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自升式鉆井平臺樁腿腐蝕分析及防護措施

文檔作者：鄧津林文檔來源：中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月24日
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石油和化工設(shè)備
-68-
腐蝕防護
2014年第17卷
自升式鉆井平臺樁腿腐蝕分析及防護措施
鄧津林
（中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，天津300452）
[摘要]本文對海上鉆井平臺樁腿腐蝕機理進行了分析，結(jié)合自升式鉆井平臺樁腿腐蝕的特點，在研究總結(jié)表面隔離處理
技術(shù)和電化學(xué)防護技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一套相適宜的樁腿防腐方案，經(jīng)過試驗，實際應(yīng)用效果較好，具有良好的可操作
性。
[關(guān)鍵詞]自升式鉆井平臺；樁腿；腐蝕機理；表面隔離；電化學(xué)防護
海洋鉆井平臺是從事海上油氣勘探開發(fā)作業(yè)
工作至關(guān)重要。
的大型鋼結(jié)構(gòu)體。自升式鉆井平臺是海上可移動
1樁腿腐蝕機理分析
式鉆井平臺的一種，作業(yè)時將樁腿插入海底泥面
以下，站立在海床上，利用樁腿托起船體并保持
本文對中海油田服務(wù)股份有限公司在渤海灣
船體底部與海平面有一定的氣隙。樁腿是自升式
海域作業(yè)的某鉆井平臺的樁腿腐蝕情況進行了研
鉆井平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其安全可靠性直接關(guān)系到
究分析。渤海海域海水屬于MgCl2水型，其中Mg2
整個鉆井平臺在海上作業(yè)的安全。海洋環(huán)境極為
和Ca2*離子含量較高。該鉆井平臺樁腿材料為進口
惡劣，對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性很大。長期在處于海洋
低合金高強度鋼（ASTM A514）調(diào)制處理，其主要化
環(huán)境中的鉆井平臺其鋼結(jié)構(gòu)特別是樁腿的防腐蝕
學(xué)成分見表1。
表1樁腿材料主要化學(xué)成分
（%）
C
Mn
Si
Cr
Mo
Cu
Ni
Fe
0.13
0.90
0.32
0.57
0.52
0.34
0.89
余量
鉆井平臺在海洋環(huán)境中，從上到下環(huán)境條件
浪濺區(qū)是指在海水平均高潮位以上0～2.3m區(qū)
有光照、溫度、水流、鹽度、溶解氧等因素，相
間，樁腿表面含有鹽粒度的大量積聚，液膜潤濕
互差別很大。鋼結(jié)構(gòu)樁腿在海洋環(huán)境中的具體位
時間長且干濕頻繁交替，整個腐蝕的陰極過程中
置不同，其腐蝕機理和腐蝕類型也不同。從腐蝕
既受強烈的氧化作用又有鐵銹還原轉(zhuǎn)化的“去極
角度分析，一般將樁腿腐蝕區(qū)域劃分為海洋大氣
化”作用而加劇了腐蝕速度，通常為樁腿腐蝕最
區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、海水浸沒區(qū)及海泥區(qū)五個
嚴(yán)重的部位。
區(qū)域，見圖1所示。
1.3潮差區(qū)
1.1海洋大氣區(qū)
樁腿材料在潮差區(qū)受到的腐蝕，比全浸沒
海洋大氣是指在海平面以上，由于海水蒸
區(qū)輕，比浪濺區(qū)重，以均勻腐蝕為主，也有局部
發(fā)，形成含有大量NaCl2粒子的大氣環(huán)境。海洋大
腐蝕發(fā)生。在平均低潮位以下附近區(qū)域出現(xiàn)一個
氣腐蝕同其它大氣環(huán)境腐蝕一樣，是由于潮濕的
