全球超過80%的海上油氣設(shè)施已經(jīng)超出了原設(shè)計壽命，進入高風(fēng)險的服役階段。這些設(shè)施長時間暴露于海洋環(huán)境中，在極為復(fù)雜的自然條件下，面臨著腐蝕破壞、風(fēng)浪沖擊等多重風(fēng)險。在海洋環(huán)境中長時間暴露后，海洋平臺腐蝕，其導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為影響海上油氣安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[1-3]。鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺腐蝕失效不僅會降低結(jié)構(gòu)部件的厚度，從而損害結(jié)構(gòu)的完整性，還會導(dǎo)致腐蝕疲勞[4]和微生物腐蝕[5]。陰極保護[6-8]和防腐蝕涂層[9-10]是減緩海洋平臺導(dǎo)管架腐蝕的主要措施。但是在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，海洋生物的附著和污損不僅會導(dǎo)致防腐蝕涂層破損，還會顯著降低犧牲陽極的輸出電位，使其難以達到理想的保護效果[11-14]。因此，作者以勝利海域海洋平臺導(dǎo)管架陰極保護系統(tǒng)為主要研究對象，現(xiàn)場勘察其海生物附著情況，并通過室內(nèi)試驗了解犧牲陽極的腐蝕形貌、工作電位和活化特性等，揭示了貝類附著條件下犧牲陽極失效的關(guān)鍵原因，為海洋陰極保護設(shè)置提供借鑒。

1. 現(xiàn)場情況

勝利海域?qū)儆诓澈常Ｄ隃囟仍?~28 ℃，海水鹽度為2.9%~3.1%；油田海洋平臺為近海平臺，因此平臺附近貝類富集。從圖1所示現(xiàn)場照片可以看出，海生物附著位置主要集中在導(dǎo)管架的潮差區(qū)和全浸區(qū)，以全浸區(qū)居多[15-17]。海生物在導(dǎo)管架的平均厚度為16.65 cm，最大厚度為31.7 cm，平均覆蓋率高達95.58%。海生物的附著不僅會增加導(dǎo)管架的負(fù)重、降低其沖擊韌性，還會破壞表面涂層、包覆犧牲陽極并降低其活化性能，導(dǎo)致導(dǎo)管架的腐蝕進一步加劇，呈現(xiàn)層狀剝落和密集點蝕的腐蝕特征。因此，每隔3~6個月就需要對導(dǎo)管架表面附著的海生物進行物理清除，同時對導(dǎo)管架的運行狀態(tài)進行監(jiān)檢測，這極大地增加了運行人員的工作量。

圖 1 勝利海域海洋平臺導(dǎo)管架現(xiàn)場照片

Figure 1. Field photographs of offshore platform jacket in Shenli sea area: (a) shellfish fouling;(b) sacrificial anode; (c) jacket

2. 室內(nèi)試驗

2.1 犧牲陽極腐蝕形貌

從現(xiàn)場收集三段犧牲陽極樣品，機械清除表面附著的貝類海生物后觀察其宏觀形貌，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，試樣表面不均勻特征顯著，存在明顯的孔洞，孔洞最大深度可達5.2 cm，較大的孔洞主要集中在陽極與導(dǎo)管架連接的支腳位置。

圖 2 犧牲陽極宏觀形貌

Figure 2. Macrographs of sacrificial anodes

通過掃描電鏡（SEM）觀察犧牲陽極樣品表面腐蝕產(chǎn)物（以下稱產(chǎn)物）形貌，結(jié)果如圖3所示。可以看出，產(chǎn)物不完整呈破碎狀，通過放大圖像可以看出，產(chǎn)物表面致密性較差，存在明顯的孔洞，為腐蝕性介質(zhì)擴散到達犧牲陽極本體提供了通道，這進一步導(dǎo)致犧牲陽極基體腐蝕的不均勻程度增加，形成明顯的點蝕坑。

圖 3 犧牲陽極表面腐蝕產(chǎn)物的形貌

Figure 3. Morphology of corrosion products on sacrificial anode surfaces

依據(jù)GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕-腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》，配備兩種腐蝕產(chǎn)物清洗溶液（A和B）。溶液A和由50 mL磷酸（密度為1.69 g/mL）、20 g三氧化鉻加蒸餾水至1 000 mL配備而成；溶液B為密度為1.42 g/mL的硝酸溶液。首先，將犧牲陽極在80 ℃溶液A中浸泡10 min，然后在25 ℃溶液B中浸泡5 min。去除腐蝕產(chǎn)物后犧牲陽極基體的形貌如圖4所示。從圖中可以看出，犧牲陽極基體表面存在明顯的蝕坑特征，部分區(qū)域呈現(xiàn)潰瘍狀，這說明貝類海生物的覆蓋加劇了犧牲陽極的不均勻腐蝕。

圖 4 去除腐蝕產(chǎn)物后犧牲陽極基體的形貌

Figure 4. Morphology of sacrificial anode substrate after removal of corrosion product

2.2 犧牲陽極工作電位

根據(jù)GB/T 17848-1999《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》搭建如圖5所示試驗裝置。分別以去除產(chǎn)物層犧牲陽極和未去除產(chǎn)物層犧牲陽極為試樣，測犧牲陽極的工作電位。輔助陽極為不銹鋼，工作面積（內(nèi)外面）為840 cm2，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。試驗時間為96 h，溫度為25 ℃。

圖 5 犧牲陽極電化學(xué)性能測試試驗裝置示意圖

Figure 5. Schematic diagram of electrochemical performance test device for sacrificial anode

圖6為兩種犧牲陽極的工作電位變化曲線。從圖中可以看出，在不同的外加電流密度下，去除產(chǎn)物層犧牲陽極的工作電位區(qū)間為-1.11~-1.06 V（現(xiàn)場采用的犧牲陽極為1型鋁陽極，工作電位區(qū)間為-1.12~-1.05 V），滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；但是未去除產(chǎn)物層犧牲陽極的工作電位僅為-0.82~-0.61 V。

圖 6 兩種犧牲陽極的工作電位變化曲線

Figure 6. Working potential curves of two sacrificial anodes

表1給出了3個未去除產(chǎn)物層犧牲陽極的實際電容量、電流效率以及消耗率等參數(shù)的計算結(jié)果。現(xiàn)場1型鋁陽極的理論電容量為2 754.674 A·h/kg，測試得到未去除產(chǎn)物層犧牲陽極的實際電容量僅為1 054.63、1 109.39、1 041.68 A·h/kg，電流效率分別為38.3%、40.3%、37.8%，遠(yuǎn)低于規(guī)范中≥85%的要求；計算其消耗率分別為8.31、7.90、8.41 kg/（A·a），遠(yuǎn)高于規(guī)范中≤3.50 kg/（A·a）的要求?，F(xiàn)場犧牲陽極塊設(shè)計使用壽命為15 a（131 400 h），初始質(zhì)量為80 kg/塊，計算得平均腐蝕速率分別為0.33、0.11、0.21 mm/a。因此，海洋貝殼海生物的附著極大降低了鋁基犧牲陽極的性能，提高了其消耗率，導(dǎo)致導(dǎo)管架難以受到有效的陰極保護作用。