2023-01-29
 
圆筒型FPSO建造阶段腐蚀与防护工艺研究
2023年01月29日   阅读量:3776

0 引言


伴随着工业社会快速发展对能源需求的不断增长,陆地油气资源已不能满足社会发展的需求,各国加大了对海洋油气资源的探索与开发,越来越多的海洋工程装备出现在海洋之中。固定式海洋平台作业海域水深<300m,由于其位置固定,发生腐蚀后不便于维修保养,因此已不能满足深海油气资源开发使用要求。圆筒型FPSO(浮式生产储油装置)具有作业水域深、灵活移动、发生腐蚀后便于回坞维修等优点,已经逐渐成为海洋油气开采中的主力军涂料在线coatingol.com。通过分析圆筒型FPSO所处海洋作业的腐蚀环境和腐蚀机理,探究建造阶段腐蚀与防护措施与工艺,总结相关防腐蚀工艺特点与经验,为新建圆筒型FPSO腐蚀与防护提供相应的参考意见。


1 海洋腐蚀环境及腐蚀机理


1.1 圆筒型FPSO所处的海洋腐蚀环境


海洋腐蚀环境恶劣复杂,海洋工程金属设备设施受水分、盐分、温度等腐蚀因素影响较多,海洋环境下的腐蚀具有多样性和复杂性的特点。由于海洋环境中不同位置所处的腐蚀环境不同,因此可以将海洋腐蚀环境分为海洋大气区环境、海洋飞溅区环境、潮差区环境、海水浸没区环境、海底土壤区环境5种,如图1所示。圆筒型FPSO属于浮式设备,所处的海洋腐蚀环境涉及以下4种:

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图1 圆筒型FPSO腐蚀环境


1.1.1海洋大气区环境腐蚀


海洋大气区环境腐蚀受多种因素的综合影响,海洋大气环境中的含有活性阴离子(主要为氯离子),此外大气中还含有氮硫化物,同时海洋大气环境湿度高,大气液膜容易在圆筒型FPSO金属表面形成,使金属具备发生电化学腐蚀的条件,促使海洋金属设备设施发生腐蚀。


1.1.2海洋飞溅区环境腐蚀


海洋飞溅区由于受到波浪冲击、漂浮物碰撞,油漆保护层更容易发生脱落,造成油漆防护失效。海洋飞溅区的海水在海浪和潮差的作用下与圆筒型FPSO表面干湿交替接触,为电化学腐蚀的发生提供了充足的水分和氧气。


1.1.3潮差区环境腐蚀


潮差区同时具有飞溅区和浸没区的特性,圆筒型FPSO结构常年处于潮汐运动中,阳光照射温度变化大,干湿交替明显,提供了腐蚀发生所需要的条件。


1.1.4海水浸没区环境腐蚀


圆筒型FPSO位于海水浸没区的部分受海水中氧气、活性氯离子、温度等因素的影响,表层浸没区的海水含氧量及温度相对最高,因此发生腐蚀的程度也最为严重。随着海水深度的加深,腐蚀程度也逐渐减弱。


1.2 圆筒型FPSO的腐蚀机理


腐蚀过程指的是一种物质(通常是一种金属)或其属性因与周围环境发生反应而产生降解(破坏或变质)的过程。金属腐蚀(以钢铁为例)本质上,腐蚀过程将钢中的铁变成另一种不同属性(例如强度、硬度)的物质。其中最常见的腐蚀产物是氧化铁(铁的氧化物或“锈”)。


根据腐蚀发生的机理,可将其分为化学腐蚀、物理腐蚀和电化学腐蚀3大类。物理腐蚀是指金属由于单纯的物理溶解而引起的破坏;化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质发生电化学反应而引起的破坏。反应过程中均包括阳极反应和阴极反应2个过程,在腐蚀过程中有电流流动(电子和离子的运动)。电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀,圆筒型FPSO在海洋环境下的腐蚀就是电化学腐蚀。


