隨著全球能源消耗需求的增長和科技進(jìn)步的發(fā)展，油氣開發(fā)得以勘探開發(fā)來尋求新的資源是全世界能源公司面臨的主要任務(wù)。目前，海洋油氣勘探已從淺海擴(kuò)大到中深海域的探索與開發(fā)。而深海領(lǐng)域的油氣開發(fā)也正在成為世界能源工業(yè)的主要增長點和科技創(chuàng)新的前沿。在現(xiàn)有的油氣勘探中，南海是我國油氣開發(fā)的重點領(lǐng)域，油氣儲量約300億t，占我國油氣總資源量的三分之一，其中70%儲量蘊(yùn)藏于深海及超深海區(qū)域。我國海洋油氣開發(fā)經(jīng)過30多年的努力，取得了巨大的發(fā)展，在深海領(lǐng)域也取得了豐碩成果。陰極保護(hù)是保障深海設(shè)施安全運營的必要手段。本文對深海陰極保護(hù)進(jìn)行探討，總結(jié)出深海腐蝕環(huán)境的特點，并研究了深海陰極保護(hù)的優(yōu)化方案。

一、深海環(huán)境腐蝕影響因素

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)水深＞500 m后，海水的物理性質(zhì)（溶解氧、溫度、壓力、鹽度、pH 值、海流和鈣鎂沉積層等）會明顯區(qū)別于淺層海水，由于這個海洋物理躍層的存在，直接影響到犧牲陽極在深水環(huán)境中的陰極保護(hù)性能。

（1）溶解氧。海水溶氧量范圍一般為0~9 mL/L，溶解氧的含量會直接影響金屬材料的腐蝕溶解行為。研究表明，腐蝕速度隨著氧氣的溶解度的降低而降低。

（2） 溫度。溫度隨環(huán)境的變化較大，不僅會直接影響到材料的腐蝕行為，對其他影響腐蝕的因素也有一定的作用，例如溫度對腐蝕速率快慢的影響。深水環(huán)境中海水的溫度會降低，這會影響鈣質(zhì)沉積層的形成速度和密度。

（3）壓力。隨著靜水壓力的增加，腐蝕速率增大。深海環(huán)境中CO2/HS2分壓是影響腐蝕速率的重要因素。

（4） 含鹽量。一般來說深層海水鹽度變化范圍較小，一般為3.4%~3.5%,所以對于腐蝕速率的影響來說其變化可以忽略。

（5） pH值。實驗表明，隨著pH值的增加，金屬的腐蝕曲線呈現(xiàn)下降的趨勢。海水呈弱堿性，深海區(qū)的堿性越弱，鋁鎂合金點蝕及縫隙腐蝕趨勢增加。

（6） 鈣鎂沉積層。它具有保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性能，增強(qiáng)陰極保護(hù)效果。但是隨著對深水的探索，鈣鎂沉積層較難形成。

二、陰極保護(hù)技術(shù)要求

海洋環(huán)境的復(fù)雜多樣性，使得陰極保護(hù)技術(shù)要求也是多樣性的。特別在深海環(huán)境的探索中，對于技術(shù)參數(shù)也在不斷變化。目前深海環(huán)境主要采用犧牲陽極保護(hù)技術(shù)，因此本文針對海洋工程深海環(huán)境犧牲陽極的技術(shù)要求進(jìn)行研究和探討。

2.1 保護(hù)電流密度

本次實驗采取人造海水，在室溫狀態(tài)下，模擬深海環(huán)境條件：低溫（4±1）℃和低氧含量（2±1）mg/L。采用恒電流進(jìn)行陰極極化，使得電流密度分別為400 mA/m2、100 mA/m2、50 mA/m2、40 mA/m2串聯(lián)進(jìn)行一周的實驗測試。并通過掃描電鏡SEM、X 射線能譜對得到的樣品層進(jìn)行顯微觀察、成分分析，研究垢層的晶體結(jié)構(gòu)，分析其致密情況。

