摘要：為解決灘海油田人工島生產(chǎn)設(shè)施的腐蝕問題，從海水、土壤及大氣三個角度對冀東油田人工島的腐蝕環(huán)境進(jìn)行了多方位分析。結(jié)果表明：人工島周圍環(huán)境具有海水電導(dǎo)率高、土壤腐蝕性局部較強(qiáng)、大氣腐蝕環(huán)境等級為C4高級別的特點(diǎn)。基于這種特點(diǎn)，建議綜合考慮灘海區(qū)域腐蝕環(huán)境中水質(zhì)、土壤和大氣三種因素的影響，提高防腐蝕方案設(shè)計所依據(jù)的環(huán)境等級，從而減緩鋼質(zhì)生產(chǎn)設(shè)施的腐蝕速率，推動灘海區(qū)域海洋資源的高效開發(fā)。

　　關(guān)鍵詞：灘海油田;人工島;海水腐蝕;土壤腐蝕;大氣腐蝕;腐蝕環(huán)境分級

　　冀東油田位于河北省唐山市境內(nèi)的渤海灣灘海區(qū)域，現(xiàn)有NP1-1號、NP1-2號、NP1-3號、NP4-1號和NP4-2號五座人工島。人工島上管線、儲罐、采油平臺等數(shù)量眾多且結(jié)構(gòu)多樣，2017年對在役灘海油氣生產(chǎn)設(shè)施狀態(tài)巡查時發(fā)現(xiàn)，島上大量金屬結(jié)構(gòu)普遍發(fā)生明顯的腐蝕。從腐蝕角度看，海洋環(huán)境通常包括海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)五個區(qū)帶，各區(qū)帶腐蝕特性不同[1]。

　　按傳統(tǒng)腐蝕環(huán)境分區(qū)，冀東油田人工島所處灘海區(qū)域幾乎覆蓋了海洋腐蝕環(huán)境的所有分區(qū)，腐蝕環(huán)境苛刻。處于灘海區(qū)域的人工島的腐蝕環(huán)境有其特殊性：一方面土壤理化性質(zhì)差別大，上土層以含淤泥、砂粒的素填土和吹填海砂為主，土質(zhì)松散且偏濕;另一方面土層中廣泛分布Cl-Na型咸水。兩方面因素的存在，增加了灘海區(qū)域人工島腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性。因此，有必要系統(tǒng)研究并綜合分析灘海區(qū)域人工島的腐蝕環(huán)境特點(diǎn)，從而為推動灘海區(qū)域海洋資源開發(fā)和利用提供良好的參考經(jīng)驗(yàn)。

　　1測試方法及儀器設(shè)備

　　1.1人工島海水腐蝕性測試

　　海水對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)主要有鹽度、氯度、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧含量、溫度、流速及海生物組成等。采用Thermo-Orion水質(zhì)多參數(shù)測量儀測試人工島周圍海水的pH值、電導(dǎo)率、溶解氧含量，采用氧化還原測定儀測量海水氧化還原電位及溫度。

　　1.2人工島土壤腐蝕性測試

　　土壤電阻率是反映土壤腐蝕性的重要因素之一，其受土壤固有性質(zhì)、土壤含水量、含鹽量、pH值、質(zhì)地、松緊度等的綜合影響。采用便攜式pH測試計測量土壤pH值。采用Wenner四極等距法測定人工島土壤電阻率[2]。被測區(qū)土壤電阻率由以下公式計算得出ρ=2πaR(1)式中：ρ為被測區(qū)土壤電阻率，Ω·m;a為相鄰兩電極間距，本次測量a=5m;R為儀器示值，Ω。

　　1.3人工島大氣腐蝕性測試

　　大氣氯離子沉降速率是反映灘海油田人工島鹽霧腐蝕性的重要環(huán)境因素。采用濕燭法[3]測量灘海區(qū)域的大氣中氯離子沉降速率Sd,c，具體按以下公式計算Sd,c=m1-m0A∙t(2)式中：m1和m0分別為取樣溶液和空白溶液中Cl-的質(zhì)量，mg;A為暴露紗布的表面積，m2;t為暴曬時間，d。根據(jù)NP1-1、NP1-3和NP4-1人工島的距海距離(與海水最高潮岸線的水平距離)，分別設(shè)置大氣中氯化物采集裝置，并在距離最近的油田內(nèi)陸作業(yè)區(qū)設(shè)置對比試驗(yàn)裝置。分別在2018年8—9月和10—11月進(jìn)行現(xiàn)場取樣，取樣完畢后進(jìn)行檢測分析，計算氯離子沉降速率。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1人工島代表性鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況

