劉興鐸，周小峰，孫傳軒，嚴(yán)金林，李中華，楊 超

（1.國(guó)家油氣鉆井裝備技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）

海洋環(huán)境中溶解氧含量、溫度、pH值等是影響水下采油樹(shù)腐蝕的重要因素［1］。陰極保護(hù)是海洋設(shè)施最主要的防腐蝕手段，對(duì)于淺海的陰極保護(hù)，主要依靠較大的初始電流密度獲得致密的鈣鎂沉積層。隨著鈣鎂沉積層積累量的不斷增多，溶解氧的含量將會(huì)減少，從而導(dǎo)致維持陰極極化的電流密度降低。然而深海環(huán)境不能形成大量鈣鎂沉積層［2］，所以，淺海環(huán)境的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法不適用于深海環(huán)境。針對(duì)深海環(huán)境，有必要對(duì)水下采油樹(shù)的保護(hù)措施進(jìn)一步進(jìn)行研究。

1 影響深海海水腐蝕的主要因素

1.1 溶解氧含量

海水表層含有較高的溶解氧，主要是綠色植物光合作用的結(jié)果。當(dāng)海水深度不斷增加時(shí)，綠色植物的數(shù)量將隨之減少，光合作用也將減弱［3］。當(dāng)海水達(dá)到一定深度時(shí)，溶解氧含量受到其他海域的對(duì)流作用，將會(huì)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，此時(shí)的金屬材料將容易發(fā)生腐蝕［4］。

1.2 壓 力

Beccaria A M等［5-6］模擬分析了靜壓力對(duì)鋁及其合金的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在海水中，當(dāng)受到較高的海水壓力時(shí)，氯離子含量增加將使得水溶性氯化物的濃度增大，不銹鋼鈍化膜將會(huì)更容易損壞，因此，普通不銹鋼的耐腐蝕性能并不理想。

1.3 海水流速

金屬腐蝕受海水流速的影響。當(dāng)海水流速增大時(shí)，金屬表面的擴(kuò)散層厚度將會(huì)隨之增加，金屬表面的去極化作用將會(huì)增強(qiáng)［7］。

1.4 pH值

鋁鎂合金的腐蝕容易受到海水pH值的影響。當(dāng)pH值在7.2以下時(shí)，腐蝕將加重［8］。

2 解決深海水下采油樹(shù)腐蝕的方案

深海水下采油樹(shù)的工作環(huán)境是海水全浸區(qū)，屬于ISO 12944—2標(biāo)準(zhǔn)中的Im2類(lèi)。目前，陰極保護(hù)法和涂層保護(hù)是深海水下采油樹(shù)較為節(jié)省成本的方法。在深海環(huán)境中外加電源的陰極保護(hù)技術(shù)存在很多無(wú)法解決的問(wèn)題，因此采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)技術(shù)和防腐涂層相結(jié)合仍然是解決深海采油樹(shù)腐蝕問(wèn)題的首選措施。深海水下采油樹(shù)包含較多的模塊、零件，不便于安裝很多的犧牲陽(yáng)極塊［9］。一旦深海水下采油樹(shù)安裝到位，是很難進(jìn)行防腐蝕維護(hù)。

2.1 陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)要素

2.1.1 保護(hù)電流密度

保護(hù)電流密度是指單位面積的陰極保護(hù)電流［10］。陰極保護(hù)時(shí)，最小保護(hù)電流密度是指當(dāng)金屬的自溶解速率降低為零時(shí)，所需要的外加電流密度，與最小保護(hù)電位相對(duì)應(yīng)的［11］。保護(hù)電流密度被用于計(jì)算初期、后期的電流密度，其主要是被用于計(jì)算達(dá)到充足極化能力需要的特定類(lèi)型陽(yáng)極的數(shù)量及尺寸。

水深大于300 m的陰極保護(hù)電流密度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1［12］。

表1 陰極保護(hù)電流密度要求

2.1.2 保護(hù)電位

相對(duì)于 Ag／AgCl／海水參比電極，-0.80 V通常被視作為碳鋼和低合金鋼的設(shè)計(jì)保護(hù)電位EOC（V）。保護(hù)電位是設(shè)計(jì)和監(jiān)控陰極保護(hù)是否完全發(fā)揮作用的重要指標(biāo)，是陰極保護(hù)的最基本參數(shù)［13］。

保護(hù)電位的數(shù)值與金屬的種類(lèi)、介質(zhì)的狀況（成分、濃度、溫度等）有關(guān)，保護(hù)電位是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或通過(guò)試驗(yàn)確定的。實(shí)際上，大多數(shù)腐蝕發(fā)生在中性水介質(zhì)中，保護(hù)電位是一個(gè)范圍。

