作者 | 李妍，姚远，吕建伟，等

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

引言

随着全球能源消耗需求的增长和科技进步的发展，油气开发得以勘探开发来寻求新的资源是全世界能源公司面临的主要任务。目前，海洋油气勘探已从浅海扩大到中深海域的探索与开发。而深海领域的油气开发也正在成为世界能源工业的主要增长点和科技创新的前沿。

在现有的油气勘探中，南海是我国油气开发的重点领域，油气储量约300亿t，占我国油气总资源量的三分之一，其中70%储量蕴藏于深海及超深海区域。我国海洋油气开发经过30多年的努力，取得了巨大的发展，在深海领域也取得了丰硕成果。阴极保护是保障深海设施安全运营的必要手段。本文对深海阴极保护进行探讨，总结出深海腐蚀环境的特点，并研究了深海阴极保护的优化方案。

1深海环境腐蚀影响因素

根据国际标准和海洋环境数据，当水深＞500 m后，海水的物理性质（溶解氧、温度、压力、盐度、pH 值、海流和钙镁沉积层等）会明显区别于浅层海水，由于这个海洋物理跃层的存在，直接影响到牺牲阳极在深水环境中的阴极保护性能。

（1）溶解氧。海水溶氧量范围一般为0~9 mL/L，溶解氧的含量会直接影响金属材料的腐蚀溶解行为。研究表明，腐蚀速度随着氧气的溶解度的降低而降低。

（2） 温度。温度随环境的变化较大，不仅会直接影响到材料的腐蚀行为，对其他影响腐蚀的因素也有一定的作用，例如温度对腐蚀速率快慢的影响。深水环境中海水的温度会降低，这会影响钙质沉积层的形成速度和密度。

（3）压力。随着静水压力的增加，腐蚀速率增大。深海环境中CO2/HS2分压是影响腐蚀速率的重要因素。

（4） 含盐量。一般来说深层海水盐度变化范围较小，一般为3.4%~3.5%,所以对于腐蚀速率的影响来说其变化可以忽略。

（5） pH值。实验表明，随着pH值的增加，金属的腐蚀曲线呈现下降的趋势。海水呈弱碱性，深海区的碱性越弱，铝镁合金点蚀及缝隙腐蚀趋势增加。

（6） 钙镁沉积层。它具有保护钢结构腐蚀性能，增强阴极保护效果。但是随着对深水的探索，钙镁沉积层较难形成。

2、阴极保护技术要求

海洋环境的复杂多样性，使得阴极保护技术要求也是多样性的。特别在深海环境的探索中，对于技术参数也在不断变化。目前深海环境主要采用牺牲阳极保护技术，因此本文针对海洋工程深海环境牺牲阳极的技术要求进行研究和探讨。

2.1 保护电流密度

本次实验采取人造海水，在室温状态下，模拟深海环境条件：低温（4±1）℃和低氧含量（2±1）mg/L。采用恒电流进行阴极极化，使得电流密度分别为400 mA/m2、100 mA/m2、50 mA/m2、40 mA/m2串联进行一周的实验测试。并通过扫描电镜SEM、X 射线能谱对得到的样品层进行显微观察、成分分析，研究垢层的晶体结构，分析其致密情况。

图 1 样品的扫描电镜照片

图 2 样品的 XRD 图谱

结果表明，低温、低氧环境条件下，垢层的形成比较困难，大电流密度下才可以形成比较致密的垢层，存在明显的底层和表面颗粒物的分布；较低电流密度下，垢层稀疏，里面混杂着铁锈。在深海环境中，温度低、压力大、氧含量低等因素使得很难在被保护对象表面形成钙镁沉积层（碳酸钙溶解度较大，500 m 深海条件下碳酸钙溶解度为表层海水的5倍），所以在深海环境下，所需阴极保护电流密度也较浅海领域更大。