　　人工島登陸點(diǎn)的鋼質(zhì)靠船構(gòu)件多處于浪濺區(qū)，通常該區(qū)域的腐蝕最為嚴(yán)重。登陸點(diǎn)鋼質(zhì)靠船構(gòu)件存在嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，表面涂層完全破損脫落，出現(xiàn)大面積的蝕坑，局部位置鋼板發(fā)生剝層脫落，腐蝕厚度在3mm以上。采用SEM和EDS對鋼質(zhì)構(gòu)件的腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。對于鋼基體，其表面表現(xiàn)疏松、片狀粗糙特征，EDS分析表明，F(xiàn)e和O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為59%和34%，說明鋼基體表面存在大量的Fe的氧化物。對于表面涂層，其與基體的接觸面上出現(xiàn)大量微裂紋，EDS分析表明，F(xiàn)e和O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%和37%，且出現(xiàn)一定量的Cl元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1%)，說明氯離子已經(jīng)滲透貫穿整個涂層厚度，導(dǎo)致涂層與基體界面間發(fā)生明顯腐蝕。

　　2.2海水水質(zhì)分析

　　3座人工島的海水電導(dǎo)率均在4×104μS/cm左右。王曰義等[4]研究發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率在400~4000μS/cm之間存在臨界電導(dǎo)率，超過該值時，金屬在水中的腐蝕速率將隨水的電導(dǎo)率的增加而增大，直到海水腐蝕速率出現(xiàn)最大值。冀東油田人工島海水電導(dǎo)率均遠(yuǎn)超臨界值，說明海水中電子與離子活度增加，因而腐蝕反應(yīng)離子和電子的轉(zhuǎn)移阻抗降低，會促進(jìn)腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。溶解氧含量是影響海水腐蝕性的重要因素。

　　有研究表明[5]，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～3.5%的NaCl水溶液對鋼鐵的腐蝕最為嚴(yán)重，當(dāng)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于3.5%時，氧的溶解度降低且擴(kuò)散速度減小，腐蝕速率明顯下降。對照ASTMD1125—2014《水的電導(dǎo)率和電阻率的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》[6]發(fā)現(xiàn)，3座人工島海水電導(dǎo)率介于0.1~1mol/L氯化鉀參比溶液的電導(dǎo)率之間，相應(yīng)換算成NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)包含了上述腐蝕速率較高的濃度區(qū)間。

　　3座人工島海水溶解氧質(zhì)量濃度均保持在7mg/L左右，未隨海水電導(dǎo)率變化而出現(xiàn)明顯降低，這說明人工島周圍海水與空氣接觸，加上波浪不斷攪動，大量的氧可以溶入海水，以保證供氧充足。因此可以推斷，人工島海水中的溶解氧仍會使鋼具有較高的腐蝕速率。水的氧化還原電位是由若干個氧化還原電對共同作用的結(jié)果，可綜合反映海水體系的氧化能力。

　　因此，氧化還原電位必然通過與海水中金屬腐蝕反應(yīng)耦合而對其腐蝕過程產(chǎn)生影響[7]。鋼在海水中的腐蝕受到陰極氧去極化控制，如式(3)和(4)所示。陽極反應(yīng)：Fe-2e=Fe2+(3)陰極反應(yīng)：2H2O+O2+4e=4OH-(4)通常，氧化還原電位與海水的含氧量和pH值相關(guān)，不過在開放性大洋海水中，pH值相對穩(wěn)定在8左右，因而人工島周圍海水的氧化還原電位主要與海水的含氧量有關(guān)。

　　自NP1-1號人工島至NP1-2號和NP4-1號人工島，海水的溶解氧含量增加，相應(yīng)的其氧化還原電位值也增大。當(dāng)溶解氧含量增大時，氧的極限擴(kuò)散電流密度增大，導(dǎo)致氧去極化速度增加。因此，在溶解氧含量增加的情況下，氧化還原電位值增加，將導(dǎo)致陰極反應(yīng)速度增大，即加快腐蝕速度。