圖 1 樣品的掃描電鏡照片

圖 2 樣品的 XRD 圖譜

結(jié)果表明，低溫、低氧環(huán)境條件下，垢層的形成比較困難，大電流密度下才可以形成比較致密的垢層，存在明顯的底層和表面顆粒物的分布；較低電流密度下，垢層稀疏，里面混雜著鐵銹。在深海環(huán)境中，溫度低、壓力大、氧含量低等因素使得很難在被保護(hù)對象表面形成鈣鎂沉積層（碳酸鈣溶解度較大，500 m 深海條件下碳酸鈣溶解度為表層海水的5倍），所以在深海環(huán)境下，所需陰極保護(hù)電流密度也較淺海領(lǐng)域更大。

隨著水深的增加，海水的流速以及溫度也隨之變化，從而對氧氣的擴(kuò)散能力產(chǎn)生影響，因而造成淺水區(qū)和深水區(qū)存在很大溫度及海上流動狀態(tài)的不同。另外，對于接近表面的50~100 m左右的范圍內(nèi)，初始保護(hù)電流密度要求非常高，隨著深度的增加，保護(hù)電流密度趨向于減少。深度達(dá)到300 m以上時，所需陰極保護(hù)電流密度開始逐漸增大。研究表明，在水深3000 m，海水流速增加至10 m/s時，若要使得鋼材得到有效的保護(hù)，其陰極保護(hù)電位達(dá)到-850 mV 時，陰極保護(hù)電流密度則需要250 mA/m2 。

2.2 保護(hù)電位

良好的陰極保護(hù)不僅需要運行穩(wěn)定且運行時間要保證在鋼材的壽命周期內(nèi)，這就必須將被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)極化到表面上最活潑的陽極點的平衡電位，與此同時還需要其電位長期保持穩(wěn)定。采用犧牲陽極保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施，在淺海水中空氣流通較好時保護(hù)電位控制在 -800 mV（Ag/AgCl/海水），在空氣流通不好的海水及海泥環(huán)境中，保護(hù)電位控制在 -900 mV（Ag/AgCl/海水）。該原則同樣適用于深水，因此，深海陰極保護(hù)電位控制在-900 mV（Ag/AgCl/海水）。但是，當(dāng)保護(hù)電位＞ -900 mV時，部分敏感材料存在應(yīng)力條件下的脆化和裂紋擴(kuò)展的風(fēng)險，因此，在深海環(huán)境進(jìn)行陰極保護(hù)時需要充分評估被保護(hù)材料的安全性，必要時采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和預(yù)防措施。

2.3 犧牲陽極性能

在預(yù)防金屬的腐蝕性能中，犧牲陽極法由于安裝方便、維護(hù)簡單、壽命長效等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于海洋工程的陰極保護(hù)中。其中應(yīng)用的陽極成分根據(jù)所在海域的條件可以采用不同的合金成分。挪威標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-RP-B401——2017中推薦的鋁基犧牲陽極的陽極成分表見表1。

表 1 鋁合金陽極成分

圖3為不同溫度狀態(tài)下鋁基犧牲陽極的溶解情況，可以看到在低溫情況下，4℃時腐蝕產(chǎn)物脫落，溶解形貌較好。在8℃時腐蝕產(chǎn)物脫落，溶解形貌較好，和4℃時沒有明顯差異。而在20℃時腐蝕產(chǎn)物附著在陽極的表面，造成局部溶解不均勻。總體來看，陽極在低溫時溶解形貌較好，溶解狀況要好于常溫。

圖 3 不同溫度下鋁基陽極溶解形貌

2.4 設(shè)備電連續(xù)性

深海水下設(shè)備設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常由許多不同的材料構(gòu)成，這些材料大多不耐海水腐蝕，其完整性依賴于陰極保護(hù)。若不同金屬材料間沒有電連續(xù)性，陰極保護(hù)電流就不能到達(dá)被保護(hù)金屬的表面，起不到良好的陰極保護(hù)效果。