随着水深的增加，海水的流速以及温度也随之变化，从而对氧气的扩散能力产生影响，因而造成浅水区和深水区存在很大温度及海上流动状态的不同。另外，对于接近表面的50~100 m左右的范围内，初始保护电流密度要求非常高，随着深度的增加，保护电流密度趋向于减少。深度达到300 m以上时，所需阴极保护电流密度开始逐渐增大。研究表明，在水深3000 m，海水流速增加至10 m/s时，若要使得钢材得到有效的保护，其阴极保护电位达到-850 mV 时，阴极保护电流密度则需要250 mA/m² 。

2.2 保护电位

良好的阴极保护不仅需要运行稳定且运行时间要保证在钢材的寿命周期内，这就必须将被保护的金属结构极化到表面上最活泼的阳极点的平衡电位，与此同时还需要其电位长期保持稳定。

采用牺牲阳极保护钢结构设施，在浅海水中空气流通较好时保护电位控制在 -800 mV（Ag/AgCl/海水），在空气流通不好的海水及海泥环境中，保护电位控制在 -900 mV（Ag/AgCl/海水）。该原则同样适用于深水，因此，深海阴极保护电位控制在-900 mV（Ag/AgCl/海水）。但是，当保护电位＞ -900 mV时，部分敏感材料存在应力条件下的脆化和裂纹扩展的风险，因此，在深海环境进行阴极保护时需要充分评估被保护材料的安全性，必要时采取适当的保护和预防措施。

2.3 牺牲阳极性能

在预防金属的腐蚀性能中，牺牲阳极法由于安装方便、维护简单、寿命长效等优点被广泛应用于海洋工程的阴极保护中。其中应用的阳极成分根据所在海域的条件可以采用不同的合金成分。挪威标准DNVGL-RP-B401——2017中推荐的铝基牺牲阳极的阳极成分表见表1。

表 1 铝合金阳极成分

图3为不同温度状态下铝基牺牲阳极的溶解情况，可以看到在低温情况下，4℃时腐蚀产物脱落，溶解形貌较好。在8℃时腐蚀产物脱落，溶解形貌较好，和4℃时没有明显差异。而在20℃时腐蚀产物附着在阳极的表面，造成局部溶解不均匀。总体来看，阳极在低温时溶解形貌较好，溶解状况要好于常温。

图 3 不同温度下铝基阳极溶解形貌

2.4 设备电连续性

深海水下设备设施结构复杂，通常由许多不同的材料构成，这些材料大多不耐海水腐蚀，其完整性依赖于阴极保护。若不同金属材料间没有电连续性，阴极保护电流就不能到达被保护金属的表面，起不到良好的阴极保护效果。

在采油系统的应用中，如图4所示，为了保证结构件防腐性能良好，在阴极保护中就需要使所有的结构件都能得到足够的保护电流，保证这些结构的电气连接良好。针对不同部位材料之间可用钢筋或电缆进行电连接，螺栓处可采用齿形垫圈，确保所有被阴极保护的金属部件之间电阻值＜0.1 Ω。而且非焊接接头部位一般不能保证其电连续性。在设备下水前，也要检查确认被保护系统所有部件之间的电连续性能。

图 4 水下采油系统

3、结 语

随着对能源的开发以及技术的发展，深海工程逐渐出现在人们的视野中，从水深500~1500 m海域迈向更深的海域。而深海环境对材料结构稳固性和长效可靠性的要求远远高于陆地和浅海。任何可能的材料腐蚀破坏在深海环境中都可能导致严重的工程事故，并且维修和维护费用极其昂贵。

深海环境下海水的溶解氧、温度、压力等明显区别于浅层海水，直接影响到牺牲阳极在深水环境中的阴极保护性能，因此同样的保护面积需要更多数量的牺牲阳极。同时，为适应深海环境的特殊条件，需要严格控制深海阳极中锌和铁的含量，保证阳极的溶解性能，保证深海设施的整体电连续性，才能保障深海环境中设备设施的安全运营。

参考文献（略）