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海上平台腐蚀环境分析与防腐配套涂料体系设计,介绍了海上平台的腐蚀机理
2019年11月14日    阅读量:1079     新闻来源:中网信息    |  投稿

0 引言

海上石油能源的开发对于人类未来持续发展具有重要意义,同时针对海洋所特有的水文环境和严酷的腐蚀条件,以及海上平台高昂的建造和维护成本,我们有理由重视海上平台的防腐蚀工作,持续开发具有优异的施工性和防腐性的涂料产品,从而为安全、合理地开发海洋资源提供必要帮助。


1 海上平台的腐蚀环境

海水含有自然界中最丰富、最具腐蚀性的电解质。海洋中的金属设施,均会遭受海水或海洋大气的腐蚀,尤其是固定式钢结构,其腐蚀和防护问题更为突出中国建材网cnprofit.com。采油平台结构是海洋环境中固定式的金属设施之一,总结它的防腐特点,才能有针对性地提供合理的配套涂料体系,为这一领域的涂料产品开发提供帮助。


目前海上平台主要分为移动式和固定式两大类,移动式平台又分为坐底式平台、自升式平台、半潜式平台、牵索塔式平台等等;固定式平台分为导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台等等。以固定式平台为例,处在不同的海洋环境条件下,其腐蚀行为和特点有较大的差异。


因此,必须对采油平台结构在海洋环境中的腐蚀区域进行界定,才能提出有效的保护措施,以解决结构的腐蚀问题,使得结构和设备能安全生产和运行,延长其使用寿命,提高经济效益。海上平台除了必须达到陆上设备的要求外,还要具备适合海上油气开发特点(能经受风、浪、潮、流、冰、涌等海洋环境因素的冲击),以克服在海上作业所产生的困扰。


1.1 海洋环境下钢结构的腐蚀情况

海洋环境条件可分为海洋大气、浪花飞溅、潮差带、海水全浸和海底土壤5 部分。钢结构在海洋环境中每一部位的腐蚀行为和特点各不相同。根据环境条件,腐蚀特点和平均腐蚀率不同,钢结构在海洋环境中可分为5 大腐蚀区:海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。对于连续暴露在海洋环境中各个部位的钢结构,其腐蚀程度有很大不同,如图1 所示。

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图1 海上钢结构腐蚀示意图

由图1 可见:钢桩在海洋环境中腐蚀最严重的部位是在平均高潮位以上的飞溅区。在这个部位,钢材表面被海水浸润,海水与空气又不断接触,含氧量最高,含盐量充分,而且在这个部位,海水的冲击强度最大,保护层被不断破坏,使该部位的腐蚀最为严重。


不同海水飞溅区的腐蚀主要区别在于风浪和温度,飞溅区金属表面的温度更接近于大气温度,风浪更大的热带海域钢结构在飞溅区的腐蚀最为严重。潮差区以下的腐蚀通常也比较严重,这主要是由于氧浓差电池的作用。


潮差区由于供氧充分,形成阴极,受到一定程度的保护,腐蚀减轻。平均低潮位以下位置的全浸区因供氧相对较少而成为阳极,使腐蚀加速。一般而言,海水土壤区(海泥区)的腐蚀环境相对较弱,但是由于海泥主要由海底沉积物组成,含盐量高,电阻率低,金属的腐蚀也比陆地的土壤要严重,而且在近海或港湾中由于从陆地排入的污染物,以及局部地区厌氧性微生物的腐蚀性代谢产物等因素,海水土壤区也存在腐蚀性较高的可能。


1.2 海上平台结构环境分析及腐蚀区域界定

海上平台的涂装设计必须依靠大量准确的数据,如平台所处的海域、水文环境、气候条件等,总结得到平均最高潮线、平均高潮线、平均海水面、平均低潮线、平均最低潮线等。图2 是海上钢结构在特定海域的腐蚀区域界定图。

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图2 海上钢结构在特定海域的腐蚀区域界定图


2 海上平台防腐涂料体系设计

2.1 环境条件与腐蚀类型

选择涂料时,大气环境腐蚀类型可按照ISO12944—2 进行区分。该标准是国际ISO 组织制定的环境及防腐标准,在国际上有比较广泛的认可度,见表1。

表1 环境条件与腐蚀类型

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在海洋环境下,影响钢铁腐蚀速率的因素是多方面的。由于海洋大气具有空气湿度大、含盐多、紫外线照射强烈的特点,且在海面部位有海冰撞击磨损、海生物附着等特殊性,所以海洋大气对金属结构的腐蚀比内陆大气或城市大气严重得多。另外,由于海上平台的使用周期长,维护成本高,这就要求对于海上平台的防腐保护必须是高规格、高性能的,所用的重防腐涂料必须具有针对海洋环境的良好防腐性。



2.2 辽河油田平台的防腐涂层设计

下面以中远关西公司为辽河油田设计的CP-300平台防腐方案为例作一介绍。CP-300 平台是自升式的钻井平台,用于深度不大于300 英尺(90 m)的水中作业及靠自身船体运输的区域,桩腿完全升起高度为411 英尺(125.3 m)。