在采油系統(tǒng)的應(yīng)用中，如圖4所示，為了保證結(jié)構(gòu)件防腐性能良好，在陰極保護(hù)中就需要使所有的結(jié)構(gòu)件都能得到足夠的保護(hù)電流，保證這些結(jié)構(gòu)的電氣連接良好。針對不同部位材料之間可用鋼筋或電纜進(jìn)行電連接，螺栓處可采用齒形墊圈，確保所有被陰極保護(hù)的金屬部件之間電阻值＜0.1 Ω。而且非焊接接頭部位一般不能保證其電連續(xù)性。在設(shè)備下水前，也要檢查確認(rèn)被保護(hù)系統(tǒng)所有部件之間的電連續(xù)性能。

圖 4 水下采油系統(tǒng)

三、結(jié)語

隨著對能源的開發(fā)以及技術(shù)的發(fā)展，深海工程逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，從水深500~1500 m海域邁向更深的海域。而深海環(huán)境對材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和長效可靠性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地和淺海。任何可能的材料腐蝕破壞在深海環(huán)境中都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故，并且維修和維護(hù)費用極其昂貴。深海環(huán)境下海水的溶解氧、溫度、壓力等明顯區(qū)別于淺層海水，直接影響到犧牲陽極在深水環(huán)境中的陰極保護(hù)性能，因此同樣的保護(hù)面積需要更多數(shù)量的犧牲陽極。同時，為適應(yīng)深海環(huán)境的特殊條件，需要嚴(yán)格控制深海陽極中鋅和鐵的含量，保證陽極的溶解性能，保證深海設(shè)施的整體電連續(xù)性，才能保障深海環(huán)境中設(shè)備設(shè)施的安全運營。

四、夢能服務(wù)與支持

1、免費樣品

如果您對我公司的工業(yè)重防腐油漆產(chǎn)品有需要或者申請樣品試用，請與我們的客服人員取得聯(lián)系。400-878-0506

油漆樣品適用范圍：

用于新建項目：驗證油漆配套的可行性、檢驗附著力、效果圖與實際顏色的色差。

用于維修項目：驗證與舊涂層的兼容性。

用于日常修補(bǔ)：提供少量樣品用于修補(bǔ)破損處。

申請用量：在1KG以內(nèi)免費送貨上門。

2、免費打樣

如果您想看到工業(yè)重防腐油漆在產(chǎn)品上的實際應(yīng)用、外觀、性能測試，請與我們客服人員聯(lián)系，將樣板寄往夢能科技營銷部，由專業(yè)噴涂人員為樣板提供油漆打樣。

3、服務(wù)團(tuán)隊

夢能對技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊始終進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化管理，從專業(yè)培訓(xùn)到日常報告的管理都有一整套完善的體系。夢能公司每年都會對技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行定期的技術(shù)培訓(xùn)和能力審計，以使每一位技術(shù)服務(wù)人員保持高水準(zhǔn)的專業(yè)素質(zhì)，每一位技術(shù)服務(wù)人員都配備先進(jìn)的涂裝檢驗儀器，儀器設(shè)備均按規(guī)定的時間期限進(jìn)行定期校驗，以保證每套儀器設(shè)備工作狀況良好。

4、購買通道

零售：購買50kg以內(nèi)，線上購買，抖店直接下單購買。

工廠業(yè)務(wù)：長期合作、量大從優(yōu)、生產(chǎn)調(diào)試、質(zhì)量檢測、開具13%專用發(fā)票

貿(mào)易、代理：提供代工業(yè)務(wù)支持，項目保護(hù)。

業(yè)主、總包、設(shè)計院：提供防腐方案設(shè)計、性能檢測、施工方案、現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)。

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