316不锈钢在海洋平台上的应用探讨_李妍.pdf

腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL316不锈钢在海洋平台上的应用探讨李妍，张国庆，吕建伟，阳利军（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）Application of 316 Stainless Steel in Offshore Platform摘要：316不锈钢因其良好的耐蚀性和易加工性，成为海洋平台上管线和设备中应用最为广泛的不锈钢之一。但 316 不锈钢材料在生产、加工和储运过程中，应进行良好保护，避免污染或破坏其表面氧化膜，否则不锈钢将会发生快速局部腐蚀，危及生产安全。本文结合海洋工程项目实际案例，分析了 316 不锈钢在工程应用中遇到的腐蚀问题，并给出不锈钢的完整性管理建议，旨在提高材料应用价值。关键词：316不锈钢；海洋平台；氧化膜；腐蚀；完整性管理中图分类号：TQ639文献标识码：A文章编号：2096-8639(2023)02-0001-04Li Yan,Zhang Guoqing,Lv Jianwei,Yang Lijun(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)0 引言316 不锈钢之所以“不锈”，是因为其表面有一层透明而且坚硬的氧化膜1，氧化膜对钢铁的附着力极强，有如一道隐形的防护服把钢铁保护起来。因此，要有效利用不锈钢的这种“不锈”特性，就要保护好这层薄薄的氧化膜，一旦氧化膜被破坏，不锈钢同样也会生锈。随着海洋石油事业的蓬勃发展，越来越多的不锈钢在海洋平台上大显身手。海洋平台矗立在大海之中，高湿度和高盐度的恶劣环境对于不锈钢是严峻的考验。316 不锈钢因其价格适中，性能优良，得到了广泛应用。因为不锈钢的特性主要起决于其氧化膜，必然要求该材料在制造、加工和储运过程中进行适当的保护和管理，以避免破坏或污染其氧化膜从而引发快速的局部腐蚀。本文对海洋平台上 316 不锈钢的应用情况进行梳理和分析，总结出不锈钢材料的正确使用方式和保护建议。1 316不锈钢特性316 属于奥氏体不锈钢，在常温下具有稳定的奥Abstract:Because of its good corrosion-resistance and processabitity,316 stainless steel hasbecome one of the most widely-used stainless steels in offshore platform piping and equipment.Stainless steel materials shall be well protected during production,storage,transportation andprocessing to avoid pollution or damage of its surface oxide film.Otherwise,the stainless steel willcorrode rapidly and endanger the platform safety.In this paper,combined with the actual case ofoffshore engineering project,the corrosion problems of 316 stainless steel in engineering applicationare analyzed,and the integrity management suggestions of stainless steel are given to improve theapplication value of materials.Keywords：316 stainless steel；offshore platform；oxide film；corrosion；integrity management涂层与防护第44卷第2期2023年2月Vol.44 No.2Feb.2023COATING AND PROTECTION1腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL氏体组织。