劉福國,尹鵬飛,張國慶,張 偉,韓 冰

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 2. 青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司，青島 266071)

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海洋石油平臺外加電流陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)

劉福國1,尹鵬飛2,張國慶1,張 偉2,韓 冰2

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451; 2. 青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司，青島 266071)

介紹了國內(nèi)外海洋石油平臺陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀，并闡述了外加電流陰極保護技術(shù)替代犧牲陽極技術(shù)對平臺進行延壽修復(fù)的必要性。并通過對外加電流陰極保護系統(tǒng)材料、設(shè)備及設(shè)計方面的研究構(gòu)建了一種海洋石油平臺外加電流陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)適用于較深海域海洋石油平臺的陰極保護延壽修復(fù)。

平臺；外加電流；陰極保護；延壽修復(fù)；腐蝕；防護

我國從上世紀(jì)80年代開始自主設(shè)計并建造各類海洋石油平臺，現(xiàn)有各類海洋平臺400多座，且絕大多數(shù)采用犧牲陽極陰極保護[1]。對于早期采用犧牲陽極保護的在役平臺，隨著平臺服役年限的增加，很多海洋石油平臺已經(jīng)接近甚至超出了當(dāng)初陰極保護設(shè)計的使用年限，需要對這些平臺的陰極保護系統(tǒng)進行延壽修復(fù)。若采用傳統(tǒng)的犧牲陽極延壽修復(fù)，則需要在水下焊接大量的犧牲陽極。一方面水下焊接工況條件苛刻，技術(shù)難度大，且具有很大的危險性，水下操作人員的安全難以保證。如此巨大的水下焊接工程造價很高，尤其是對于深海導(dǎo)管架平臺，隨著水深增加工程造價急劇上升，要比陸地安裝高出十幾倍甚至上百倍，給企業(yè)帶來沉重的負擔(dān)；另一方面，犧牲陽極的冶煉對資源和能源消耗巨大，且陽極冶煉過程大量污染廢棄物排放對空氣、水、土壤造成嚴重的生態(tài)污染和破壞。同時，犧牲陽極使用過程中溶解釋放大量金屬離子對海水體系造成的潛在生態(tài)污染。與犧牲陽極法相比，外加電流陰極保護方法具有安裝快速、安裝費用低、發(fā)生電流大的優(yōu)點，不會因為保護面積增加而增加對平臺的負重，而且外加電流陰極保護系統(tǒng)在使用中沒有重金屬離子產(chǎn)生、污染少，是一種環(huán)境友好型的陰極保護技術(shù)，特別適用于中等水域和深水區(qū)域平臺的陰極保護。國外針對在役平臺的外加電流陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)已經(jīng)開展了大量的基礎(chǔ)研究工作，并已將相關(guān)平臺外加電流產(chǎn)品應(yīng)用到實際工程中[2-5]。但目前國內(nèi)對于深水平臺外加電流陰極保護技術(shù)卻沒有相關(guān)的研究報道，而采用國外深水平臺外加電流陰極保護產(chǎn)品的初始安裝和后期維護費用都比較高?？紤]到未來5～10 a，國內(nèi)將有一批海洋在役平臺超出服役年限，探尋一種經(jīng)濟可靠、可實現(xiàn)國產(chǎn)化的平臺外加電流陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)顯得尤為緊迫。

1 國內(nèi)外平臺外加電流陰極保護技術(shù)現(xiàn)狀

在國外，海洋平臺的外加電流陰極保護的安裝與修復(fù)相關(guān)技術(shù)被美國、英國、挪威、巴西、新加坡、韓國等幾個國際海洋油氣開采裝備強國所壟斷。由于國外進軍海洋領(lǐng)域的資源開采遠早于我國，外加電流陰極保護技術(shù)的發(fā)展也較為成熟，包括固定式平臺、自升式平臺、張力腿平臺、Spar平臺、浮式生產(chǎn)儲運系統(tǒng)(FPSO)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)和超大型浮式海洋結(jié)構(gòu)物等都有相關(guān)的外加電流陰極保護系統(tǒng)的應(yīng)用案例。比如，美國的Deepwater公司的RetroBuoy系統(tǒng),意大利的DENORA公司的LIDA系統(tǒng)在海洋石油平臺陰極保護工程中都有較多的應(yīng)用。

在國內(nèi)，海洋平臺用外加電流陰極保護系統(tǒng)還處于研發(fā)階段，對于簡單鋼結(jié)構(gòu)的外加電流陰極保護系統(tǒng)裝置一般從國外購得，而復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護系統(tǒng)還未見有報道，延壽系統(tǒng)多由國外提供技術(shù)并全程參與安裝指導(dǎo)[6]。我公司自2005年就開始了對自升式鉆井平臺的外加電流陰極保護技術(shù)的研究，先后完成了8座自升式鉆井平臺的和一座樁式作業(yè)平臺的外加電流陰極保護工程，腐蝕控制效果良好。外加電流技術(shù)在自升式平臺上取得成功后，我所和海工聯(lián)合研究了外加電流技術(shù)在導(dǎo)管架平臺等其他海洋結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)用，通過對平臺外加電流陰極保護優(yōu)化設(shè)計和外加電流陰極保護系統(tǒng)中關(guān)鍵組件的研究構(gòu)建了一套海洋石油平臺外加電流陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)。

2 平臺外加電流陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)