如表1和图2所示,圆筒型FPSO在海洋环境下发生电化学腐蚀,必须具备4个基本条件(阳极、阴极、回路/金属通道、电解质溶液)。发生电化学腐蚀时,金属作为阳极失去电子,电位高的金属或非金属作为阴极,氧化剂氧气在阴极得电子被还原(电解质溶液氧气含量高的地方首先发生吸氧腐蚀,析氢腐蚀更容易发生在闭塞电池内部),金属由于本身结构的特殊性形成回路/电子通道,海洋环境下潮湿的大气和海水等都能在金属表面形成电解质溶液。


表1 电化学腐蚀电极反应

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图2 电化学腐蚀机理



2 圆筒型建造阶段腐蚀与防护工艺


圆筒型FPSO由船体和上部模块两部分组成。其中船体区域和部分主甲板区域属于船体,生产区域、公共区域和部分主甲板区域属于上部模块。建造过程中船体与上部模块腐蚀与防护也是分开进行的。


圆筒型FPSO船体海水浸没区以上部分和上部模块所采取的腐蚀与防护工艺是涂层和阴极保护防腐,如图3所示。常规涂层防护为底、中、面3道涂层,具有屏蔽作用、缓蚀作用和阴极保护作用。涂层防腐的特点为施工比较简单、维护及重涂方便,同时可与其他防腐措施搭配使用。


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图3 涂层保护原理


外加阴极电流与牺牲阳极都属于阴极保护,阴极保护属于电化学保护,是通过给被保护金属施加微小阴极电流保护其不发生腐蚀。如图4所示,阴极保护常用在圆筒型FPSO船体海水浸没区,同时与油漆涂层搭配进行腐蚀防护。阴极保护可以在油漆涂层失效金属钢结构暴露于海水中的情况下,使金属钢结构自身在发生腐蚀的时候不参与氧化还原反应,而是由替代它的阳极或者阴极电流来进行氧化反应,从而达到了防腐的目的。


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图4 阴极保护原理图


2.1 圆筒型FPSO船体涂装工艺


圆筒型FPSO 主船体包括主甲板、管路、舱室(如压载舱、货舱、淡水舱、溢流舱、柴油储存舱、锚链舱、空舱等)。如图5所示,圆筒型FPSO船体水上部位进行涂装施工,通过涂层进行防护。水下部位采用涂层与阴极保护(外加电流和牺牲阳极)的结合防护措施。


船体涂装施工一般采用无气喷涂,在无法实施喷涂的部位可采用传统喷涂、刷涂或辊涂。当使用无气喷涂不能确保某些部位达到规定的干膜厚时,应进行预涂以确保涂层的质量及干膜的厚度。每刀涂层应具有均匀的膜厚和无缺陷的外观。应注意防止过喷、溢出或涂在非涂装区,一经发现必须清除干喷、过喷、刷痕/辊涂污染等。每道涂层的干膜厚度不能超过规定的干膜范围。由于不同涂装阶段/时间和涂层老化而产生的色差,只有液舱内部和水下部位被认为是自然状态,其他部位应与RAL色卡一致。为了指导后续工作,除最后涂层外,每道涂层施工后需测量干膜厚,总膜厚在最后一道涂层施工完后须得到确认。

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图5 圆筒型FPSO船体示意图


2.2 圆筒型FPSO上部模块涂装工艺


如图6所示,圆筒型FPSO上部模块包括模块化功能单元和非模块化工艺甲板,每个单元都将作为独立的模块进行建造。圆筒型FPSO上部模块碳钢和低合金表面涂装时应按照ISO 8501-1 标准规定喷砂清理至Sa2½。设备内表面宜喷砂至Sa3。除ISO 8501-1标准要求以外,喷砂清理的碳钢表面应检测是否含有氧化皮。钢结构车间内喷砂清理应予以特别关注,焊缝(包括焊道)和腐蚀或化学污染或破损的区域进行涂料修补时表面清理应采用喷砂清理。喷砂后的表面应有适宜的粗糙度。


