海洋石油钻井机械设备腐蚀因素及防治技术

景宝强(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300459)

0 引言

在海洋石油开采工程大规模推进的背景下，对钻井机械设备防腐十分重要。受海洋石油特殊开采环境影响，钻井机械设备时刻遭受海水介质、潮湿空气的腐蚀，一旦防腐不到位，机械设备承载能力将下降，无法达到设计寿命内的运行安全要求。

1 海洋石油钻井机械设备防腐意义

1.1 延长机械设备使用寿命

海水侵蚀是影响海洋石油钻井机械设备使用寿命的主要因素之一。针对海洋石油特殊环境，设置科学、恰当的钻井机械设备腐蚀防控方案，可以降低海水侵蚀效应，延长海洋石油钻井机械设备使用寿命并增强其设计寿命期内的安全性能[1]。

1.2 确保海洋石油正常开采

近年来，随着国家对海洋石油资源深入开发，在基本海洋石油生产系统配置的基础上，人为加强海洋石油钻井机械设备腐蚀防范，可以避免钻井机械设备腐蚀穿孔或泄漏影响海洋石油正常开采，确保开采效益。

2 海洋石油钻井机械设备腐蚀因素

2.1 生物腐蚀

硫酸盐还原菌等海洋微生物是海洋石油钻井机械设备腐蚀的原因之一。在平均低潮线下0.5～1.0 m位置，因海水温度较高，溶解氧充足，以硫酸盐还原菌为代表的海洋微生物可以附着于钻井机械平台表面快速栖息、繁衍，直接破坏钻井机械设备防腐涂层、镀膜，引发局部腐蚀现象。部分硫酸盐还原菌可以在无氧条件下产生硫化物，不锈钢材质钻井机械设备则在缺氧环境下钝化，以闭塞电池存在，提升腐蚀电位，引发剧烈的腐蚀反应。

2.2 化学腐蚀

化学腐蚀是海洋石油钻井机械设备腐蚀的主要因素，特指海洋石油钻井机械设备与硫化物、环烷酸、氯化物发生化学反应而被氧化腐蚀的过程。特别是在高温高压环境下，海洋石油钻井机械设备与氯化物、环烷酸、硫化物的反应过程加快，相应的化学腐蚀影响也更加显著。其中硫化物包括硫化氢、多硫化物，多硫化物可附着在钻井机械设备表面，附着物在酸性环境内不稳定，可与海洋中水反应分解为强还原性硫化氢，进一步与钻井机械设备进行化学反应，导致钻井机械设备腐蚀问题。环烷酸是石油中有机酸，具有强腐蚀性、高黏度、弱酸性，可以在钻井期间与铁、锌、铅元素组成的机械设备元件发生反应，导致元件腐蚀；氯化物大量存在于海水、海泥中，可以在海洋石油开采期间与钻井机械接触引发严重腐蚀。

2.3 物理腐蚀

在海洋石油工程中，流体冲刷长期、大量存在。流体冲刷过程中，潮、流、波、浪均会对钻井机械设备构件产生低频次、往复冲击应力，直接破坏钻井机械设备表层保护膜。同时，潮差区潮汐、海上船舶行驶、海洋生物游动、海流运动、海风均会造成钻井机械设备表面干燥与湿润交替，加剧钻井机械设备腐蚀[2]。

除力学作用外，电化学腐蚀也大量存在于海洋石油钻井机械设备中。特别是在海水、海泥交界位置下方，二氧化氮等气体溶解于钻井机械设备表面水膜内，形成电解质溶液，钻井机械设备则作为阳极与作为阴极的杂质形成腐蚀电池，阳极氧化溶解，加剧去极化连续腐蚀。

