淺析海水泵揚水管的腐蝕與防護

趙志芳

（中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300457）

渤海海域，海水水深一般不超過30m，一般潛水泵潛入水深13m，水下?lián)P水管11m左右，揚水管水面以上13m左右。海水內(nèi)伴隨著溶氧、砂粒等，加上各類海生物的持續(xù)作用，加劇了揚水管的腐蝕，增加海水系統(tǒng)風(fēng)險。目前，針對海水泵及揚水管腐蝕主要是采用陰極保護的方法，犧牲陽極鋅塊，來減緩對泵和揚水管的腐蝕速度。但是，陰極保護計算與現(xiàn)場實際出現(xiàn)偏差時，會發(fā)生過度保護，造成氫脆的現(xiàn)象，進而也會產(chǎn)生裂紋。因此，本文著重開展海水泵揚水管腐蝕原因研究及可采取的相應(yīng)措施。

1 常見海水管道腐蝕

渤海海域海水與淡水相比，前者含鹽度、海砂率較高，具有海生物種類較多，常見腐蝕類型較多，主要如下。

1.1 點蝕

點腐蝕是一種主要由不銹鋼表面沉積腐蝕引起的現(xiàn)象，這是因為缺氧而不能形成氧化鉻保護層。在現(xiàn)有海水泵揚水管中，更多的是采用316L不銹鋼，因為316L不銹鋼中含鎳、鉬等元素，耐點蝕能力較強，耐晶間腐蝕能力得到了大幅度的提升，介質(zhì)中氯離子的含量非常高時316不銹鋼更合適。海水內(nèi)氯離子數(shù)量較多，在海砂的共同作用下，若是持續(xù)性運輸，受到反復(fù)沖刷，海水系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)，不銹鋼管道內(nèi)各個部件會破壞管道鈍化膜，且穿透力較強，會加速點蝕、沿晶、會加劇腐蝕，加深腐蝕坑。

1.2 電化學(xué)腐蝕

以某平臺為例，海水管網(wǎng)內(nèi)的泵體、部分閥門、儀表設(shè)備選擇的是銅鎳合金材料，揚水管管道和扶正器材料為316L不銹鋼，井口裝置選用為20號鋼。由于同一介質(zhì)環(huán)境下，金屬材質(zhì)不同，金屬電位不同，其暴露面積也不相同。在相同的電解質(zhì)環(huán)境中，不同因素的相互組合，會使得電化學(xué)腐蝕程度加劇，甚至是出現(xiàn)惡性循環(huán)腐蝕。碳鋼基體的電位較高，會加速腐蝕速度，增加腐蝕深度。在管道系統(tǒng)內(nèi)，海水會隨著氧氣不斷循環(huán)，并逐步朝著金屬表面擴散，使得管道內(nèi)的去極化作用加劇，導(dǎo)致化學(xué)腐蝕速度與速率增加。

1.3 沖刷腐蝕

渤海海域海水深度有限，海水內(nèi)的含沙量較高。沖刷角度、固體顆粒、海水、流速等綜合因素，會加速內(nèi)管道內(nèi)壁的沖擊，使得受損度加重。在海水的沖蝕下，揚水管表面會出現(xiàn)沖蝕現(xiàn)象，且導(dǎo)致管壁厚度降低，使得管壁表面狀態(tài)發(fā)生改變，造成表面粗糙度增加，加速內(nèi)層剝離。以316L鋼為例，受到海水沖刷，其表面的致密氧化膜破壞速度會加劇，進而使得鋼管的腐蝕面積與深度加劇。

1.4 海生物腐蝕

海水內(nèi)一些小體積海生物，會附著在揚水管表面，尤其是低潮線附近的位置海生物量比較多。隨著時間的推移，海生物數(shù)量也不斷增加，進而導(dǎo)致管壁內(nèi)的堵塞物增加，海生物在其內(nèi)生存，會不斷地釋放腐蝕性代謝物，使得系統(tǒng)腐蝕度加劇，影響管道使用壽命，降低管道的老化度。目前，主要的防海生物措施為次氯酸裝置或電解銅鋁裝置。

2 海水管道材質(zhì)分析

2.1 銅鎳合金管

銅合金管，在海水系統(tǒng)中耐蝕性較高，水力學(xué)流體阻力較小，這類管材擁有較大的管線膨脹系數(shù)。但是，它對焊接要求較高，對管道流速要求比較高，在現(xiàn)場的應(yīng)用過程中受沖刷腐蝕影響非常明顯，使用壽命嚴(yán)重受限，因此，它主要適用于小排量低揚程的場合。

2.2 FRP(Fiber Reinforced Plastics)玻璃鋼管

FRP（又稱GRP）玻璃鋼管道在渤海某FPSO上部模塊的海水系統(tǒng)中得到了十分廣泛的應(yīng)用，自2009年使用以來，以其極低的故障率取得了非常成功的應(yīng)用業(yè)績。它包含結(jié)構(gòu)層、外保護層與防腐層三層。防腐層為內(nèi)襯，為確保耐腐蝕性，多選擇乙烯基樹脂，內(nèi)襯與外保護層選擇間苯樹脂。這樣的材質(zhì)可確保乙烯基樹脂的耐蝕性，可確保間苯樹脂機械強度的良好性。在使用階段，綜合考慮了方案技術(shù)性與經(jīng)濟性。