2.1.3 電連續(xù)性

當(dāng)深海水下采油樹(shù)發(fā)生腐蝕時(shí)，采油樹(shù)的連接電阻將會(huì)進(jìn)一步變大，這不僅影響陽(yáng)極的輸出電流，而且影響水下采油樹(shù)的陰極保護(hù)效果。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮電連續(xù)性［14］。

深海水下采油樹(shù)包含許多獨(dú)立的模塊，保護(hù)這些模塊的犧牲陽(yáng)極一般都安裝在支撐框架上，其中的黃色柱塊為犧牲陽(yáng)極塊（見(jiàn)圖1）。

圖1 采油樹(shù)犧牲陽(yáng)極塊的布局

除了上述的影響因素外，還必須考慮以下問(wèn)題：

（1）金屬的結(jié)構(gòu)形式

不同的金屬結(jié)構(gòu)形式會(huì)相互干擾、屏蔽，造成電位分布不均衡，影響陰極保護(hù)的效果［15］。

（2）環(huán)境條件

在深海環(huán)境中，陰極保護(hù)系統(tǒng)受到溶解氧、溫度、壓力、鹽度、海水流速和pH值等多種環(huán)境因素的影響。目前，在這方面的理論研究已經(jīng)很多，但是在工程實(shí)際中，更多的是依靠相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)值來(lái)設(shè)計(jì)陰極保護(hù)系統(tǒng)。

（3）陽(yáng)極的種類(lèi)

陽(yáng)極的種類(lèi)決定著陽(yáng)極在介質(zhì)中輸出電流的大小。在陰極保護(hù)系統(tǒng)中，為了獲得較大的陰極電流，經(jīng)常采用電位較低的陽(yáng)極材料［15］。

2.2 陰極保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)

當(dāng)需要評(píng)價(jià)陽(yáng)極的效果時(shí)，主要測(cè)量保護(hù)電位和測(cè)量陽(yáng)極電壓。檢測(cè)的方法是借助探頭和數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備，測(cè)量被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)（陰極）的電位，分析判斷此鋼結(jié)構(gòu)是否達(dá)到保護(hù)電位，以便工作人員評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的效果并調(diào)整相應(yīng)的防護(hù)參數(shù)［16］。

2.3 保護(hù)涂層

通過(guò)防腐涂層的隔離作用，將周?chē)乃?、硫酸鹽、氯化物等腐蝕性介質(zhì)阻擋在外，達(dá)到防腐蝕的目的［17］。

在深海環(huán)境下，由于壓力很高，一般使用環(huán)氧瀝青、噴塑等涂層用于深海設(shè)備［18］。

涂在耐蝕合金加工面的涂層特別容易發(fā)生于陰極剝離。通過(guò)表面處理達(dá)到一個(gè)最佳表面粗糙度，當(dāng)用于耐蝕合金以及碳鋼和低合金鋼時(shí)，某些涂層體系（例如環(huán)氧基或聚氨酯基）有良好的抗陰極剝離性能。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涂層保護(hù)效果取決于被保護(hù)設(shè)備表面情況。因此，表面質(zhì)量對(duì)涂層的保護(hù)效果顯得非常重要。

選擇深海設(shè)備的材料時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)深海設(shè)備都有陰極保護(hù)，要考慮陰極保護(hù)與涂層的兼容性問(wèn)題。

（2）需要注意基體材料對(duì)涂層的附著問(wèn)題和涂層的時(shí)效性等問(wèn)題。

（3）在管線接頭、緊固件等連接位置，需要考慮使用特殊涂層［19］。

3 采油樹(shù)陰極保護(hù)數(shù)值模擬

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用于陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中。陰極保護(hù)數(shù)值模擬是通過(guò)對(duì)包含對(duì)象建立電場(chǎng)數(shù)值模型，描述實(shí)際問(wèn)題的固有特點(diǎn)。通過(guò)電流源參數(shù)和極化參數(shù)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)方程，得到金屬結(jié)構(gòu)每個(gè)表面的電位分布，調(diào)整設(shè)定的參數(shù)控制問(wèn)題的解，最后求解得到被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面上的電位分布，利用BEASY CP軟件分析水下采油樹(shù)的保護(hù)電位情況。

3.1 控制方程

在腐蝕區(qū)域內(nèi)，假設(shè)任意一點(diǎn)的ΔV＝Δx·Δy·Δz≠0的微元體，其邊長(zhǎng)分別為 Δx，Δy，Δz，如圖2所示。

根據(jù)能量守恒原則，即流入與流出微元體的電流相等，可知：

定義深海海水電阻率為ρ，x，y，z方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為則上式可轉(zhuǎn)化為：

