阴极保护系统在“海洋石油118FPSO”上的应用

杨树敏，董广河

(中海油能源发展采油服务公司 海外作业筹备组，天津 300457)



阴极保护系统在“海洋石油118FPSO”上的应用

杨树敏，董广河

(中海油能源发展采油服务公司 海外作业筹备组，天津 300457)

分析FPSO在海上作业时的腐蚀机理以及相应的防护措施，介绍用于FPSO船体防护的牺牲阳极的阴极保护系统，以海洋石油118FPSO为例，进行防腐锌块的设计、选型以及计算。

FPSO；腐蚀机理；阴极保护技术；阴极材料；防腐锌块

FPSO的船体长期处于多盐雾、潮湿的海水环境中，受到周围介质的侵蚀，结构腐蚀非常严重。而FPSO又远离海岸固定作业，不能像航行船舶那样定期进坞维修、保养，所以FPSO防腐蚀问题越来越被重视。

1 FPSO腐蚀机理

海水含有多种盐类，此外还含有溶解氧气体，以及海洋微生物。海水对金属的腐蚀主要取决于含氯化物盐类的浓度、溶解氧的含量，以及海水的导电性。

鉴于FPSO的特殊作业条件，其腐蚀的介质来源主要有海水、海洋大气。下面就这两种介质对FPSO船体的腐蚀机理进行分析研究。

1.1 海水对FPSO船体的腐蚀

在研究FPSO船体腐蚀时涉及到钢铁的表面状态。钢铁在轧制或以后的热处理中，由于高温铁被氧化，表面生成了氧化铁皮。氧化铁皮由三种铁的氧化物组成，并按一定的顺序分布在金属表面上。紧贴着钢铁的是FeO，然后是Fe3O4，最外层是Fe2O3。氧化铁皮具有较高的电位，在水中的稳定电位比普通钢的电位正0.2～0.5 V，且具有良好的导电性。所以钢铁表面的氧化皮加速了钢在海水中的腐蚀，并且腐蚀速度随氧化层表面积的增加而明显增大。

1.2 海洋大气对FPSO船体的腐蚀

FPSO水线以上暴露在大气中的船体部分主要遭受海洋大气的侵蚀。海洋大气对金属的侵蚀性主要取决于大气中氯化物及其他盐分的含量、相对湿度和温度。此外，距离海面的高度、风速、雨量、太阳辐射、尘埃、大气污染等因素也会影响金属的腐蚀速度。据资料介绍，盐在金属表面上的沉积量可达10～1 000 mg/(m2·d)。如果沿海的大气被污染，大气中含有SO2，则钢的腐蚀速度可增加数倍。有的海域易形成海雾，也会增加金属的腐蚀速度。

再者，空气中的湿度越大，金属表面结露越容易，腐蚀速度也相应增加。

在一定温度下，大气的相对湿度达到100%，这时金属表面温度与露点一致时，就会有露珠在金属表面凝结。如果金属表面沉积有盐粒、尘埃、狭窄的缝隙及疏松多孔的腐蚀产物，则金属表面的温度即使高于露点，也会形成潮气的凝结，在金属表面形成水膜。

在大气腐蚀条件下，随着液层变薄，阴极过程将更容易进行，而阳极过程反而变得困难。

综上所述，对于FPSO水线以上暴露在海洋大气环境中的船体部分以及上部模块的生产部分，由于其钢铁的阳极钝化作用，其主要腐蚀来源是氧气以及大气中的潮气，所以宜采用隔绝氧气的腐蚀方法。现在主要技术是涂层，利用防腐涂料隔绝氧气、潮气、日光、灰尘等，以达到防腐蚀的目的。而对于FPSO水线以下的船体以及压载舱、货油舱等沉浸在电解质溶液中的部分，由于阳极(钢铁)的活化作用而极易失去电子而被腐蚀，所以单纯靠涂层技术进行防腐蚀是远远不够的，在此引入了阴极保护的概念。

2 阴极保护法

图1给出了FPSO船体在海水中于金属界面处发生的电化学腐蚀反应过程，以及阴极保护系统通过镁阳极或外电源产生的外加负电流对这些反应过程的作用影响，说明了各种反应质点和反应产物的存在和传递。由于阴极保护系统通过牺牲阳极或外电源，能对金属提供足够量的电子(施加所需的负电流)，使金属界面呈负电性和达到足够负的电极电位，从而抑阻氧化反应(Fe→Fe2++2e)；此时还原反应所需电子完全从牺牲阳极或外电源获得。由此实现了阴极保护，停止了金属的腐蚀过程。