奥氏体不锈钢无磁性，具有良好的耐蚀性和耐热性，良好的焊接性能以及高的韧性和塑性，强度较低。奥氏体不锈钢晶体结构是面心立方结构(FCC,见图 1)。图 1 316 不锈钢晶体结构316 不锈钢中主要的合金元素为铬 Cr、镍 Ni 和钼Mo，含量为 Cr：16%18%，Ni：10%14%，Mo：2%3%2。其中，铬 Cr 是不锈钢中最重要的合金元素，可以说没有铬，就没有不锈钢。钢中若没有足够的铬就无法形成致密的 Cr2O3氧化膜结构，也就无法抵挡腐蚀侵蚀。因此，铬对不锈钢的耐蚀性起着决定性作用。镍 Ni 是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素，镍在不锈钢中是形成稳定奥氏体的元素，镍的作用是在与铬配合后才发挥出来的，使不锈钢具有良好的强度、塑性、韧性和一系列优良的工艺性能。钼 Mo 在不锈钢中主要作用是提高不锈钢的耐腐蚀能力、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等性能，尤其可以改善不锈钢耐氯离子腐蚀的能力，更适用于海洋大气环境3。这也是海洋平台上使用的 316 不锈钢经常被强制要求钼含量2.5%的原因所在。除了上述 3 种重要的合金元素外，316 不锈钢中还添加了氮 N 元素，氮在奥氏体不锈钢中广泛应用是近 20 年来不锈钢发展中的重大进展，它的有益作用显著而且副作用较小，它可以在空气中随意获取，生产中加入方便也易于控制。氮是强烈形成并稳定奥氏体的元素，可以提高奥氏体不锈钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀、耐氯化物应力腐蚀性能。另外，对于需要焊接的场合，低碳的316L不锈钢比316 更具优势。316L 不锈钢将含碳量降低至 0.03%以下，较低的碳含量使得在靠近焊缝的热影响区中析出的碳化合物量减低，金相组织更加均匀，因此，316L不锈钢可焊性和焊后耐蚀性都更加优良。在海洋平台上，需要焊接的场合多采用316L不锈钢代替316不锈钢。不锈钢与碳钢的腐蚀形式不同。一般情况，碳钢多发生均匀腐蚀，即腐蚀在整个钢表面进行，面积大但速度慢；不锈钢多发生局部腐蚀，即腐蚀只在局部位置发生，面积小但速度快。衡量不锈钢的耐腐蚀性能，通常用耐点蚀系数PREN来表示，PREN的计算公式如下：PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%从上述公式可以看出，不锈钢的耐蚀性能主要与Cr、Mo 和 N 的含量有关，其中 Mo 和 N 的含量对耐蚀性影响较大。316不锈钢的耐点蚀系数约为 2429。2 316不锈钢在海洋平台应用现状况中国海洋石油行业的发展始于渤海区域，渤海区域开发出的油气产品腐蚀性不强，很少出现特殊腐蚀介质如二氧化碳，硫化氢更是少见，因此，早期平台上的钢材主要以碳钢材料为主。随着海洋石油事业的不断发展，项目开发区域逐渐扩展到中国的全部海域以及国际海域，并且从浅海逐步走向深海，开发出的油气产品也越来越复杂，二氧化碳和硫化氢等腐蚀性介质含量越来越高，因此，对海洋平台上使用的材料等级要求也越来越高。海洋平台上使用的管线和设备按使用功能区分，主要分为公用系统和工艺系统。公用系统主要用于处理除油气产品以外的介质，如海水、空气、润滑油、药剂等等，其管线设备常采用 316 不锈钢的有：化学药剂系统、仪表控制系统、润滑油系统、饮用水系统、容器的加热器等4，主要是利用 316 不锈钢材料的不锈特性保证内部介质的纯净度要求。工艺系统主要用于处理海洋平台开采出来的油气产品，其管线设备与油气产品直接接触，如果油气产品中含有二氧化碳、硫化氢等腐蚀介质，通常采用腐蚀计算软件进行腐蚀速率计算，再结合腐蚀评估结果，根据设计标准进行材料选择。当碳钢材料无法满足项目需求时，会优先选择 316不锈钢材料，当然还需要综合考虑具体的操作温度和压力等条件。