弃置海洋平台导管架牺牲阳极消耗过快的原因分析*

王 强，刘 瑾，王 凯，孙 亮，田 旺，刘 超

(1.中国石化胜利油田技术检测中心，山东 东营 257000;2.中国石化胜利油田检测评价有限公司，山东 东营 257000)

海洋平台由于受海水的侵蚀、水下微生物的附着以及海洋环境载荷的反复作用，其钢结构往往面临着点蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等各种腐蚀问题[1]。为缓解海洋平台的腐蚀，一般都增加了以锌阳极为主的阴极保护系统为其提供电化学保护[2-3]。某油田现有海上平台105座，陆地联合站3座，油气接转站2座，石油专用码头1座。由于海水腐蚀性强，为避免导管架发生严重腐蚀，采用牺牲阳极进行保护。

王琰等[4]在锌阳极的微观组织和腐蚀失效分析中，发现腐蚀产物与基体结合牢固、不导电是导致阳极无法发挥保护作用的直接原因。庞天照等[5]对船用设备牺牲阳极的失效原因进行了分析，结果表明牺牲阳极表面的非金属沉积物，主要为碱式氯化锌，造成了牺牲阳极表面绝缘，发生自腐蚀。

2020年对某油田弃置平台导管架进行腐蚀失效分析,发现导管架牺牲阳极块消耗过快。采用多种方法对弃置海洋平台牺牲阳极块进行失效分析，以确定牺牲阳极块消耗过快的原因，为导管架阴极保护设计及腐蚀治理提供依据[6]。

1 试 验

1.1 材料取样

为了确定弃置平台导管架牺牲阳极消耗过快的原因，由专业人员取出牺牲阳极，牺牲阳极共有三块样品，分别标号为样品1号、2号和3号(见图1)。

图1 取样牺牲阳极块示意

取样的牺牲阳极材料为铝-锌-铟合金，依据GB/T 4949—2018《铝-锌-铟系合金牺牲阳极化学分析方法》对未腐蚀部位进行了化学元素分析，结果见表1。经查对，表1中牺牲阳极成分符合GB/T 4948—2002 《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》对铝合金牺牲阳极成分的要求。

表1 取样牺牲阳极材料的化学成分

1.2 理化分析

对牺牲阳极外观进行检查，包括牺牲阳极表面腐蚀产物及海生物的附着情况、腐蚀形貌、腐蚀坑分布及深度、牺牲阳极支脚与基体结合情况、牺牲阳极外形，同时测量其尺寸变化等。采用扫描电子显微镜对牺牲阳极的微观腐蚀形貌进行观察，对腐蚀产物进行了分析，依据GB/T 16545—2015《金属和合金的腐蚀—腐蚀试样上腐蚀产物的清除》，去除牺牲阳极表面腐蚀产物，通过质量损失法测试牺牲阳极块的腐蚀程度，并计算腐蚀速率。

1.3 电化学性能测试

依据GB/T 17848—1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》中的常规试验法对牺牲阳极进行电化学性能测试。测试选取饱和甘汞电极作为参比电极，选择铂电极为辅助电极和Gamry公司生产的电化学工作站。在模拟海水(3.5%NaCl溶液)中对牺牲阳极腐蚀产物去除前后的开路电位、牺牲阳极体与铁脚之间的接触电阻进行检测与对比，从而获得牺牲阳极的电化学性能，并研究腐蚀产物对牺牲阳极的开路电位以及接触电阻的影响。

2 结果与讨论

2.1 牺牲阳极腐蚀失效分析

2.1.1 腐蚀概况

图1显示阳极块表面主要为凹凸不平的疏松层和致密层腐蚀产物。失效阳极表面的腐蚀产物与基体结合牢固，同时腐蚀产物造成牺牲阳极的局部腐蚀。腐蚀产物阻断了牺牲阳极和被保护基体之间的电子回路，从而造成阳极无法继续溶解、导管架腐蚀。

此外，牺牲阳极表面还覆盖着一定数量的海生物，海生物辨别分析见图2。由图2辨别判断，附着有牡蛎、贻贝等大量海生物，其中90%附着海生物为牡蛎。这些生物污损在金属表面形成厚的屏蔽层，形成氧浓差电池，从而造成局部腐蚀[7-8]。另外，具有腐蚀性的海生物代谢分泌物也会加速牺牲阳极的腐蚀[9-10]。