上式即為電位分布模型控制方程，即拉普拉斯Laplace方程。

圖2 陰極保護(hù)系統(tǒng)物理模型

3.2 邊界條件

常見(jiàn)陰極保護(hù)體系的邊界條件如下：

（1）被保護(hù)結(jié)構(gòu)表面（定義為S1），

（2）陽(yáng)極表面（定義為 S2），

（3）絕緣邊界處（定義為S3）電位為常數(shù)，而電流密度等于零。

綜上，本平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

（4）求解過(guò)程

求解的過(guò)程就是解基本解為Φ*，根據(jù)數(shù)學(xué)物理方程得出其基本解系方程為：

▽2Φ*（P，Q）+δ（P-Q）＝0

求解轉(zhuǎn)化為矩陣形式是：

［H］｛Φ｝＝［G］｛q｝

整理后為：

［A］｛X｝＝｛F｝

式中：A為N的系數(shù)矩陣，X為具有N個(gè)未知Φ或q的一維數(shù)組，F(xiàn)是已知邊界條件及其對(duì)應(yīng)H和G系數(shù)相乘而得的一維數(shù)組。由上述方程組可求出所有未知量。

4 采油樹(shù)陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)

公司設(shè)計(jì)的水下采油樹(shù)，設(shè)計(jì)水深大于300 m，設(shè)計(jì)壽命t為20年，深海水下采油樹(shù)的表面積小于200 m2。

當(dāng)深海水下采油樹(shù)處于熱帶海域時(shí)，電流密度值見(jiàn)表2。

涂層擊穿系數(shù)公式為：fc＝a+bt

式中：t為涂層壽命，a，b為常數(shù)。計(jì)算得到，初期涂層擊穿系數(shù)fci為0.05，平均涂層擊穿系數(shù)fcm為 0.20，后期涂層擊穿系數(shù) fcf為 0.35。

根據(jù)電流需求計(jì)算公式：

Ic＝Acicfc

根據(jù)計(jì)算，初期陰極保護(hù)電流Ici為3.00 A，平均電流Icm為6.00 A，后期陰極保護(hù)電流Icf為15.16 A。

根據(jù)陽(yáng)極質(zhì)量的計(jì)算公式：

Ma＝Icmtf×8 760／uε

表2 電流密度的要求

式中：Ma為陽(yáng)極質(zhì)量，kg；Icm為保護(hù)電流，A；tf為設(shè)計(jì)壽命，年；8 760為年小時(shí)數(shù)；u為陽(yáng)極利用率，%；ε為陽(yáng)極發(fā)電容量，A·h／kg。

計(jì)算得到陽(yáng)極的質(zhì)量Ma＝583.59 kg。

進(jìn)一步計(jì)算，可以獲得陽(yáng)極數(shù)量N，合理地分布陽(yáng)極，并且驗(yàn)證陽(yáng)極電容量、陽(yáng)極電流輸出值和陽(yáng)極的電阻值。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，借助數(shù)值模擬的方法，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3至圖6。

圖3 涂層初期的計(jì)算結(jié)果

圖4 涂層平均的計(jì)算結(jié)果

圖5 涂層后期的計(jì)算結(jié)果

從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)的深海水下采油樹(shù)各部件均處于有效保護(hù)狀態(tài)。由于水下采油樹(shù)的保護(hù)電位比較低，會(huì)影響水下采油樹(shù)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕敏感性，所以，可以進(jìn)一步采取措施優(yōu)化水下采油樹(shù)的陰極保護(hù)方案。

圖6 涂層損壞時(shí)的計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）多種因素影響深海水下采油樹(shù)的防腐蝕效果。因此，針對(duì)某深海海域，判斷出主導(dǎo)因素，為深海水下采油樹(shù)選擇合適的材質(zhì)，具有指導(dǎo)意義。

（2）對(duì)于深海水下采油樹(shù)而言，陰極保護(hù)技術(shù)是一項(xiàng)有效的防腐蝕技術(shù)，可以抵御深海環(huán)境的腐蝕破壞。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，要求深海水下采油樹(shù)的不同材質(zhì)部件都處于有效的陰極保護(hù)電位范圍。

（3）數(shù)值模擬技術(shù)可以預(yù)測(cè)深海水下采油樹(shù)的陰極保護(hù)效果。深入研究深海環(huán)境下陰極保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)邊界條件，可以提高數(shù)值模擬技術(shù)的準(zhǔn)確性。

（4）安裝犧牲陽(yáng)極塊，檢測(cè)其保護(hù)性能是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，不僅要保證犧牲陽(yáng)極塊滿(mǎn)足焊接質(zhì)量與相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，還需要滿(mǎn)足電連續(xù)性要求。