3 海洋石油钻井机械设备腐蚀防治技术

3.1 优选机械设备主体材料

海洋环境盐浓度高、富含氧气与海洋微生物、宏生物，加之阳光照射、海浪冲击以及未脱水、脱二氧化碳、硫化氢的油气介质是典型的二氧化碳、硫化氢、氯离子共存环境，对接触的材料具有显著的腐蚀作用，腐蚀形态涉及应力腐蚀、点状腐蚀、均匀腐蚀、腐蚀疲劳、微生物腐蚀、硫化氢/二氧化碳腐蚀、腐蚀磨损等。因此，选择适宜的机械设备主体材料，可以从源头防控海洋石油钻井机械设备腐蚀问题。在海洋石油钻井机械设备主体材料选择时，技术人员应避免选择易与硫化物、环烷酸、氯化物等成分反应的铁质材料，而是优选不锈钢材料。根据不锈钢金属元素含量差异，耐腐蚀范围也具有一定差异，技术人员可以依据耐酸碱腐蚀范围广的要求，选择316ss 材料或其他类似材料[3]。316ss 材料是含钼不锈钢，总体性能优于310 不锈钢、304 不锈钢，高温条件下316ss 具有优良的抗氯化物侵蚀性能，硬度小于等于26，适用于海洋石油钻井阀门部件。对海洋石油钻井用阀杆材料，可以根据NACE ME0175 的要求，选择沉淀硬化型不锈钢——17-4PH。17-4PH 是马氏体不锈钢，易于经变动热处理工艺调整强度级别，并在马氏体相变中形成较佳的衰减性能、抗水滴性能，最终耐压强度可达1 100 ～1 300 MPa，对大气、稀释酸、盐环境具有良好抗腐蚀性，但不可用于温度超出300 ℃的高温环境。

海洋环境温度并非恒定，海水温度可随季节、纬度、深度的变化而变化，油气介质温度也随着石油开发、地质条件的变化而变化，北极地区海洋石油的油气介质温度接近-60 ℃，新开发海洋石油的油气介质温度超过100 ℃。基于此，应选择高温环境下耐热性、抗蠕变性、高温稳定性较佳以及低温环境下不易脆断的材料作为海洋石油钻井机械材料。比如，对新开发海洋石油钻井机械设备连接位置，技术人员可以选择聚四氟乙烯等耐腐蚀材料，达到有效防控钻井机械设备腐蚀的目的。聚四氟乙烯是一种人工合成高分子材料，具有极低的摩擦系数与耐高温、抗酸抗碱、抗各种有机溶剂特点。一般聚四氟乙烯熔点为327 ℃，热变形温度为55 ℃，热分解温度为415 ℃，无负荷最高使用温度为260 ℃，线膨系数(垂直于压力方向)为10.3×10-5/(20～60 ℃)，导热系数为0.256 W/(m·k)，摩擦系数(负荷2 MPa) 为0.11。同时，考虑到海洋石油钻井设备承受严苛服役条件(荷载条件、环境条件)，易造成材料加速破坏，因此，应根据要求严格设计海底石油钻井机械钢合金组分，落实低含碳量、低碳当量、低含硫量、低含磷量标准，控制屈曲强度与铸坯中心偏析、断口分离、层状撕裂，增强纵向拉伸性能与厚度方向均匀性、形变强化指数。比如，对深海石油钻井隔水管，可以选择API5LX80 钢管，其最大拉伸强度达到825 MPa，最大屈曲强度为705 MPa，延伸率超过21%，可以适应海洋石油钻井严苛服役条件。

3.2 牺牲阳极的阴极保护技术

海洋石油钻井环境较之近海工程更为复杂，对钻井机械设备腐蚀防治技术提出了更高的要求。依据GB 4948—85《牺牲阳极的化学成分及电化性能》、GJB156—86《港工设施牺牲阳极阴极保护设计和安装》的相关要求，技术人员可以将牺牲阳极的阴极保护技术应用到海洋工程石油钻井机械设备防腐中。海洋石油钻井机械设备牺牲阳极的阴极保护由牺牲阳极、参比电极、测试电缆、测试装置几个部分组成。其中牺牲阳极系统由铝合金(或锌合金、镁合金) 组成，铝合金电容量较大，价格低廉，安装费用、消耗量均较小，是海洋石油钻井机械设备牺牲阳极阴极保护优选材料。在牺牲阳极系统材料确定后，选择长条状、断面呈梯形的阳极，并注入镀锌铁脚。根据被保护机械设备表面大小，技术人员可以合理设置阳极数量，阳极在结构上分布要合理(阳极紧密毗邻焊接节点)、数量充足，从源头规避焊接点保护不足、焊缝热影响区腐蚀问题[4]。

在操作前，技术人员可以了解技术标准与安全须知。进而由专业潜水员水下目视检查并借助前期设计的测量绳在水下布线，水上人员则结合设计图纸，进行阳极精准标定。在标定牺牲阳极系统后，技术人员可以依据ST2.5 洁净度级别要求，清除海洋石油钻井机械设备表面油脂、铁锈氧化皮、污物、生长水生物。确定海洋石油钻井机械设备洁净度级别符合规范后，水上技术人员可以借助船上起重索具，沿着船上导向装置将已编号牺牲阳极放置在预先设定位置，水下焊接阳极。焊接完毕后，测量保护电位，不需额外增加直流电源，仅利用牺牲阳极材料电位长时间保持负电位的电化学性能。比如，石油钻井抽油杆、抽油管是海洋石油开采阶段重要机械设备，受原油采出水、硫酸盐还原菌、高温高压、硫化氢等多种腐蚀因素影响，腐蚀风险较大，一旦处置不合理，将导致抽油管断裂、泄漏问题，直接导致海洋石油停产。因此，技术人员可以将锌铝合金牺牲阳极块捆扎在抽油杆扶正短节位置，配套设置尼龙扶正器，解决抽油杆磨损问题。

