海底管线防腐涂层的设计与分析

海底管线防腐涂层的设计与分析

1海底管线的防蚀海底管道是海洋结构的重要组成部分。大部分都浸没在海泥中，一些部分浸没在海水中，受到海泥和大海的强烈侵蚀。鉴于对海底管线的长服役寿命要求,相应地对它的防蚀要求也相当高,目前,已有很多国外标准明确规定了海底管线的防蚀要求。随着我国海上石油工业的发展,我国的海底管线数量会愈来愈多,必须对这些管线采取高度可靠的防蚀措施以确保安全生产和避免环境污染。海底管线通常应采用涂层和阴极保护联合保护的方法,本文就该领域国内外现状作一回顾,旨在对海底管线的腐蚀保护工程能够起到一定的参考作用。2腐蚀介质的腐蚀介质的研究海底管线的腐蚀环境主要为海泥,它是一种多相的、成分复杂的腐蚀介质。不同海区的海泥,其腐蚀性的差别也较大,因此应根据海泥的腐蚀特征来设计管线防蚀系统。2.1阴极保护的指标该调查主要包括调查海泥类型(色质及形成类型)、pH值、氧化还原电位、硫电位(一般硫电位愈负,腐蚀性愈强)、SRB(数量愈多,腐蚀性愈强),一般含SRB海泥对碳钢的腐蚀率为不含SRB的五倍以上,在含有SRB的海泥中,阴极保护电位至少应达到-0.95V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极)、电阻率(表征着海泥的腐蚀性,同时也是阴极保护设计的基础数据)等。2.2覆层保护状况测定或查阅过去已有结构在该区域海泥中的腐蚀形态及腐蚀速率和保护方案、保护运行情况(包括覆盖层状况和阴极保护状况)将有助于制定合理、经济的新的保护方案。调查包括:结构的腐蚀情况;配重层材料及设计资料;涂覆层的种类、配套体系、厚度及目前的表面电阻及破损情况;采用的阴极保护的类型(牺牲阳极或外加电流)、系统材料、设备、原始设计资料、运行检测记录及水下探摸情况。3适用于海床上管道的填充层3.1阴极保护设计的部位、方法、管道设计涂层时,应考虑腐蚀环境(海泥区、海水浸没区、飞溅区及大气区)、管线的安装施工方法、水深、管线工作及周围温度、使用寿命、地理位置、管径大小、搬运和储存、成本费用、阴极保护设计和采用的类型等。3.2强力强、耐冲击能力强该外涂层应易于施工、修复,有良好的附着力,适应所暴露的环境,在搬运、储存和使用过程中不易损坏,具有一定的韧性,耐阴极剥离,使用过程中保持足够大的表面电阻,在工作温度下不易老化,具有一定的抗冲击能力,不易变脆,比重大于海水,耐安装应力,与配重配套性好等。对于处于海水、飞溅区和大气区的管段还要根据所处环境考虑对涂层的特殊要求。3.3海底管线的涂层设计目前用于海底管线的涂层有环氧煤焦油瓷漆、沥青类保护涂层、蜡类保护涂层、预膜制造的涂层(如喷塑、胶带、聚烯涂层)、有机漆膜涂层(如熔合环氧涂层)等。对所施加的涂层,在施工、管线安装过程中要进行必要的现场及实验室检验,此项工作应列入涂层实施计划当中。大多数有温度操作的海底管线均采用双壁管,其结构包括双壁管外管、外涂层、屏障涂层和配重层(见图1)。最近,胜利油田设计院研制了单壁管管线,其结构包括单壁管、外涂层、保温层、塑料夹层和配重层(见图2)。这种单壁管可节省大量的建造资金,但对其防蚀要求要远远高于双壁管。首先要求外涂层在高温下具有长期稳定的性能;其次要求保温层为封闭结构(封孔态),要做到这一点需要严格的工艺和参数;第三要求配重层具有更大的比重;第四对补口的要求更加严格。据报导,也可采用热喷涂铝对海底管线实施保护。试验表明:76μm的热喷涂铝、254μm的封闭涂层可维持25年的使用寿命。这主要得益于该涂层体系具有隔离腐蚀介质和提供阴极保护电流的双重功能,该涂层体系仍需配以阴极保护作为补充防蚀措施。4阴道保护海底管线的阴极保护可以采用牺牲阳极方式,也可以采用强制电流方式。但从可靠性和管理方便的角度来看,以牺牲阳极保护居多。4.1通过跨接口来保证其与平台结构直接进入较对于要保护的海底管线,要求其必须具有电连续性,必须用足够截面积的跨接电缆进行连接,如在绝缘接头两端的跨接和与平行管线的跨接,以便使整个被保护体成为电性联接的一体,同时也减小电干扰。