该平台所处的海洋环境如下:

·气温

历年平均气温在8.4~9.7℃之间,其中平均最高气温出现在7 月份,为24.8℃ ;平均最低气温出现在1 月份,为-9.4℃。历年极端最高气温为35.3℃,出现于7~8 月份;极端最低气温为-29.3℃,出现于1~2 月份。

·水温

各月平均水温2 月最低,8 月最高,相差近30℃。4~5 月升温较快,10~12 月降温较快,降温速率大于升温速率。年平均水温11~13℃。历年平均水温为11.5℃。

·降水

历年平均降水量为667.4 mm,最多年降水量为889.9 mm,最少年降水量为387.2 mm。降水量季节变化明显:夏季(6~8 月)最多,占全年的60%;冬季(11月~ 翌年2 月)最少,仅占全年的7%。

·日照

历年平均日照数2 917.2 h,历年平均日照百分率为66%。日照时数的年内分布以4~6 月为多,尤以5 月份最多,可达298.1 h ;秋季(9~10 月)次之。日照百分率的年内分布以1 月、9 月最多(71%);2 月、10 月次之(70%)。

·雾

历年平均有雾日数为10.3 d,年最多为21 d,年最少为4 d。

·冰况

油田所处的辽东湾位于渤海北半部,辽东湾北部,底平、坡小、水浅、热容量小,受大陆影响最为显著,成为渤海冰情最为严重的海区。一般11 月中旬出现初冰,翌年1 月上旬进入盛冰期,历时40~60 d,2月下旬冰开始消融,3月下旬终冰,冰期一般为4个月左右。常年情况下,辽东湾结冰范围在120~160 km 之间,冰厚为20~30 cm,并以灰冰、灰白冰和白冰为主。每年11 月~ 翌年5 月该海域水温较低,无生物附着,只在6~10 月水温升高期间有生物附着,这在一定程度上使本海域的生物附着与其他较温暖的海域相比较不严重。结合该海洋环境特点设计的防腐配套涂料体系见表2。

表2 辽河油田CP-300 平台防腐配套涂料体系

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上述配套涂料体系是结合海洋环境的高盐、高湿、紫外线强度大等特点所设计的基本型配套涂料体系,如选择环氧类涂料产品作为主要防腐底漆,是考虑到环氧涂料优异的施工性、防腐性以及广泛的耐化学品性;


选择聚氨酯类面漆,则是为了抵御海平面强烈的紫外线,赋予配套体系良好的耐候性和耐粉化性,从而保护配套涂料体系整体性能的长期稳定。考虑到该地区的海生物附着情况不严重,桩腿外部可不进行高规格的防污处理。


该地区属冬季结冰区,桩腿飞溅区、潮差区的耐海冰撞击磨损性能要求较高,因此推荐玻璃鳞片涂料,依靠玻璃鳞片的高强度抵御海冰撞击,同时玻璃鳞片作为片状填料密闭搭接,可提高漆膜的致密性,对提高该部位的防腐性能有很大作用。


2.3 施工管理

海上平台属于重防腐涂装,在选择高性能涂料的基础上,严格的施工管理是必不可少的,对于新造阶段的高投入,是保证平台在未来的使用中,降低腐蚀风险,控制维修成本的必要手段。施工管理要点如下:

第一,保证良好的底材处理及必要的粗糙度和清洁度。从理论上讲,涂膜与基材之间可以通过机械结合、物理吸附、涂膜与基体之间形成氢键和化学键、互相扩散等综合作用而相互附着在一起。粗糙的表面能够成倍地增加接触面积和取得镶嵌效果,提高附着强度,同时底材表面的处理过程还可以洁净底材表面,活化金属表面的状态,这些都会增强涂层与底材的附着力。

第二,保证涂装期间的环境和气候条件符合要求。涂料,尤其是高性能涂料,一般都有较为严格的施工条件限制,如双组分涂料的混合比例、熟化时间、活化期,以及固化期间的环境温度、湿度等要求。如无机富锌漆,由于其固化反应需要有水参与,因此漆膜固化时,环境湿度过低会降低干燥速率,甚至影响防腐性能。而现在被广泛推广使用的高固体分或无溶剂型环氧类涂料产品,其混合使用期相对较短,要注意超出活化期的涂料产品不能应用在平台钢结构上作为防腐保护。

第三,功能性涂料的施工。如中远关西公司提供的用于高温部位的耐热有机硅漆,其特性要求加热至200℃干燥30 min 以上,达到完全固化,才具有常规物理性能。在施工期间,一般不具备加热条件,因此漆膜一般达不到较高的附着强度,在施工中需妥善保护,避免机械损伤。


3 结语

海洋钢结构平台的防腐涂装,需要进行周密的设计和严格的施工管理,由于平台防护周期长,业主对其性能可靠性的期望值相对较高,审慎的配套涂料体系制定和恰当的涂料产品选择显得尤为重要。随着涂料工业的不断发展,新型、高性能的涂料产品会不断出现,为我国海洋开发提供更有效的技术保障。


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