3.3 表层涂装

在海洋石油工程中，常规机械设备海水腐蚀防范需要满足15 年使用寿命要求(设计使用寿命为17 年)，飞溅区域内防腐由机械设备首次维护时间确定，需要技术人员及时修补因外力破坏的区域，修补时间小于12 个月；水下区域内防腐需要严格控制机械设备使用期间紫外线、海水、高温腐蚀情况，且具备防外力破损(外力撞击等)措施。常见的海洋石油钻井机械设备防腐涂装方法为热浸镀锌、液体涂层、热喷涂铝、蒙乃尔耐蚀合金、氯丁橡胶涂层等，技术人员可以根据海洋石油钻井机械设备防腐需要，合理选择。

3.3.1 热浸镀锌

对海洋石油工程中复杂的钻井机械设备(大气环境下使用)，技术人员可以选择热浸镀锌方法，经过脱脂、水洗、除锈、助镀、烘干、热浸锌、水冷等工艺，完成镀锌操作。

3.3.2 液体涂层

液体涂层是多道涂刷经实验室多次试验验证的防腐涂料[5]。具体操作时，为防控外部破坏力，技术人员应选择厚膜涂料处理海洋石油工程水下钻井机械设备。首先，技术人员可以清理水下钻井机械设备表面。确定表面洁净度达标后，技术人员可以根据国家海水防腐相关标准要求，选择具有电化学保护(或屏蔽、缓蚀保护)作用的底漆，均匀涂覆2 遍及以上。

其次，技术人员可以根据海底环境恶劣特点，聚焦防碰撞与防腐要求，优选耐碱腐蚀、耐海水腐蚀、耐磨损与耐油性能佳的环氧树脂漆作为中间涂层，优选附着力佳、耐化学腐蚀性能佳且漆膜韧性良好的聚氨基甲酸酯漆做二维面漆，增加关键部位中间涂层、面漆涂覆遍数。同时，在面漆选择时，技术人员应优选易辨识的鲜艳颜色，如黄色，且面漆溶解性较差。

最后，在面漆涂覆完毕后，技术人员可以根据国家标准，进行表面处理，确保重点区域涂层表面通过可溶性盐检验、粗糙度验证。

3.3.3 热喷涂铝

对海洋石油工程中高温钻井机械设备，技术人员可以选择热喷涂铝防腐方法，封闭处理，涂覆特殊颜色，有效防腐。一般热喷涂热源为电弧，温度在5 000 ℃左右，产生热量致使金属丝熔化，熔化部分由压缩空气气流雾化并喷向钻井机械设备表面，形成涂层。在海洋环境中，喷涂材料不宜选择锌覆盖层，可以选择99%铝，也可以选择Zn-Al15、Al-Mg5 等铝合金，获得更加卓越的防护性能，延长钻井机械设备使用年限[6]。

3.3.4 蒙乃尔耐蚀合金

对于海洋石油工程飞溅区钻井机械设备，技术人员可以在1 mm 玻璃鳞片应用的基础上，选择强抗海水腐蚀、抗海生物附着性能的蒙乃尔合金，涂覆3 mm左右，达到飞溅区机械设备防腐目的。

3.3.5 氯丁橡胶涂层

对海洋石油工程立管飞溅区钻井机械设备，技术人员可以在400 μm 的 FBE 涂层防腐涂装的基础上，根据海上漂浮物机械冲击防控、海上船舶撞击防控要求，增设13～25 mm 氯丁橡胶涂层，避开现场节点，确保海洋石油工程立管飞溅区钻井机械设备腐蚀防范效果良好。

4 结语

综上所述，合理应用腐蚀防治技术，可以确保海洋石油钻井机械设备腐蚀速率下降，延长钻井机械设备使用寿命。因此，技术人员要充分利用全部以往海洋石油工程腐蚀防治经验数据，进一步研发、创新钻井机械设备腐蚀防治技术。根据海洋工程实际情况，合理应用牺牲阳极的阴极保护技术、涂装技术等，形成完备的保护层，确保钻井机械设备达到设计寿命内的安全运行要求。