图2 牺牲阳极表面附着海生物

2.1.2 腐蚀形貌及腐蚀产物分析

溶解形貌是牺牲阳极的重要指标。牺牲阳极溶解越均匀，表面腐蚀产物沉积越少，牺牲阳极性能越好，电流效率越高。牺牲阳极的局部腐蚀形貌见图3。由图3可以看出，牺牲阳极发生了严重的局部腐蚀，部分区域可以观察到较深的腐蚀坑。对牺牲阳极的点蚀坑进行了观察和测量。牺牲阳极点蚀坑分布广泛，但深度不均，分布在支脚附近的点蚀坑深度较大，点蚀坑深度为13～52 mm，测量结果见表2。由表2可以说明牺牲阳极块发生了显著的局部腐蚀。

图3 点蚀坑形貌

表2 点蚀坑深度测试结果

牺牲阳极微观截面腐蚀形貌见图4。牺牲阳极在工作过程中发生溶解，部分腐蚀产物为碎片状，说明牺牲阳极出现了铝合金颗粒机械脱落，微观腐蚀坑纵深发展严重。进一步分析发现腐蚀产物中有发亮的银色颗粒，说明有未溶解的铝合金脱落。

图4 牺牲阳极局部微观截面腐蚀形貌

对未腐蚀的牺牲阳极以及三个牺牲阳极试样上的腐蚀产物分别进行XRD分析，XRD图谱见图5。

图5 牺牲阳极材质及腐蚀产物XRD图

由图5可知，牺牲阳极发生腐蚀前，主要由Al-Zn固溶体相组成，而腐蚀产物主要为氧化铝。

2.1.3 腐蚀速率

去除腐蚀产物及海生物后，对牺牲阳极块测量尺寸和称质量(见表3)。3个牺牲阳极样品外形大致均为梯形，因为腐蚀造成的损耗不同，最终样品的尺寸及质量有差异。利用质量损失法计算在役牺牲阳极块的腐蚀速率。

表3 牺牲阳极块尺寸测量结果

式中:v-为金属的腐蚀速率，g/h；m0为腐蚀前试件的质量(本文中取样的牺牲阳极块初始质量为80 kg/块)，g；m1为经过一定时间的腐蚀、并除去表面腐蚀产物后试件的质量，g；t为试件腐蚀的时间(本文中取样的牺牲阳极块已经使用15 a)，h。测量结果见表4。由表4可知3块牺牲阳极的腐蚀速率相差较大，其中1号样品的腐蚀速率最大，在工作15 a后，1号样品已经消耗50%左右，其他样品消耗略少。

表4 牺牲阳极块去除腐蚀产物前后情况

2.2 牺牲阳极电化学性能测试

2.2.1 开路电位

利用电化学分析仪测得牺牲阳极去除腐蚀产物前后的开路电位，测试结果见图6和表5。由表5看出，去除腐蚀产物后牺牲阳极块的开路电位相较于去除腐蚀产物前的开路电位更负。这说明随着金属Al的溶解过程，开路电位增大，也就是说腐蚀产物会使牺牲阳极块的开路电位变大，不利于对阴极的保护。另外，根据GB/T 4948—2002 《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》规定，牺牲阳极的开路电位应该在-1.18～-1.10 V，故而从图表中可以看到牺牲阳极块在海水中工作15 a后，已经不能满足电化学性能要求。

图6 牺牲阳极在海水中的开路电位

表5 去除腐蚀产物前后阳极开路电位

2.2.2 接触电阻

牺牲阳极块支脚处的形貌见图7。由图7可以看到阳极支脚和基体的结合情况良好，不存在脱离现象。牺牲阳极支脚与阳极块仍保持良好的电接触。根据国家标准GB/T 17848—1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》对牺牲阳极去除腐蚀产物前后的牺牲阳极体与支脚之间的接触电阻进行测试，测试结果见表6。由表6可以看出接触电阻的大小受腐蚀产物的影响较小。

图7 阳极支脚和基体的结合

表6 去除腐蚀产物前后阳极接触电阻

3 结 论

(1)某油田海洋采油厂弃置平台导管架牺牲阳极腐蚀消耗过快，腐蚀速率为0.184～0.299 g/h，消耗率为16.69%～49.19%。

(2)牺牲阳极表面覆盖大量腐蚀产物和海生物，导致牺牲阳极表面电阻升高，保护效果下降。牺牲阳极发生了明显的局部腐蚀，点蚀坑分布广泛且深度不均匀，支脚附近点蚀坑深度较大，深度为13～52 mm。微观腐蚀形貌观察发现,牺牲阳极部分区域发生了铝合金晶粒脱落的现象。说明局部腐蚀是导致牺牲阳极消耗较快的主要原因。

(3)牺牲阳极去除腐蚀产物前后的开路电位有一定差别，说明腐蚀产物对开路电位有影响。牺牲阳极工作15 a后的开路电位为-1.051～-1.058 V，已不满足国家标准的要求。

(4)牺牲阳极的支脚与阳极块基体电接触良好，腐蚀产物是否去除对牺牲阳极的接触电阻的影响较小。