海洋石油鉆井機械設備腐蝕因素及防治技術

景寶強(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300459)

0 引言

在海洋石油開采工程大規模推進的背景下，對鉆井機械設備防腐十分重要。受海洋石油特殊開采環境影響，鉆井機械設備時刻遭受海水介質、潮濕空氣的腐蝕，一旦防腐不到位，機械設備承載能力將下降，無法達到設計壽命內的運行安全要求。

1 海洋石油鉆井機械設備防腐意義

1.1 延長機械設備使用壽命

海水侵蝕是影響海洋石油鉆井機械設備使用壽命的主要因素之一。針對海洋石油特殊環境，設置科學、恰當的鉆井機械設備腐蝕防控方案，可以降低海水侵蝕效應，延長海洋石油鉆井機械設備使用壽命并增強其設計壽命期內的安全性能[1]。

1.2 確保海洋石油正常開采

近年來，隨著國家對海洋石油資源深入開發，在基本海洋石油生產系統配置的基礎上，人為加強海洋石油鉆井機械設備腐蝕防范，可以避免鉆井機械設備腐蝕穿孔或泄漏影響海洋石油正常開采，確保開采效益。

2 海洋石油鉆井機械設備腐蝕因素

2.1 生物腐蝕

硫酸鹽還原菌等海洋微生物是海洋石油鉆井機械設備腐蝕的原因之一。在平均低潮線下0.5～1.0 m位置，因海水溫度較高，溶解氧充足，以硫酸鹽還原菌為代表的海洋微生物可以附著于鉆井機械平臺表面快速棲息、繁衍，直接破壞鉆井機械設備防腐涂層、鍍膜，引發局部腐蝕現象。部分硫酸鹽還原菌可以在無氧條件下產生硫化物，不銹鋼材質鉆井機械設備則在缺氧環境下鈍化，以閉塞電池存在，提升腐蝕電位，引發劇烈的腐蝕反應。

2.2 化學腐蝕

化學腐蝕是海洋石油鉆井機械設備腐蝕的主要因素，特指海洋石油鉆井機械設備與硫化物、環烷酸、氯化物發生化學反應而被氧化腐蝕的過程。特別是在高溫高壓環境下，海洋石油鉆井機械設備與氯化物、環烷酸、硫化物的反應過程加快，相應的化學腐蝕影響也更加顯著。其中硫化物包括硫化氫、多硫化物，多硫化物可附著在鉆井機械設備表面，附著物在酸性環境內不穩定，可與海洋中水反應分解為強還原性硫化氫，進一步與鉆井機械設備進行化學反應，導致鉆井機械設備腐蝕問題。環烷酸是石油中有機酸，具有強腐蝕性、高黏度、弱酸性，可以在鉆井期間與鐵、鋅、鉛元素組成的機械設備元件發生反應，導致元件腐蝕；氯化物大量存在于海水、海泥中，可以在海洋石油開采期間與鉆井機械接觸引發嚴重腐蝕。

2.3 物理腐蝕

在海洋石油工程中，流體沖刷長期、大量存在。流體沖刷過程中，潮、流、波、浪均會對鉆井機械設備構件產生低頻次、往復沖擊應力，直接破壞鉆井機械設備表層保護膜。同時，潮差區潮汐、海上船舶行駛、海洋生物游動、海流運動、海風均會造成鉆井機械設備表面干燥與濕潤交替，加劇鉆井機械設備腐蝕[2]。

除力學作用外，電化學腐蝕也大量存在于海洋石油鉆井機械設備中。特別是在海水、海泥交界位置下方，二氧化氮等氣體溶解于鉆井機械設備表面水膜內，形成電解質溶液，鉆井機械設備則作為陽極與作為陰極的雜質形成腐蝕電池，陽極氧化溶解，加劇去極化連續腐蝕。