峰值，在海洋環(huán)境中隨著潮位的漲落，在水線上
氣體在鋼鐵表面形成薄水膜而引起的。這些NaCl2
方濕潤的鋼結(jié)構(gòu)表面供氧總量比水線以下鋼結(jié)構(gòu)
粒子雜質(zhì)溶于鋼鐵表面的水膜中，使這層水膜變
表面要充足得多，彼此形成一個回路，構(gòu)成一個
為腐蝕性很強的電解質(zhì)，加速了腐蝕。與干凈大
供氧量差的宏觀腐蝕電池。潮差區(qū)是富氧區(qū)，可
氣的冷凝水膜相比，被海霧周期飽和的空氣可使
為陰極，平均低潮位水線下方是缺氧區(qū)，作為陽
腐蝕速度增加8倍。
1.2浪濺區(qū)
作者簡介：鄧津林（1979一），男，湖南衡陽人，大學(xué)本科，工
程師。主要從事海洋石油物資裝備管理工作。
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第5期
鄧津林自升式鉆井平臺樁腿腐蝕分析及防護措施
-69-
有親水的羥基和醚鍵，但樹脂中的雙酚A鍵段有
疏水性，而環(huán)的剛性屏蔽了羥基和醚鍵，保持了
整體漆膜的耐水性。因其優(yōu)良的耐腐蝕性和附著
力，它是一種優(yōu)良的耐海洋腐蝕涂料的基料。
（2）聚氨酯樹脂：性質(zhì)與環(huán)氧涂料接近，但與
環(huán)氧樹脂相比，聚氨酯涂料固化溫度較低，附著
海洋大氣區(qū)
力也比環(huán)氧樹脂略低。環(huán)氧樹脂涂層屬于剛性，
浪藏區(qū)
聚氨酯樹脂則可以調(diào)節(jié)配方，既可制剛性涂料，
潮差區(qū)
也可制成彈性涂料，可作底漆也可作面漆。
（3）富鋅底漆：含有大量鋅粉，漆膜中鋅粉相
海水漫沒區(qū)
互接觸并與金屬面接觸而導(dǎo)電，在腐蝕環(huán)境中對
鋼鐵起犧牲陽極的陰極保護作用，含鋅量一般在
海泥區(qū)
70%以上。其防腐蝕機理為：在初始階段，通過鋅
粉的溶解犧牲對鋼鐵起陰極保護作用。在以后階
圖1鉆井平臺樁腿腐蝕區(qū)域劃分
段，隨著鋅粉的溶解，在鋅粉顆粒中沉積了許多
腐蝕產(chǎn)物（主要為ZnCO3*3Zn（OH）2等），這些致
極。總體效果是，潮差區(qū)因受到一定程度的陰極
密而微堿性腐蝕物阻擋了腐蝕因子透過，從而達
保護，因此潮差區(qū)的腐蝕速度比全浸區(qū)和海泥區(qū)
到防腐效果。
明顯下降。
2.1.2熱噴涂防腐技術(shù)
1.4海水浸沒區(qū)
熱噴涂技術(shù)是海上鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕常用的一
淺水腐蝕的速度一般比海洋大氣中更為迅
種方法，它利用熱源使鋅或鋁熔化，用壓縮氣體
速，深水處的含氧量由于比淺水區(qū)的少，且水溫
將熔化成微熔滴的金屬霧，以很高的速度噴涂到
接近0℃，故腐蝕較輕。
基體表面，形成防護涂層。在鋼鐵表面覆蓋上鋅
1.5海泥區(qū)
層，因鋅層相對鋼鐵電位更負，在構(gòu)成腐蝕電池
在渤海作業(yè)的鉆井平臺一般樁腿入泥深度
時成為陽極，而鋼鐵成為陰極，這樣，在陽極區(qū)
在10m左右。海泥成分復(fù)雜，有硫酸鹽和還原
（鋅或鋁）釋放電子而溶于水，產(chǎn)生腐蝕。而陰
菌等細菌，pH值約7.8，含水量31.3%，比電阻
極區(qū)（鋼鐵）在其表面吸收電子，與氧發(fā)生還原
389.60cm，較為疏松。由于海底溫度低，含氧
反應(yīng)，基體受到保護，這就是鋅/鋁涂層的電化學(xué)
量少，所以腐蝕程度相對較輕。在海底缺氧條件
陰極保護原理。熱噴涂涂層主要是鋅或鋁涂層、
下，硫酸鹽還原菌是導(dǎo)致金屬腐蝕的主要原因。
鋅合金及鋁合金涂層。涂層材料除了自我犧牲實
現(xiàn)陰極保護外，還具有與涂料防腐機理類似的阻
2防腐蝕措施
擋腐蝕介質(zhì)的隔離作用。涂層中金屬鋅或鋁表面
目前國內(nèi)外主要采取兩類防腐措施：表面隔
形成的致密氧化膜可起到很好的防腐蝕作用。與