　　2.3土壤腐蝕性分析

　　根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8]的規(guī)定，土壤的腐蝕性可以根據(jù)土壤電阻率大小進(jìn)行分級。NP1-1號和NP1-2號人工島的土壤電阻率總體上大于50Ω·m，僅NP1-1號人工島生產(chǎn)區(qū)內(nèi)局部區(qū)域的土壤電阻率小于50Ω·m，土壤腐蝕性總體中等偏弱;NP4-1號人工島生產(chǎn)區(qū)內(nèi)局部區(qū)域的土壤電阻率小于50Ω·m，土壤腐蝕性中等偏弱;NP4-2號人工島生產(chǎn)區(qū)內(nèi)部分區(qū)域的土壤電阻率為10.1Ω·m，屬于土壤腐蝕性較強(qiáng)等級。不過，土壤電阻率不僅取決于土壤本身的固有性質(zhì)，還受到土壤含水量、含鹽量、pH值、質(zhì)地、松緊度等性質(zhì)的綜合影響，其中含水量對電阻率的影響最大[2]。

　　現(xiàn)場測量區(qū)域的土壤均為壓實(shí)土體，且處于干燥狀態(tài)，因此不能完全反映人工島土壤的本征電阻率，后續(xù)將結(jié)合降雨情況進(jìn)行對比測量。另外，對選測區(qū)域的土壤pH值測定表明，人工島土壤pH值均大于8，屬于鹽堿性土壤。綜合來說，冀東油田人工島土壤屬于鹽堿性，腐蝕性總體中等偏弱，但是局部仍具有較強(qiáng)腐蝕性。

　　2.4大氣腐蝕性分析

　　3座人工島的氯離子沉降速率均明顯高于油田內(nèi)陸作業(yè)區(qū)沉降速率[(約30mg/(m2·d)]，并且隨距海距離的增加而有逐漸增加趨勢，不過超過一定距離后氯離子沉降速率增加趨于平穩(wěn)。這是由于在距海距離較大的海洋區(qū)域，氯離子沉降速率與大氣溫度和相對濕度的相關(guān)性增加，且海面風(fēng)急浪高，受海水飛濺的影響程度大，而在油田內(nèi)陸作業(yè)區(qū)，海水飛濺對氯離子沉降速率的影響減弱[9-10]。

　　此外，氯離子沉降速率在8—9月份明顯高于10—11月份，根據(jù)油田記錄的氣象資料顯示，冀東灘海油田每年最熱月份為7、8月，平均最高氣溫為30℃，較高的環(huán)境溫度會導(dǎo)致氯離子的運(yùn)動速度加快，使得脫脂棉紗布可以收集更多的氯離子[11]。這也說明了氯離子沉降速率與大氣溫度存在正相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[12]，基于氯離子沉降速率數(shù)據(jù)可以對碳鋼的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測。在8—9月份，NP1-1、NP1-3和NP4-1號人工島上碳鋼腐蝕速率預(yù)測值在70μm/a左右，10—11月腐蝕速率有所降低，維持在64μm/a左右。對照ISO12944-2環(huán)境分類[13]，可以推算出灘海油田人工島的大氣腐蝕環(huán)境等級為C4高級別。

　　3結(jié)論與建議

　　浪濺區(qū)受到海水、鹽霧、光照等腐蝕因素的綜合影響，導(dǎo)致處于這類區(qū)域內(nèi)的鋼質(zhì)構(gòu)件的腐蝕成為一個共性問題。對于灘海區(qū)域人工島，其生產(chǎn)設(shè)施所處腐蝕環(huán)境具有特殊性，除海水和大氣外，人工島土壤也表現(xiàn)出明顯的腐蝕性。通過對人工島所處環(huán)境的海水、大氣和土壤的多方位分析，得到結(jié)論和相應(yīng)建議如下：

　　(1)灘海油田人工島處于海水腐蝕、土壤腐蝕和大氣腐蝕綜合作用環(huán)境，周圍海水電導(dǎo)率較高且供氧充足，土壤腐蝕性總體中等偏弱且局部較強(qiáng)，大氣腐蝕環(huán)境等級為C4高級別，整體腐蝕環(huán)境苛刻，易使鋼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較高的腐蝕速率。

　　(2)土壤腐蝕性檢測受土質(zhì)、土壤狀態(tài)、含水量、含鹽量、雜散電流等多種因素的綜合影響，建議對人工島土壤的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合理化分析，結(jié)合國際規(guī)范確定土壤腐蝕性分級。

　　(3)灘海區(qū)域腐蝕環(huán)境分級需綜合考慮海水、土壤和大氣的影響，建議灘海區(qū)域防腐蝕方案設(shè)計所參考腐蝕環(huán)境等級增高一級，增大腐蝕防護(hù)裕量。

　　參考文獻(xiàn)

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