所有设备和结构都应得到充分保护,避免受机械损坏、磨料进入和喷砂灰尘的影响。应避免产生流挂、液滴和涂料过喷(包括干喷)。邻近未涂料或未完工的区域应予以保护。任何区域在完成工作后,应清除所有掩蔽材料、废磨料、设备等。

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图6 圆筒型FPSO上部模块示意图


3 建造阶段腐蚀与防护施工特点


圆筒型FPSO上部模块建造过程中尽可能采用模块化和一体化建造方式,即较大模块上的每层甲板将被分割成较小的结构分片进行预制。如图7所示,该分片上的所有结构附件、设备底座、滑道梁、多专业支架、配管标准支架、电仪标准支架、通风支撑、钢制墙皮、保温固定钉、管线穿甲板护件、电缆穿甲板护件、通道盖等将在结构分片进入涂装车间前完成安装,以减少涂装修补工作量。

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图7 上部模块一体化喷涂


圆筒型FPSO船体涂装面临结构复杂,分段面积较大、分区较多、涂料种类较多、分段和合拢阶段多为密闭舱室,通风要求较高等施工难点。打砂前结构处理需将自由边、锐边、孔、角落、焊缝打磨平顺。船体分段打砂时钢板处理及表面清洁应严格按照施工程序要求进行。


如图8所示,由于压载舱分段一般较大,需搭设多层脚手架,在喷漆前完全清洁后,需对最底层脚手架吊顶,以防止涂料喷涂时,脚手架上未清洁干净的砂子掉落,造成涂料的污染,所有人员确保佩戴鞋套,保持脚部清洁再上分段,避免喷砂过的表面被污染。

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图8 压载舱最底层脚手架吊顶


船体分段涂料施工阶段,船体外板相较于船体舱室在涂料系统配套上略有差别。船体外板涂料系统底漆为耐磨环氧漆,中漆及面漆按照吃水深度分为乙烯环氧漆与自抛光防污漆、环氧玻璃鳞片漆与聚氨酯面漆、耐磨环氧漆与聚氨酯面漆的搭配方案进行施工。船体舱室内由于不受到阳光照射,因此防紫外线粉化的聚氨酯面漆可不做,两道涂料均为环氧类,在符合舱室附着力情况下同时发挥其屏蔽作用。


涂料喷涂施工前,需对未做密性试验的焊缝及预留合拢缝边缘用胶带纸保护,待喷涂的底漆干燥后需要对漏铁和漏底部位进行找补,同时处理相关的涂层缺陷,标记膜厚,清洁、准备预涂报验,预涂报验完成后用环氧类涂料进行预涂,然后再进行下一道涂层的喷涂工作。由于压载舱结构复杂,自由边、焊缝等区域喷涂时厚度难以保证,因此应进行预涂施工,以达到相应的涂层厚度,良好的预涂应如图9所示。

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图9 分段预涂


在合拢阶段,如图10所示,需对分段阶段施工的涂层做保护,以减少压载舱涂层的破坏,减少压载舱涂层破损率。

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图10 分段涂料施工保护


4 结 语


综上所述,圆筒型FPSO建造阶段的防腐蚀工作对其交付后设备设施运行的安全性与可靠性起着至关重要的作用。圆筒型FPSO的腐蚀与防护不仅仅是单一的防腐形式,需要将几种防腐形式联合起来,这样才能达到最优的防腐效果。圆筒型FPSO建造过程中上部模块的一体化建造喷涂方案能够在提高涂装施工效率的同时节省涂装修补工作量,为项目后期节省建造时间。针对船体舱室结构复杂等难点,要做好前期结构处理,同时保证预涂施工效果和分段油漆清洁保护工作,减少油漆破损率。通过重视圆筒型FPSO在建造阶段对腐蚀与防护工作,从而保证其在漫长的服役周期内能够正常的运行。


参考文献(略)


作者|刘书法,孙德光,宋振,等

(海洋石油工程(青岛)有限公司,山东青岛266520)


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