较早建造的FPSO，对于船体，以及压载舱、货油舱等舱室的腐蚀多采用涂层加牺牲阳极来进行防护，而现在建造的FPSO即采用牺牲阳极的阴极保护技术来保护舱室，又在船艏到船艉的不同区域增加外加电流防护来对船体进行防腐，这2种技术相结合的方法越来越被普遍采用。

图1 FPSO船体在海水中的电化学腐蚀反应过程及阴极保护作用的图解

中国海洋石油总公司于2014年建成并投用的海洋石油118FPSO就是采用牺牲阳极和外加电流相结合的方法对船体以及压载舱、货油舱等舱室的腐蚀进行防护。在压载舱、货油舱、污油舱、艏/艉间舱等舱室刷涂防腐底漆与安装锌块阳极相结合的方式进行防腐蚀，而对于船体的防护，则是在船艏、左右舷、船艉的4个不同区域安装了外加电流保护装置，以此达到船体防腐的目的。

3 海洋石油118FPSO应用

海洋石油118是一座15万t级的FPSO，船体以上部分为生产模块，对原油进行油气水处理，处理后的合格原油进入货油舱进行存储，等待外输；船体部分的舱室由12个压载舱、10个货油舱、2个污油舱、1个艏间舱、2个艉间舱组成。

对于海洋石油118舱室的防腐方式，首先刷涂防腐底漆，然后再根据相应的计算来推算出每个舱室的阳极数量，合理进行安装。其基本设计思路见表1。

表1 海洋石油118防腐蚀锌块设计参数

3.1 阳极材料的选择

优良的阳极材料应具有以下典型的特点。

1)有足够的负电位，且很稳定。

2)使用过程中，阳极极化小，电位及输出电流稳定。

3)阳极溶解均匀，腐蚀产物易脱落。

4)阳极自身腐蚀要小，电流效率要高，即实际电容量与理论电容量的比值要大。

5)腐蚀产物应无毒，不污染环境。

6)价格低廉，材料来源充足，加工容易。

锌合金具备上述特点并且阳极产生的腐蚀产物Al(OH)3在土壤中无法消散，使阳极钝化而失效，所以被广泛用于海洋环境中的金属构筑物的阴极保护系统中。海洋石油118FPSO的阴极保护系统就是采用的锌合金(以下称锌块)作为阳极。

3.2 阴极系统保护区域

海洋石油118FPSO的阴极保护系统的保护区域见表2。

针对于不同的保护区域所选择的阳极锌块的尺寸和重量不同。

3.3 阳极锌块设计

阳极锌块的尺寸，见图2，各舱锌块具体情况见表3。

图2 阳极锌块尺寸示意

m2

表3 海洋石油118锌块数量计算结果

3.4 阳极锌块的安装

通常，不论是FPSO的船体或压载舱、货油舱等舱室安装阳极锌块的方法有2种，其一是直接焊接在船壳上，其二是焊接螺栓，然后通过螺母固定在螺栓上，海洋石油118FPSO采用第2种方法。

4 结论

FPSO长期伫立于海洋中，其腐蚀是不可避免的，但其腐蚀的速度则是可以控制的。如果能够控制其腐蚀的速度为原来应该发生的腐蚀速度的1/10，则FPSO的寿命将延长为原来的10倍。

Application of Cathodic Protection System in FPSO Industry

YANG Shu-min, DONG Guang-he

(Overseas Operation Preparatory Team, CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

The corrosion mechanism of FPSO in offshore operations and the corresponding protective measures were investigated theoretically. The cathodic protection system for sacrificial anode in FPSO vessel protection was introduced. Taking the HYSY 118 FPSO as example, the design, type selection and calculation of the anticorrosive zinc block were discussed about.

FPSO; corrosion mechanism; cathodic protection technology; cathodic material; anticorrosive zinc block

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.019

2016-07-10

杨树敏(1972—)，男，学士，工程师

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0076-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:FPSO的建造、改造以及生产运营的管理

E-mail:yangshm@cnooc.com.cn