滩海油田人工岛水-土-气腐蚀环境的多方位分析与评价

　　摘要：为解决滩海油田人工岛生产设施的腐蚀问题，从海水、土壤及大气三个角度对冀东油田人工岛的腐蚀环境进行了多方位分析。结果表明：人工岛周围环境具有海水电导率高、土壤腐蚀性局部较强、大气腐蚀环境等级为C4高级别的特点。基于这种特点，建议综合考虑滩海区域腐蚀环境中水质、土壤和大气三种因素的影响，提高防腐蚀方案设计所依据的环境等级，从而减缓钢质生产设施的腐蚀速率，推动滩海区域海洋资源的高效开发。

　　关键词：滩海油田;人工岛;海水腐蚀;土壤腐蚀;大气腐蚀;腐蚀环境分级

　　冀东油田位于河北省唐山市境内的渤海湾滩海区域，现有NP1-1号、NP1-2号、NP1-3号、NP4-1号和NP4-2号五座人工岛。人工岛上管线、储罐、采油平台等数量众多且结构多样，2017年对在役滩海油气生产设施状态巡查时发现，岛上大量金属结构普遍发生明显的腐蚀。从腐蚀角度看，海洋环境通常包括海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海底泥土区五个区带，各区带腐蚀特性不同[1]。

　　按传统腐蚀环境分区，冀东油田人工岛所处滩海区域几乎覆盖了海洋腐蚀环境的所有分区，腐蚀环境苛刻。处于滩海区域的人工岛的腐蚀环境有其特殊性：一方面土壤理化性质差别大，上土层以含淤泥、砂粒的素填土和吹填海砂为主，土质松散且偏湿;另一方面土层中广泛分布Cl-Na型咸水。两方面因素的存在，增加了滩海区域人工岛腐蚀环境的复杂性。因此，有必要系统研究并综合分析滩海区域人工岛的腐蚀环境特点，从而为推动滩海区域海洋资源开发和利用提供良好的参考经验。

　　1测试方法及仪器设备

　　1.1人工岛海水腐蚀性测试

　　海水对钢结构腐蚀有关的物理化学性质主要有盐度、氯度、电导率、pH值、溶解氧含量、温度、流速及海生物组成等。采用Thermo-Orion水质多参数测量仪测试人工岛周围海水的pH值、电导率、溶解氧含量，采用氧化还原测定仪测量海水氧化还原电位及温度。

　　1.2人工岛土壤腐蚀性测试

　　土壤电阻率是反映土壤腐蚀性的重要因素之一，其受土壤固有性质、土壤含水量、含盐量、pH值、质地、松紧度等的综合影响。采用便携式pH测试计测量土壤pH值。采用Wenner四极等距法测定人工岛土壤电阻率[2]。被测区土壤电阻率由以下公式计算得出ρ=2πaR(1)式中：ρ为被测区土壤电阻率，Ω·m;a为相邻两电极间距，本次测量a=5m;R为仪器示值，Ω。

　　1.3人工岛大气腐蚀性测试

　　大气氯离子沉降速率是反映滩海油田人工岛盐雾腐蚀性的重要环境因素。采用湿烛法[3]测量滩海区域的大气中氯离子沉降速率Sd,c，具体按以下公式计算Sd,c=m1-m0A∙t(2)式中：m1和m0分别为取样溶液和空白溶液中Cl-的质量，mg;A为暴露纱布的表面积，m2;t为暴晒时间，d。根据NP1-1、NP1-3和NP4-1人工岛的距海距离(与海水最高潮岸线的水平距离)，分别设置大气中氯化物采集装置，并在距离最近的油田内陆作业区设置对比试验装置。分别在2018年8—9月和10—11月进行现场取样，取样完毕后进行检测分析，计算氯离子沉降速率。