離防護處理和電化學(xué)防護。
涂料涂裝相比，熱噴涂防腐技術(shù)有許多優(yōu)越之
2.1表面隔離防護處理
處，可實現(xiàn)20～40年內(nèi)免維護。
2.1.1涂料防腐3]
2.2電化學(xué)防護
涂料防腐造價低，施工方便，是目前鉆井平
電化學(xué)防護法即通常所說的陰極保護法，其
臺最常用的防腐方法之一。由于鉆井平臺長期處
原理是給被保護金屬通以陰極電流，發(fā)生了陰極
在海上惡劣的腐蝕環(huán)境中，只能使用高性能重防
極化從而減緩腐蝕。根據(jù)電源的來源不同，可分
腐涂料。海上鉆井平臺常用的幾種涂料有：
為外加電源法和犧牲陽極法，前者是將被保護金
（1）環(huán)氧樹脂：環(huán)氧樹脂是一種優(yōu)良的樹脂，
屬與電源負極相連，后者為將被保護金屬與電位
最突出的特點是其與表面的附著力，這是由于其
更負的犧牲陽極相連。
分子中含有極性的羥基、醚鍵等。環(huán)氧樹脂中含
由于外加電源對于海上油氣鉆探作業(yè)存在一
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石油和化工設(shè)備
-70.
腐蝕防護
2014年第17卷
定的安全風(fēng)險，犧牲陽極法不需外加電源，不干
由于海上自升式鉆井平臺在完成一個井位的
擾臨近金屬設(shè)施，電流散能力好，便于管理和維
鉆探作業(yè)后，需要拖航去另外一個井位。拖航時
護。因此犧牲陽極法在鉆井平臺鋼結(jié)構(gòu)防腐中廣
需要將平臺船體順樁腿降至水面，并將樁腿從海
泛得到應(yīng)用。目前常用的鋼結(jié)構(gòu)犧牲陽極防腐材
底拔出。拖航就位后再將樁腿插入海底并升船體
料有鋁基合金、鋅基合金和鎂基合金三大類。近
離開海面。此過程中鉆井平臺需要沿樁腿做上下
年來將不同基的犧牲陽極材料結(jié)合在一起構(gòu)成雙
往復(fù)運動，期間樁腿會和樁箱發(fā)生劇烈摩擦造成
金屬基復(fù)合犧牲陽極，制成鎂包鋁、鎂包鋅和鋁
樁腿升降部分外面脫落。這將破壞外表面的防腐
包鋅的雙基金屬犧牲陽極，這種新型復(fù)合基陽極
涂層和熱鍍層，使得暴露部分易發(fā)生腐蝕，如圖2
材料能夠達到更好的防腐效果。
所示。對于這種情況，要及時對裸露的外表面進
3防腐技術(shù)應(yīng)用狀況及改進措施
行防腐處理，如涂防腐油漆等。
3.1樁腿升降摩擦問題
圖2升降平臺時樁腿發(fā)生摩擦
圖3海生物在樁腿上附著
3.2海生物附著問題
分的犧牲陽極提供電流，使得被保護鋼結(jié)構(gòu)表面
樁腿長期處于海洋環(huán)境中，其水下部分除
形成了Ca-Mg氧化物保護膜。隨著保護膜的形成，
受海水強烈的電化學(xué)腐蝕外，還受到海洋生物附
犧牲陽極所需提供的電流也越來越小，其溶解速
著和繁殖的影響，如圖3所示。特別是在溫暖的
度逐漸變慢，海生物逐漸在犧牲陽極表面附著、
海域和春夏兩季，海洋生物迅速生長繁殖。這些
繁衍，這阻礙了犧牲陽極向被保護鋼結(jié)構(gòu)提供保
海生物能破壞金屬表面防腐蝕保護層（如漆膜脫
護電流，降低了陰極保護效果。因此應(yīng)利用拖航
落），而有些海生物本身就對金屬有腐蝕作用。
及塢修時間及時對犧牲陽極表面進行清理或更
最常見的附著海生物有兩種：硬殼生物（軟體動
換，以保證犧牲陽極的防護作用。
物、藤壺、珊瑚蟲等）和無硬殼動物（海藻、水
3.3改進措施
螅等）。海生物附著產(chǎn)生腐蝕的原因很復(fù)雜，一
海上環(huán)境的復(fù)雜性以及自升式鉆井平臺的
般會造成以下幾種：海生物附著并非完整均勻，
自身工作特點，單純靠某一種防腐措施都存在弊
內(nèi)外形成氧濃差電池：海生物附著局部改變了海
端，不能達到很好的防腐效果。根據(jù)不同區(qū)域的
水介質(zhì)成分，造成富氧或酸性環(huán)境等：附著的海
腐蝕特點，綜合應(yīng)用多種防腐技術(shù)可以提高防腐