2.3 碳纖維管線

碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強度高模量纖維，碳纖維耐高溫居所有化纖之首，用腈綸和黏膠纖維做原料，經(jīng)高溫氧化碳化而成，是制造高技術(shù)器材的優(yōu)良材料。碳纖維是由碳元素組成的一種特種纖維，它的密度小，比強度和比模量高。

碳纖維揚水管是由環(huán)氧樹脂、碳纖維絲利用纏繞工藝制成。由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的材料，碳纖維材料具有以下特點：

（1）抗拉強度：碳纖維的抗拉強度約為鋼材的10倍。

（2）彈性模量：碳纖維復(fù)合材料的拉伸彈性模量高于鋼材。

（3）疲勞強度：碳纖維的疲勞強度高于高強綱絲。金屬材料在交變應(yīng)力作用下，疲勞極限僅為靜荷強度的30%～40%。由于纖維與基體復(fù)合可緩和裂紋擴展，以及存在纖維內(nèi)力再分配的可能性，復(fù)合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強度的70%～80%，并在破壞前有顯著的變形作為征兆。

（4）抗酸堿腐蝕、持久性高。

（5）重量：約為鋼材的1/5。碳纖維揚水管在渤海部分固定設(shè)施得到應(yīng)用，應(yīng)用的前期效果比較滿意，但是，由于應(yīng)用時間的限制，還需要進一步的觀察。

3 海水泵揚水管腐蝕防護

海水泵揚水管的良好設(shè)計可確保使用經(jīng)濟性。實際使用過程中，設(shè)計單位、建設(shè)單位關(guān)注的是建造、成本兩者的均衡。在保障設(shè)計施工安全的基礎(chǔ)上，適當(dāng)延長使用壽命，科學(xué)降低建造成本。

在選擇不同材質(zhì)作為揚水管時，需要綜合考慮其優(yōu)缺點，分析其適用性，結(jié)合項目實際特點，科學(xué)選擇。筆者統(tǒng)計對比不同海水管道性能，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比，見表1。工作人員可結(jié)合實際情況，參照材料性能與優(yōu)點、缺點酌情使用、科學(xué)選用。

表1 不同海水管道性能對比

4 對比選擇

對比以上材質(zhì)各個方面優(yōu)劣，綜合考慮平臺設(shè)施的海水泵揚水管總體長度大約在30m左右，對設(shè)施整體的費用構(gòu)成不產(chǎn)生特別大的影響，目前，揚水管設(shè)計多采用316L不銹鋼材質(zhì)，這樣可以很好地平衡其經(jīng)濟性和使用性，保證在費用較低的情況下，滿足其強度及使用年限的最低要求。

但是，作為作業(yè)者，需要考慮的不僅是一年或者兩年內(nèi)的綜合成本，而是要考慮整個平臺設(shè)計生命周期內(nèi)的經(jīng)濟成本、維修維護成本及工作量。以目前316L不銹鋼材質(zhì)揚水管的使用效果來看，在沒有陰極保護的的情況下，在使用3年時間的時候，就會在沖蝕、電化學(xué)腐蝕以及生物腐蝕的綜合作用下，發(fā)生明顯腐蝕的現(xiàn)象，需要準(zhǔn)備更換揚水管。而固定平臺的設(shè)計使用壽命一般在25年或25年以上，這樣在整個平臺的設(shè)計使用壽命周期內(nèi)，揚水管需要多次更換，維修和物料成本比揚水管本身價值要高數(shù)倍，如果再考慮相應(yīng)風(fēng)險及對海水系統(tǒng)可靠性的影響，顯然采用316L不銹鋼材質(zhì)不是最優(yōu)的選擇。

因此，采用316L不銹鋼材質(zhì)的情況下，需要輔助以陽極鋅塊，保護316L揚水管免受電化學(xué)腐蝕的影響。此時，需要充分考慮電化學(xué)腐蝕以及沖刷腐蝕哪個對揚水管的腐蝕更明顯，并且需要經(jīng)過精確的分析計算，避免出現(xiàn)過度保護的情況發(fā)生。如果產(chǎn)生氫脆裂紋，那么突發(fā)性會比腐蝕還高，設(shè)備風(fēng)險會更高。

如果單純是電化學(xué)腐蝕，那么采用銅鎳合金，就可以非常好地解決腐蝕問題。在渤海海域，揚水管的腐蝕是以電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕交替作用的結(jié)果，此時，銅鎳合金雖能有效抵抗電化學(xué)腐蝕的影響，但是不能很好地解決沖刷腐蝕問題。此時，采用雙相鋼材質(zhì)、玻璃鋼管、碳纖維管線可以很好地應(yīng)對電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕，解決揚水管的腐蝕問題。

如果將海水系統(tǒng)整體考慮，需要平衡海水泵、揚水管、井筒護管、扶正器、井口裝置、地面海水管線和閥門之間的管線，確保其不產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，如果單純考慮揚水管的保護，因而造成了海水泵、井筒護管的電化學(xué)腐蝕，那么，就本末倒置了，因為海水泵材質(zhì)整個海水系統(tǒng)的動力核心所在，井筒護管的更換難度比揚水管的更換要高出兩個量級。

5 結(jié)語

通過對比管道材質(zhì)性能，將海水系統(tǒng)作為一個整體考慮，采用玻璃鋼管或者碳纖維管線作為揚水管比采用金屬管線更具備優(yōu)勢和潛力。