及2 m處陽極150塊左右，陽極材料費15萬元，施工費約為100萬元，洗艙費用10萬元，共125萬元。

6)試驗需要大量的生產水做實驗，測得的數據相對較少，若能做小模型設備到現場多次重復實驗，應該可以獲得更可靠的結果。

[1] 谷旭東.船體的腐蝕與保養[J].中國修船，2003,5(2):40-41.

[2] 張廣智，裘達夫，左昭武.船體腐蝕規律與防腐蝕對策[J].中國修船，2003(2):34-35.

[3] 陸勇.船體腐蝕與維護保養問題的探究[J].中國水運，2011,11(7)：87-88.

[4] ThandarKaing, JIN Yongxing. Analysis on time variant reliability of primary ship bull subjected to corrosion[J].中國海洋大學學報，2007,28(1)：160-165.

[5] 鄭金東.淺議船體腐蝕與維護保養措施[J].中國水運，2013,13(1):1-2.

[6] 盧尚工.化學鍍船體防腐技術[J].艦船科學技術，2015,27(3):234-237.

[7] 楊朝暉，劉斌，李向陽，等.犧牲陽極在艦船陰極保護中的應用和進展[J].中國材料進展，2014,33(9/10):618-622.

[8] 龍晉明，郭忠誠，樊愛民，等.犧牲陽極材料及其在金屬防腐工程中的應用[J].云南冶金，202,31(3):142-148.

[9] 李可.金屬管道的電化學腐蝕與防護[J].油氣田地面工程，2013,32(5):118.

[10] 徐宏妍，李延斌.鋁基犧牲陽極在海水中的活化行為[J].中國腐蝕與防護學報，2008,28(3):187-192.

[11] 陳秀玲，關建慶，尹依娜，等.油田油水井高溫犧牲陽極保護技術[J].腐蝕與防護，2005,26(12):524-526.

[12] 李威力，閆永貴，陳光，等.合金元素對鋁基犧牲陽極性能的影響[J].中國腐蝕與防護學報，2012,32(2):127-132.

[13] 中華人民共和國石油天然氣行業標準.油氣田水分析方法：SY/T 5523—2000[S].北京：國家石油和化學工業局，2000.

[14] 李異.犧牲陽極在海泥中電化學性能的影響因素[J].腐蝕與防護,2001,22(12):527-529.

[15] 李異，鄧和平.鋁合金犧牲陽極在南海海泥中的性能研究[J].腐蝕科學與防護技術，1991,3(1)：22-26.

[16] 蘇景新，張昭，曹發和，等.鋁合金的晶間腐蝕與剝蝕[J].中國腐蝕與防護學報，2005,25(3):187-192.

[17] 張琦，李荻，丁學誼，等.LC4鋁合金晶間腐蝕電化學機理[J].材料保護，1996,29(1)：6-8.

[18] 張勻，劉玉林，趙洪恩，等.8090Al-Li合金晶間腐蝕與剝落腐蝕性能研究[J].金屬學報，1991,2(4)：B271-B277.

[19] ZHANG Bo, LI Xiang-yang, LI Chao, et al. Accumulation and application of environmental corrosion data about warship materials[J]. Corrosion & protection, 2015,36(4):347.

[20] 王芷芳，楊驍.犧牲陽極在高溫下電化學性能的測定[J].化工腐蝕與防護,1994,2(1):21-23.

[21] 韓德剛，高執棣，高盤良.物理化學[M].北京，高等教育出版社，2001.

Study on the Corrosion Rate of the Water Tank in the Offshore Floating Oil Storage Device

JIN Xiang-dong

(OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

According to the Electrochemical Performance Test Method of the Anode (GB/T 17848-1999), the current efficiency of the production water in the water tank of the offshore oil storage tanks with different temperatures and different pH at different sacrificial anodes was studied. The results show that the current efficiency of different sacrificial anodes is different, reducing the production water temperature can effectively improve the current efficiency of the sacrificial anode, so as to achieve the purpose of extending the service life of the anode.

corrosion rate; water temperature; pH value; anode material

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.033

2016-01-05

金向東(1973—)，男，學士，高級工程師

U674.38;U672.7

A

1671-7953(2016)05-0131-04

修回日期：2016-02-17

研究方向:海上油氣田開發工程項目管理

E-mail:jinxd@cnooc.com.cn