生物穿透或剝落破壞金屬表面的保護層或涂層4。
的效果。例如熱噴涂技術(shù)與油漆涂裝聯(lián)合應(yīng)用，
海生物附著對犧牲陽極也產(chǎn)生影響，水下部
可得到更好的防護效果。由于噴涂層的表面凸凹
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第5期
鄧津林自升式鉆井平臺樁腿腐蝕分析及防護措施
-71-
不平，且有很多孔隙，油漆噴涂在表面將涂料滲
◆參考文獻
入孔隙中，使涂層與基體牢固結(jié)合。這樣，既可
[1]侯保榮.海洋腐蝕環(huán)境理論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版
社，1999.
起到封閉熱噴涂涂層孔隙的作用，又可增加涂料
[2]李異，犧牲陽極在海泥中電化學(xué)性能的影響因素[J.腐蝕與
的結(jié)合強度。同時，由于樁腿升降產(chǎn)生的表面破
防護，2001，22（12）：527-529.
損，表面熱噴涂技術(shù)和涂料防護都不能對該部位
[3]劉登良.涂料工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.
[4]姚平，鮑祺，王洪仁等.中國南海東方氣田海上平臺水
起到很好的防護作用，而犧牲陽極電化學(xué)防護法
下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕與防護研究[J].全面腐蝕控制，2010，24（1）：
可以較好地解決這一問題。
7-12.
4結(jié)語
收稿日期：2014-02-10；修回日期：2014-03-23
本文從海上鉆井平臺作業(yè)的實際出發(fā)，分析
了自升式鉆井平臺海洋作業(yè)中樁腿的腐蝕狀況，
提出了針對樁腿防腐蝕的有效解決方案和對防腐
技術(shù)的改進措施。由于海上作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性以
及自升式鉆井平臺的作業(yè)特點，單純采取某一種
防腐方案效果都不會很理想，應(yīng)針對不同環(huán)境的
特點，綜合運用多種方案，以達到更好的防腐效
果。本文提出的改進措施，對類似鉆井平臺的樁
腿防腐有一定的借鑒意義。
《橡塑技術(shù)與裝備》期刊2014年征訂啟事
《橡塑技術(shù)與裝備》創(chuàng)刊于1975年，是國內(nèi)外公開發(fā)行的刊物，也是國內(nèi)唯一以橡塑工藝技術(shù)、加工機
械、新材料、新產(chǎn)品及節(jié)能環(huán)保為重點內(nèi)容的專業(yè)技術(shù)期刊。該刊曾在中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組辦的“第
六、七屆全國石油和化工行業(yè)期刊評選活動”中分獲優(yōu)秀期刊二等獎。
期刊內(nèi)容以普及和提高橡塑工藝技術(shù)與裝備的專業(yè)技術(shù)知識、交流技術(shù)經(jīng)驗、傳遞科學(xué)新信息、推廣應(yīng)用
科技新成果，開展橡塑機械理論的探討與研究，促進橡塑工業(yè)的技術(shù)進步，提高橡塑工藝和裝備人員的技術(shù)水
平和提高橡塑企業(yè)的管理水平為宗旨。
《橡塑技術(shù)與裝備》期刊2014年起變更為半月刊，每月上半月為橡膠版，下半月為塑料版。國內(nèi)刊號
CN11-4534/TQ ISSN1009-797X，郵發(fā)代號：2-780，國外發(fā)行代號：M1653。每期定價15元，每月兩期訂價30
元，全年定價360元。在本刊編輯部可單獨訂閱橡膠版或塑料版。也可通過全國各地郵局訂閱。竭誠歡迎閱者
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