3 海洋石油鉆井機械設備腐蝕防治技術

3.1 優選機械設備主體材料

海洋環境鹽濃度高、富含氧氣與海洋微生物、宏生物，加之陽光照射、海浪沖擊以及未脫水、脫二氧化碳、硫化氫的油氣介質是典型的二氧化碳、硫化氫、氯離子共存環境，對接觸的材料具有顯著的腐蝕作用，腐蝕形態涉及應力腐蝕、點狀腐蝕、均勻腐蝕、腐蝕疲勞、微生物腐蝕、硫化氫/二氧化碳腐蝕、腐蝕磨損等。因此，選擇適宜的機械設備主體材料，可以從源頭防控海洋石油鉆井機械設備腐蝕問題。在海洋石油鉆井機械設備主體材料選擇時，技術人員應避免選擇易與硫化物、環烷酸、氯化物等成分反應的鐵質材料，而是優選不銹鋼材料。根據不銹鋼金屬元素含量差異，耐腐蝕范圍也具有一定差異，技術人員可以依據耐酸堿腐蝕范圍廣的要求，選擇316ss 材料或其他類似材料[3]。316ss 材料是含鉬不銹鋼，總體性能優于310 不銹鋼、304 不銹鋼，高溫條件下316ss 具有優良的抗氯化物侵蝕性能，硬度小于等于26，適用于海洋石油鉆井閥門部件。對海洋石油鉆井用閥桿材料，可以根據NACE ME0175 的要求，選擇沉淀硬化型不銹鋼——17-4PH。17-4PH 是馬氏體不銹鋼，易于經變動熱處理工藝調整強度級別，并在馬氏體相變中形成較佳的衰減性能、抗水滴性能，最終耐壓強度可達1 100 ～1 300 MPa，對大氣、稀釋酸、鹽環境具有良好抗腐蝕性，但不可用于溫度超出300 ℃的高溫環境。

海洋環境溫度并非恒定，海水溫度可隨季節、緯度、深度的變化而變化，油氣介質溫度也隨著石油開發、地質條件的變化而變化，北極地區海洋石油的油氣介質溫度接近-60 ℃，新開發海洋石油的油氣介質溫度超過100 ℃?；诖?，應選擇高溫環境下耐熱性、抗蠕變性、高溫穩定性較佳以及低溫環境下不易脆斷的材料作為海洋石油鉆井機械材料。比如，對新開發海洋石油鉆井機械設備連接位置，技術人員可以選擇聚四氟乙烯等耐腐蝕材料，達到有效防控鉆井機械設備腐蝕的目的。聚四氟乙烯是一種人工合成高分子材料，具有極低的摩擦系數與耐高溫、抗酸抗堿、抗各種有機溶劑特點。一般聚四氟乙烯熔點為327 ℃，熱變形溫度為55 ℃，熱分解溫度為415 ℃，無負荷最高使用溫度為260 ℃，線膨系數(垂直于壓力方向)為10.3×10-5/(20～60 ℃)，導熱系數為0.256 W/(m·k)，摩擦系數(負荷2 MPa) 為0.11。同時，考慮到海洋石油鉆井設備承受嚴苛服役條件(荷載條件、環境條件)，易造成材料加速破壞，因此，應根據要求嚴格設計海底石油鉆井機械鋼合金組分，落實低含碳量、低碳當量、低含硫量、低含磷量標準，控制屈曲強度與鑄坯中心偏析、斷口分離、層狀撕裂，增強縱向拉伸性能與厚度方向均勻性、形變強化指數。比如，對深海石油鉆井隔水管，可以選擇API5LX80 鋼管，其最大拉伸強度達到825 MPa，最大屈曲強度為705 MPa，延伸率超過21%，可以適應海洋石油鉆井嚴苛服役條件。

3.2 犧牲陽極的陰極保護技術

海洋石油鉆井環境較之近海工程更為復雜，對鉆井機械設備腐蝕防治技術提出了更高的要求。依據GB 4948—85《犧牲陽極的化學成分及電化性能》、GJB156—86《港工設施犧牲陽極陰極保護設計和安裝》的相關要求，技術人員可以將犧牲陽極的陰極保護技術應用到海洋工程石油鉆井機械設備防腐中。海洋石油鉆井機械設備犧牲陽極的陰極保護由犧牲陽極、參比電極、測試電纜、測試裝置幾個部分組成。其中犧牲陽極系統由鋁合金(或鋅合金、鎂合金) 組成，鋁合金電容量較大，價格低廉，安裝費用、消耗量均較小，是海洋石油鉆井機械設備犧牲陽極陰極保護優選材料。在犧牲陽極系統材料確定后，選擇長條狀、斷面呈梯形的陽極，并注入鍍鋅鐵腳。根據被保護機械設備表面大小，技術人員可以合理設置陽極數量，陽極在結構上分布要合理(陽極緊密毗鄰焊接節點)、數量充足，從源頭規避焊接點保護不足、焊縫熱影響區腐蝕問題[4]。

在操作前，技術人員可以了解技術標準與安全須知。進而由專業潛水員水下目視檢查并借助前期設計的測量繩在水下布線，水上人員則結合設計圖紙，進行陽極精準標定。在標定犧牲陽極系統后，技術人員可以依據ST2.5 潔凈度級別要求，清除海洋石油鉆井機械設備表面油脂、鐵銹氧化皮、污物、生長水生物。確定海洋石油鉆井機械設備潔凈度級別符合規范后，水上技術人員可以借助船上起重索具，沿著船上導向裝置將已編號犧牲陽極放置在預先設定位置，水下焊接陽極。焊接完畢后，測量保護電位，不需額外增加直流電源，僅利用犧牲陽極材料電位長時間保持負電位的電化學性能。比如，石油鉆井抽油桿、抽油管是海洋石油開采階段重要機械設備，受原油采出水、硫酸鹽還原菌、高溫高壓、硫化氫等多種腐蝕因素影響，腐蝕風險較大，一旦處置不合理，將導致抽油管斷裂、泄漏問題，直接導致海洋石油停產。因此，技術人員可以將鋅鋁合金犧牲陽極塊捆扎在抽油桿扶正短節位置，配套設置尼龍扶正器，解決抽油桿磨損問題。