　　2结果与讨论

　　2.1人工岛代表性钢结构腐蚀情况

　　人工岛登陆点的钢质靠船构件多处于浪溅区，通常该区域的腐蚀最为严重。登陆点钢质靠船构件存在严重腐蚀现象，表面涂层完全破损脱落，出现大面积的蚀坑，局部位置钢板发生剥层脱落，腐蚀厚度在3mm以上。采用SEM和EDS对钢质构件的腐蚀形貌和腐蚀产物进行分析。对于钢基体，其表面表现疏松、片状粗糙特征，EDS分析表明，Fe和O元素质量分数分别为59%和34%，说明钢基体表面存在大量的Fe的氧化物。对于表面涂层，其与基体的接触面上出现大量微裂纹，EDS分析表明，Fe和O元素质量分数分别为50%和37%，且出现一定量的Cl元素(质量分数约1%)，说明氯离子已经渗透贯穿整个涂层厚度，导致涂层与基体界面间发生明显腐蚀。

　　2.2海水水质分析

　　3座人工岛的海水电导率均在4×104μS/cm左右。王曰义等[4]研究发现，电导率在400~4000μS/cm之间存在临界电导率，超过该值时，金属在水中的腐蚀速率将随水的电导率的增加而增大，直到海水腐蚀速率出现最大值。冀东油田人工岛海水电导率均远超临界值，说明海水中电子与离子活度增加，因而腐蚀反应离子和电子的转移阻抗降低，会促进腐蚀反应的进行。溶解氧含量是影响海水腐蚀性的重要因素。

　　有研究表明[5]，质量分数为3%～3.5%的NaCl水溶液对钢铁的腐蚀最为严重，当盐质量分数高于3.5%时，氧的溶解度降低且扩散速度减小，腐蚀速率明显下降。对照ASTMD1125—2014《水的电导率和电阻率的标准测试方法》[6]发现，3座人工岛海水电导率介于0.1~1mol/L氯化钾参比溶液的电导率之间，相应换算成NaCl的质量分数包含了上述腐蚀速率较高的浓度区间。

　　3座人工岛海水溶解氧质量浓度均保持在7mg/L左右，未随海水电导率变化而出现明显降低，这说明人工岛周围海水与空气接触，加上波浪不断搅动，大量的氧可以溶入海水，以保证供氧充足。因此可以推断，人工岛海水中的溶解氧仍会使钢具有较高的腐蚀速率。水的氧化还原电位是由若干个氧化还原电对共同作用的结果，可综合反映海水体系的氧化能力。

　　因此，氧化还原电位必然通过与海水中金属腐蚀反应耦合而对其腐蚀过程产生影响[7]。钢在海水中的腐蚀受到阴极氧去极化控制，如式(3)和(4)所示。阳极反应：Fe-2e=Fe2+(3)阴极反应：2H2O+O2+4e=4OH-(4)通常，氧化还原电位与海水的含氧量和pH值相关，不过在开放性大洋海水中，pH值相对稳定在8左右，因而人工岛周围海水的氧化还原电位主要与海水的含氧量有关。

　　自NP1-1号人工岛至NP1-2号和NP4-1号人工岛，海水的溶解氧含量增加，相应的其氧化还原电位值也增大。当溶解氧含量增大时，氧的极限扩散电流密度增大，导致氧去极化速度增加。因此，在溶解氧含量增加的情况下，氧化还原电位值增加，将导致阴极反应速度增大，即加快腐蚀速度。

　　2.3土壤腐蚀性分析

　　根据相关规范[8]的规定，土壤的腐蚀性可以根据土壤电阻率大小进行分级。NP1-1号和NP1-2号人工岛的土壤电阻率总体上大于50Ω·m，仅NP1-1号人工岛生产区内局部区域的土壤电阻率小于50Ω·m，土壤腐蚀性总体中等偏弱;NP4-1号人工岛生产区内局部区域的土壤电阻率小于50Ω·m，土壤腐蚀性中等偏弱;NP4-2号人工岛生产区内部分区域的土壤电阻率为10.1Ω·m，属于土壤腐蚀性较强等级。不过，土壤电阻率不仅取决于土壤本身的固有性质，还受到土壤含水量、含盐量、pH值、质地、松紧度等性质的综合影响，其中含水量对电阻率的影响最大[2]。