这种跨接可以采用焊接,也可采用机械联接,但要保证电性联接良好且联接部位与管线具有相同等级的防蚀覆盖层。海底管线一般应与平台结构进行电绝缘,以防电流旁流。另外,在靠近平台结构的管线处应适当加大阴极保护电流以防来自平台结构保护系统的干扰。在某些情况下(如海底管线保护的后期),为了补充海底管线的保护不足,往往将海底管线与平台结构短接,使平台结构的部分阴极保护电流流入海底管线,起到保护作用,这样可以延长海底管线阴极保护有效作用时间。4.2银极保护设计基础4.2.1银极保护区位海底管线钢的阴极保护电位见表1。4.2.2保护电流密度不同表面涂层的保护电流密度见表2。4.3牺牲阴阳失衡的保护4.3.1海泥电化学性能评价牺牲阳极材料的关键是要控制其杂质成分,对于海底管线的保护,应采用铝合金或锌合金牺牲阳极。常用牺牲阳极的成分可参见国标或有关单位的企标。牺牲阳极的电化学性能依不同区域的海泥(海底沉积物)而有较大变化,因此在设计之前,需针对埋置管线外的海泥进行牺牲阳极的电化学性能评价。表3给出了几种海泥中的牺牲阳极性能。4.3.2嘴唇死导剂的固定海底管线牺牲阳极基本采用二种方式。当环境温度较低时,采用镯状牺牲阳极固定于管线上;当环境温度较高时,为了避免牺牲阳极过快消耗,常采用阳极床。4.3.3接水电阻的计算牺牲阳极数量可由牺牲阳极发生电流和管线所需总电流计算。牺牲阳极发生电流的计算可由驱动电位与接水电阻计算而得,对于镯状牺牲阳极,接水电阻可由下式计算:式中A——阳极工作面积。F.T.Su等人基于腐蚀电化学理论、15%涂层破损率,计算出阴阳极最佳面积比为266∶1,若采用Φ500×4管线,阳极间距为78.4m。4.3.4阳极净质量—牺牲阳极寿命按下式计算阳极寿命:式中L——阳极有效寿命;W——阳极净质量;u——阳极利用系数,取0.75～0.80;E——阳极消耗率;Im——有效寿命期内,阳极平均发生电流。4.3.5海底管线的焊接安装前,镯状阳极内表面应涂覆环氧类等性能较好的防蚀涂层。安装时,阳极应与管线紧密配合,不应留有空隙。阳极铁芯禁止与配重层中的加强筋结构有电性联接。阳极与管线的焊接处应具有足够的强度和良好的电性联接,并在焊接所影响的范围内涂以与管道相同级别的防蚀涂层。近年来,人们正在研究和发展海底管线牺牲阳极阴极保护的数值计算模拟,尤其是边界元方法,它可以将海底管线简化分割成管单元而大大减小了计算量。这些方法的应用可以更为准确地进行阴极保护的计算设计、电位分布和寿命预测,但仍存在的问题是要获得准确的海底管线,牺牲阳极的实际极化行为及其依时间的变化相当困难。4.4流阴极保护系统海底管线在建造初期一般不推荐使用强制电流系统,但当管线有一端伸出陆上或牺牲阳极系统寿命未满足要求且电源可方便获得时,可以考虑采用强制电流阴极保护。在这种情况下,要充分考虑阳极的分布与位置,以使管线得到最均匀的电流分布。强制电流阴极保护系统包括恒电位仪、阳极床,控制用参比电极等。恒电位仪可以是可控硅、磁饱和或开关电源式的,要求其耐海上环境(CB3320),波纹系数≤10%。为方便期间,某些情况下可以采用整流器进行恒电流控制。外加电流阳极可以采用高硅烙铁、铂复合阳极、贵金属氧化物阳极等。在计算阳极寿命时,要采用其在相应介质中的消耗率。连接阳极的电缆接头要求有非常好的水密性、机械强度和耐腐蚀性。若阳极床位于岸上,应采用深井式;若位于海上,阳极床应固定于混凝土基础上或通过浮筒进行固定。阳极床应远离管线,使管线得到均匀保护电位分布。设置的控制用参比电极可以是多支的,以便具有较大的选择余量,其位置应靠近管线处。强制电流系统电缆应具有足够的强度、绝缘性和防水性,并进行必要的固定,以防潮汐或海浪冲击。5进行电位测量海底管线防蚀检测应包括:涂层损坏和牺牲阳极消耗情况;局部区域(腐蚀最严重区域)电位测量;电位分布测量;电流密度/电位梯度测量;强制电流系统的输出电流、输出电压、回路电阻、仪表精度、电缆联接情况、短路故障情况等。基于这些测量,可以掌握保护系统的运行情况,判断其保护的有效性,以及后期的剩余保护寿命的预测一般在海底管线建设完成后,牺牲阳极系统在一年内,外加电流系统在一月内应达到设计的保护电位范围内。根据前期的检测