3.3 表層涂裝

在海洋石油工程中，常規機械設備海水腐蝕防范需要滿足15 年使用壽命要求(設計使用壽命為17 年)，飛濺區域內防腐由機械設備首次維護時間確定，需要技術人員及時修補因外力破壞的區域，修補時間小于12 個月；水下區域內防腐需要嚴格控制機械設備使用期間紫外線、海水、高溫腐蝕情況，且具備防外力破損(外力撞擊等)措施。常見的海洋石油鉆井機械設備防腐涂裝方法為熱浸鍍鋅、液體涂層、熱噴涂鋁、蒙乃爾耐蝕合金、氯丁橡膠涂層等，技術人員可以根據海洋石油鉆井機械設備防腐需要，合理選擇。

3.3.1 熱浸鍍鋅

對海洋石油工程中復雜的鉆井機械設備(大氣環境下使用)，技術人員可以選擇熱浸鍍鋅方法，經過脫脂、水洗、除銹、助鍍、烘干、熱浸鋅、水冷等工藝，完成鍍鋅操作。

3.3.2 液體涂層

液體涂層是多道涂刷經實驗室多次試驗驗證的防腐涂料[5]。具體操作時，為防控外部破壞力，技術人員應選擇厚膜涂料處理海洋石油工程水下鉆井機械設備。首先，技術人員可以清理水下鉆井機械設備表面。確定表面潔凈度達標后，技術人員可以根據國家海水防腐相關標準要求，選擇具有電化學保護(或屏蔽、緩蝕保護)作用的底漆，均勻涂覆2 遍及以上。

其次，技術人員可以根據海底環境惡劣特點，聚焦防碰撞與防腐要求，優選耐堿腐蝕、耐海水腐蝕、耐磨損與耐油性能佳的環氧樹脂漆作為中間涂層，優選附著力佳、耐化學腐蝕性能佳且漆膜韌性良好的聚氨基甲酸酯漆做二維面漆，增加關鍵部位中間涂層、面漆涂覆遍數。同時，在面漆選擇時，技術人員應優選易辨識的鮮艷顏色，如黃色，且面漆溶解性較差。

最后，在面漆涂覆完畢后，技術人員可以根據國家標準，進行表面處理，確保重點區域涂層表面通過可溶性鹽檢驗、粗糙度驗證。

3.3.3 熱噴涂鋁

對海洋石油工程中高溫鉆井機械設備，技術人員可以選擇熱噴涂鋁防腐方法，封閉處理，涂覆特殊顏色，有效防腐。一般熱噴涂熱源為電弧，溫度在5 000 ℃左右，產生熱量致使金屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向鉆井機械設備表面，形成涂層。在海洋環境中，噴涂材料不宜選擇鋅覆蓋層，可以選擇99%鋁，也可以選擇Zn-Al15、Al-Mg5 等鋁合金，獲得更加卓越的防護性能，延長鉆井機械設備使用年限[6]。

3.3.4 蒙乃爾耐蝕合金

對于海洋石油工程飛濺區鉆井機械設備，技術人員可以在1 mm 玻璃鱗片應用的基礎上，選擇強抗海水腐蝕、抗海生物附著性能的蒙乃爾合金，涂覆3 mm左右，達到飛濺區機械設備防腐目的。

3.3.5 氯丁橡膠涂層

對海洋石油工程立管飛濺區鉆井機械設備，技術人員可以在400 μm 的 FBE 涂層防腐涂裝的基礎上，根據海上漂浮物機械沖擊防控、海上船舶撞擊防控要求，增設13～25 mm 氯丁橡膠涂層，避開現場節點，確保海洋石油工程立管飛濺區鉆井機械設備腐蝕防范效果良好。

4 結語

綜上所述，合理應用腐蝕防治技術，可以確保海洋石油鉆井機械設備腐蝕速率下降，延長鉆井機械設備使用壽命。因此，技術人員要充分利用全部以往海洋石油工程腐蝕防治經驗數據，進一步研發、創新鉆井機械設備腐蝕防治技術。根據海洋工程實際情況，合理應用犧牲陽極的陰極保護技術、涂裝技術等，形成完備的保護層，確保鉆井機械設備達到設計壽命內的安全運行要求。