　　现场测量区域的土壤均为压实土体，且处于干燥状态，因此不能完全反映人工岛土壤的本征电阻率，后续将结合降雨情况进行对比测量。另外，对选测区域的土壤pH值测定表明，人工岛土壤pH值均大于8，属于盐碱性土壤。综合来说，冀东油田人工岛土壤属于盐碱性，腐蚀性总体中等偏弱，但是局部仍具有较强腐蚀性。

　　2.4大气腐蚀性分析

　　3座人工岛的氯离子沉降速率均明显高于油田内陆作业区沉降速率[(约30mg/(m2·d)]，并且随距海距离的增加而有逐渐增加趋势，不过超过一定距离后氯离子沉降速率增加趋于平稳。这是由于在距海距离较大的海洋区域，氯离子沉降速率与大气温度和相对湿度的相关性增加，且海面风急浪高，受海水飞溅的影响程度大，而在油田内陆作业区，海水飞溅对氯离子沉降速率的影响减弱[9-10]。

　　此外，氯离子沉降速率在8—9月份明显高于10—11月份，根据油田记录的气象资料显示，冀东滩海油田每年最热月份为7、8月，平均最高气温为30℃，较高的环境温度会导致氯离子的运动速度加快，使得脱脂棉纱布可以收集更多的氯离子[11]。这也说明了氯离子沉降速率与大气温度存在正相关性。根据相关规范[12]，基于氯离子沉降速率数据可以对碳钢的腐蚀速率进行预测。在8—9月份，NP1-1、NP1-3和NP4-1号人工岛上碳钢腐蚀速率预测值在70μm/a左右，10—11月腐蚀速率有所降低，维持在64μm/a左右。对照ISO12944-2环境分类[13]，可以推算出滩海油田人工岛的大气腐蚀环境等级为C4高级别。

　　3结论与建议

　　浪溅区受到海水、盐雾、光照等腐蚀因素的综合影响，导致处于这类区域内的钢质构件的腐蚀成为一个共性问题。对于滩海区域人工岛，其生产设施所处腐蚀环境具有特殊性，除海水和大气外，人工岛土壤也表现出明显的腐蚀性。通过对人工岛所处环境的海水、大气和土壤的多方位分析，得到结论和相应建议如下：

　　(1)滩海油田人工岛处于海水腐蚀、土壤腐蚀和大气腐蚀综合作用环境，周围海水电导率较高且供氧充足，土壤腐蚀性总体中等偏弱且局部较强，大气腐蚀环境等级为C4高级别，整体腐蚀环境苛刻，易使钢结构表现出较高的腐蚀速率。

　　(2)土壤腐蚀性检测受土质、土壤状态、含水量、含盐量、杂散电流等多种因素的综合影响，建议对人工岛土壤的多项指标进行综合理化分析，结合国际规范确定土壤腐蚀性分级。

　　(3)滩海区域腐蚀环境分级需综合考虑海水、土壤和大气的影响，建议滩海区域防腐蚀方案设计所参考腐蚀环境等级增高一级，增大腐蚀防护裕量。

　　参考文献

　　[1]侯保荣.海洋腐蚀环境理论及其应用[M].北京：科学出版社，1999：4-12.HOUBaorong.Theoryandapplicationofmarinecorrosionenvironment[M].Beijing：SciencePress，1999：4-12.

　　[2]张秀莲，李季，余冬良.土壤对埋地管道腐蚀性的调查与分析[J].煤气与热力，2010，30(3)：38-42.ZHANGXiulian，LIJi，YUDongliang.Investigationandanalysisonsoilcorrosivityforburiedpipes[J].Gas&Heat，2010，30(3)：38-42.

　　环境方向论文投稿刊物：《煤气与热力》主要刊登城市燃气(管输天然气、压缩天然气、液化天然气、液化石油气、人工煤气等)和热力(热源、热网、热用户等)方面的政策法规、技术性论文、工程实例、生产总结、设计研究、专题综述、经营管理经验、技术简讯等。《煤气与热力》读者对象：全国各地燃气公司、热力公司、设计单位、咨询公司、施工监理公司、设备厂家、科研单位的工程技术人员和管理人员，工程公司、总承包公司的设备采购人员，大专院校的师生，政府管理部门的工作人员。