近海平台腐蚀机理分析配套与配套设计

　　赵琪慧（中远关西涂料化工有限公司，300457）
　　
　　摘要：简要介绍近海平台的腐蚀机理，结合中远关西为辽河石油海洋装备基地设计的CP-300平台，并对相关配套进行分析。简要讨论了对于平台的涂装施工及特点。
　　
　　关键词：腐蚀条件水文环境产品及配套特点
　　
　　前言：
　　
　　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，以及海洋平台高昂的建造和维护成本，我们有理由重视海洋平台的防腐蚀工作，持续开发具有优异的施工性和防腐能力的产品，从而为安全合理的开发海洋资源提供必要帮助。
　　
　　一、海洋平台的腐蚀环境介绍
　　
　　海水含有自然界中最丰富而且具腐蚀性的电解质。海洋中的金属设施，尤其是固定式钢质结构，大多均遭受海水或海洋大气的腐蚀。其腐蚀和防护问题更为突出。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，才能有针对性的提供合理配套体系，为开发这一领域提供一些帮助。
　　
　　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，腐蚀行为和特点有比较大的差异。因此，必须对采油平台结构在海洋环境中腐蚀区域界定，才能提出有效保护措施，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。
　　
　　海洋环境的特殊条件对钻井设备的影响很大，海上平台除了必须达到陆上设备的要求外，还有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、海洋环境下钢结构和腐蚀情况
　　
　　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五部分。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五大腐蚀区：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，其腐蚀程度如图1所示，有很大不同。

　　海上钢结构腐蚀示意图

　　从图中可以明显的看出，钢桩在海洋环境中腐蚀最严重的部位是在平均高潮以上的飞溅区。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，但是由于海泥主要有海底沉积物构成，含盐量高，电阻率低，度金属的腐蚀也比陆地的土壤要严重，而且在近海或港湾中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，海水土壤也存在腐蚀性较高的可能。

　　 　　2、海上平台结构环境分析及腐蚀区域界定
　　
　　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。以下是一些平台构造在特定海域的腐蚀区域界定图。

　　平台构造在特定海域的腐蚀区域界定图

　　二、海上平台防腐涂层设计及中远关西常用推荐配套
　　
　　1、环境条件与腐蚀类型
　　
　　选定涂层时，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。

　　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磨损撞击，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，要严重的多。而且由于海洋平台的使用周期长，维护成本高，这就要求对于海洋平台的防腐保护必须是高规格高性能的，所采用的重防腐涂料业必须具有针对海洋环境的良好防腐性。
　　
　　2、以辽河油田平台
　　
　　以中远关西为辽河石油船舶制造基地设计的CP-300钻井平台防腐方案为例。CP-300平台是自升式的钻井平台，用于深度不大于300英尺（90m）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（125.3m）。
　　
　　该平台的海洋环境如下：
　　
　　•气温
　　
　　累年平均气温在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1月份，为-9.4℃。累年极端最高气温为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，年较差近30°C。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°C。累年平均水温为11.5°C。