当 316不锈钢也无法满足项目需求时，会考虑超级奥氏体不锈钢、双相不锈钢及高镍合金等耐蚀性更好的合金材料。3 失效案例及分析3.1 海洋平台腐蚀情况近几年，有多个南海海洋平台反馈信息，平台上李妍，等：316不锈钢在海洋平台上的应用探讨2腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL的 316 不锈钢仪表管线频繁发生腐蚀泄露，部分平台在投产后 1 a 左右就出现大面积的管线腐蚀穿孔问题。东海地区的平台也存在少量 316 不锈钢仪表管腐蚀问题，但 316 仪表管一般可以安全使用 3 a 或更久的时间。渤海区域海洋平台的 316 不锈钢仪表管线状态较好，基本没有发现严重的仪表管腐蚀问题。图 2 仪表管腐蚀经对南海和东海平台上 316不锈钢仪表管腐蚀问题进行调研，可以看到发生腐蚀泄漏的仪表管线都位于生产操作区域，仪表管表面存在着大量的污垢、水滴、盐渍及腐蚀产物等附着物，还有部分仪表管线排列十分紧密，管与管之间形成了狭小缝隙。腐蚀的仪表管段经清理后，可以看到仪表管腐蚀的典型特征是外部腐蚀，主要形式是点腐蚀（Pitting Corrosion）和缝隙腐蚀（Crevice Corrosion）（见图 2）。点腐蚀普遍存在，缝隙腐蚀主要存在于仪表管接头和管夹等位置以及紧密接触的仪表管束位置。环境温度越高，相对湿度越大的海域，腐蚀情况越严重，316 仪表管使用寿命也越短。3.2腐蚀分析在不锈钢点腐蚀/缝隙腐蚀研究理论中，评价不锈钢材料耐腐蚀能力的两个重要参数是临界点腐蚀温度 CPT(Critical Pitting Corrosion Temperature)和临界缝 隙 腐 蚀 温 度 CCT(CriticalCreviceCorrosionTemperature)。资料显示，316L 不锈钢在海水环境中的临界点腐蚀温度 CPT 为 2831，如果环境条件中Cl-浓度更高(如海水在不锈钢表面不断地蒸发浓缩），临界腐蚀温度还会下降。不锈钢材料(包括 316)在临界温度以下会比较稳定，一旦环境温度高于临界温度，腐蚀便会产生并加速进行。据统计，在中国南海地区，日均最低气温在 20 以上的月份总计约为 7 个月；日均最高气温在 28 以上的月份总计约为 5 个月。可见，每年有近一半的时间，南海地区气温是高于 316 不锈钢的临界点腐蚀温度，意味着每年有很长的时间里 316 不锈钢都具备腐蚀条件，加之不锈钢表面污染物较多，腐蚀在所难免。据此可以认为常年相对较高的环境温度和湿度是南海地区仪表管线经常发生腐蚀的重要因素；渤海地区气候相对干燥，气温较低，因此腐蚀情况也较轻；东海气候居中，腐蚀情况也介于两者之间。除了环境因素，其他影响 316 不锈钢仪表管腐蚀的因素有如下几个方面：(1)制造缺陷：在制造过程中存在内部砂眼等细微缺陷，在内部承压后更容易出现刺漏。仪表管有些刺漏点肉眼基本观察不到，无明显腐蚀现象，应该属于内部缺陷造成穿孔。(2)铁离子污染：仪表管从出场、经过库存、安装每个环节都有可能接触普通碳钢结构，造成表面被铁离子污染。(3)表面损伤：仪表管搬运、安装、前期平台大规模建造过程中焊渣飞溅，落物碰撞等都会造成仪表管表面损伤，损伤部位更容易发生点蚀。缠绕并不能完全避免前期损伤，还有可能造成类似保温层下腐蚀的现象出现。(4)不当操作：严苛的使用环境和不合理的作业方式会加速仪表管外表面的局部腐蚀。例如不定期的海水喷淋系统测试或海水冲洗而未进行有效的淡水冲洗和清洁；海水飞溅；含硫化物的柴油燃烧后的尾气排放等。(5)海洋平台空间受限：各种设备管线布局紧凑，部分区域的仪表管排布过于密集容易积累杂物、盐分，并且部分仪表管安装于平台下方或高处很难进行有效清洁和维护。钻井液、钻井泥浆、有机或无机污垢沾染仪表管表面，污垢本身含腐蚀性介质，且持水性强，有污渍的表面更容易造成点蚀。因此，对于南海和东海区域海洋平台上的 316 不锈钢仪表管线，建议增加涂层或护套来隔离污染和水（下转第 7页）李妍，等：316不锈钢在海洋平台上的应用探讨3腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL响，从实验后各周期的挂片中均未发现无机垢存在，说明现场管壁处不