　　 　　•降水
　　
　　累年平均降水量为667.4mm，最多年降水量为889.9mm，最少年降水量为387.2mm。降水量季节变化明显。夏季（6、7、8月）最多，占全年的60％；冬季（11、12月翌年1、2月）最少，仅占全年的7％。
　　
　　•日照：累年平均日照数2917.2h，累年平均日照百分率为66％。日照时数的年内分布以4、5、6月份为多，尤以5月份最多，可达298.1h。秋季9、10月份次之。日照百分率的年内分布以1月、9月份（71％）最多，2月、10两月份（70％）次之。
　　
　　•雾
　　
　　累年平均雾日数为10.3d，年最多为21d，年最少为4d。
　　
　　•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。一般年份，11月中旬出现初冰，第二年1月上旬进入盛冰期，历时40天～60天，2月下旬开始消融，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120km～160km之间，冰厚为20cm～30cm，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月份水温升高期间有生物附着，这在一定程度上使得本海域的生物附着与其他较温暖的海域相比较不严重。
　　
　　涂装部位涂料种类产品名称膜厚μ/道
　　
　　主甲板、直升机甲板、桩腿水上部位等无机富锌漆SDZINC1500N65
　　
　　环氧中间漆EPOMARINEEX500100
　　
　　聚氨酯面漆RETAN600050
　　
　　聚氨酯面漆RETAN600050
　　
　　空舱、工作舱等环氧漆EPOMARINEEX500100
　　
　　环氧漆EPOMARINEEX500100
　　
　　环氧漆EPOMARINEEX500100
　　
　　淡水舱环氧水舱漆EPOMARINEFW-100100
　　
　　环氧水舱漆EPOMARINEFW-100100
　　
　　环氧水舱漆EPOMARINEFW-100100
　　
　　耐热部位、管线等耐热底漆THERMO600PRIMER25
　　
　　耐热面漆THERMO600SILVER25
　　
　　桩腿部位（飞溅区、潮差区）环氧玻璃鳞片KANPEGLASSEP500
　　
　　环氧玻璃鳞片KANPEGLASSEP500
　　
　　上述配套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，如选择环氧类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能，。选择聚氨酯类面漆则是为了抵御海平面强烈的紫外线，赋予配套良好的耐候性和耐粉化性，从而保护涂装配套整体性能的长期稳定。考虑到该地区的海生物附着情况，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、潮差区的耐海冰磕碰摩擦性能要求较高，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，提高漆膜的致密性，对该部位的防腐性能有很大贡献。
　　
　　海洋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。
　　
　　第一，是保证良好的底材处理，保证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、互相扩散等作用而相互粘结在一起。粗糙的表面能够成倍的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。
　　
　　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会有比较严格的施工条件限制，如双组份涂料的混合比例，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，环境湿度过低会延长干燥速率，甚至影响防腐性能。而现在被广泛推广使用的高固体或无溶剂型环氧类产品，其混合使用期相对较短，要注意超出活化期的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摄氏度干燥30分钟以上，达到完全固化，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强度，在施工中需妥善保护，避免机械损伤。
　　
　　三、海洋平台现状分析和相关产品开发
　　
　　由于海洋大气的特点是大气中含有大量的盐，主要是NACL颗粒沉降在金属表面由于它具有吸湿性及增大表面液膜的导电作用，同时CL-离子本身又具有很强的侵蚀性，加重了金属表面的腐蚀。离海岸越近，造成的腐蚀就越严重，其腐蚀速率比内陆的大气环境要高出许多倍，这是海上涂装领域的特点。
　　
　　在海洋环境下，由于腐蚀条件严苛，对防腐涂料的要求相对较高，我们主要推荐使用环氧树脂系列涂料。环氧涂料是被当今世界广泛承认和应用的综合性能优异的防腐涂料，同时具有良好的施工性。在此基础上发展的一系列功能型涂料，如防滑涂料、淡水舱涂料、耐化学品涂料及厚涂型无溶剂涂料等等，不断使产品系列化。同时其他品种如耐热涂料、各种耐侯性涂料以及耐磨损涂料（玻璃鳞片等）相继发展完善，关西向海上平台涂装领域发展已经具有相当的产品基础。但是平台涂装仍有其特殊性，针对海上勘探、钻采作业及原油的复杂成分，要顺利进入平台涂装领域，也需要拿出自己的特色产品，满足涂料体系里的空白。
　　
　　平台涂装最主要和困难的部位是潮差区和飞溅区，目前这些部位的防腐技术已经发展到一定阶段，不但依靠高性能涂料，如无溶剂厚浆型涂料、弹性涂料、聚酯玻璃鳞片涂料、湿固化涂料等等，适用于目前平台防腐的特殊要求，同时还在开发并运用如防腐套包覆等技术，在美国、日本等海洋平台工程占比较大的发达国家有所应用，该技术依靠高强度多层织物外覆以特殊聚酯层，内衬防腐触变类材料等几部分构成，达到良好的水密甚至气密要求，从而实现长效防腐。
　　
　　结论：
　　
　　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，则审慎的配套制定和恰当的产品选择显得尤为重要，但是随着涂料行业的不断发展，新型、高性能的产品会不断产生，因此我们在海洋平台防腐设计和涂装施工上既要注重风险防腐，考虑涂装业绩，又要结合不同平台项目的不同腐蚀特点，收集涂料和涂装技术等各方面学科不断改进创新的先进手段，为我国海洋开发提供更有效的技术保障。