整套外加電流陰極保護修復(fù)技術(shù)包括平臺外加電流陰極保護優(yōu)化設(shè)計和平臺外加電流陰極保護裝置，其中平臺外加電流陰極保護裝置由電源、電纜、輔助陽極、監(jiān)檢測系統(tǒng)等組成。

2.1 平臺外加電流陰極保護優(yōu)化設(shè)計

外加電流陰極保護設(shè)計時需要根據(jù)平臺的結(jié)構(gòu)、服役水深、海底輸油管網(wǎng)分布情況、服役區(qū)域海洋環(huán)境條件等因素來設(shè)計輔助陽極的結(jié)構(gòu)與安裝方式。輔助陽極結(jié)構(gòu)和安裝方式不合理極易造成構(gòu)筑物的欠保護或過保護，兩者都會造成嚴重的后果[7-8]。為了優(yōu)化海洋石油平臺外加電流陰極保護設(shè)計參數(shù)，避免因設(shè)計問題導(dǎo)致的平臺欠保護和過保護問題。根據(jù)縮比模型理論[9-11]構(gòu)建了一套海洋平臺外加電流陰極保護模擬裝置(圖1)，該裝置主要由模擬水池、模擬流動海水裝置、導(dǎo)管架縮比模型、外加電流控制系統(tǒng)、電位監(jiān)測系統(tǒng)及相關(guān)配套組件構(gòu)成。該裝置可以實現(xiàn)對輔助陽極的形狀和尺寸、輔助陽極與平臺的安裝位置、保護電流分布、海流及潮差變化對保護電位的影響等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

圖1 平臺外加電流陰極保護模擬裝置Fig. 1 The ICCP simulation device of offshore platform

采用模擬裝置進行了海洋平臺外加電流陰極保護模擬試驗。本工作首先建立物理模型，開展優(yōu)化設(shè)計試驗。同時針對某一狀態(tài)條件，通過數(shù)值模擬法[12-14]計算驗證物理模擬結(jié)果的可靠性，兩種方法相互驗證，保證優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的可靠性。

以JZ120-1在役導(dǎo)管架平臺為原型，構(gòu)建了一套1∶20的平臺陰極保護縮比模型。平臺模型是以渤海灣JZ120-1在役導(dǎo)管架平臺為原型，以1∶20比例縮小制作，模型為平臺水下結(jié)構(gòu)部分，不考慮上層建筑的模擬。外加電流陰極保護系統(tǒng)由一臺上海正方電子ZF-9型恒電位儀和若干輔助陽極組成。電位監(jiān)測系統(tǒng)由全自動數(shù)據(jù)采集與存儲儀和Ag/AgCl參比電極組成。試驗海水取自青島小麥島附近海域，按照1∶20稀釋。

由于導(dǎo)管架平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，難有足夠的空間安裝排流量較大的輔助陽極。借鑒國外的海洋構(gòu)筑物外加電流陰極保護設(shè)計經(jīng)驗[3]，選擇一種被稱為遠地式的輔助陽極進行優(yōu)化設(shè)計。該輔助陽極被放置在平臺外側(cè)一定距離的海床上，通過平臺上部電源供電，實現(xiàn)對整個平臺的腐蝕控制。

在平臺底部一定距離處放置一座遠地式輔助陽極，研究了恒電流下輔助陽極與平臺底部間距和輔助陽極形狀對平臺電位分布及其保護程度的影響。圖2為導(dǎo)管架平臺的縮比模型，圖中序號點為參比電極安裝位置。按照外加電流陰極保護設(shè)計方案對平臺模型施加了陰極保護，并采用大型防腐蝕數(shù)值模擬分析軟件Beasy進行數(shù)值模擬分析。圖3為保護電位的數(shù)值模擬結(jié)果。從圖3中可以看出模型電位最低點和電位最高點的電位相差約50 mV，電位分布比較均勻，沒有過保護和欠保護的現(xiàn)象。通過縮比模型試驗和數(shù)值模擬計算說明外加電流陰極保護系統(tǒng)可以良好地實現(xiàn)對整個平臺的腐蝕控制。

圖2 導(dǎo)管架平臺縮比模型Fig. 2 Scaled model of offshore platform

圖3 導(dǎo)管架平臺縮比模型保護電位數(shù)值模擬Fig. 3 Numerical simulation of protection potential for offshore platform scaled model

2.2 平臺外加電流陰極保護裝置

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案，結(jié)合海洋環(huán)境腐蝕特點，從設(shè)備選材、防護設(shè)計、便捷安裝等方面綜合考慮，設(shè)計并研制了一套平臺外加電流陰極保護裝置，該裝置包括陰極保護電源、電纜、輔助陽極、監(jiān)檢測系統(tǒng)等。

2.2.1 陰極保護電源

陰極保護電源是外加電流陰極保護系統(tǒng)中控制發(fā)生電流的設(shè)備，是外加電流陰極保護系統(tǒng)的核心部件。常規(guī)陰極保護電源在高溫、高濕、高鹽度的強腐蝕海洋環(huán)境中使用時經(jīng)常發(fā)生故障，從而造成整個陰極保護系統(tǒng)中斷運行甚至出現(xiàn)設(shè)備擱置等情況，直接影響腐蝕保護和監(jiān)測的效果，嚴重的可引發(fā)重大安全事故。而且海洋平臺一般離岸較遠，設(shè)備維護和更換成本高，因此陰極保護電源長期穩(wěn)定可靠的運行是一個關(guān)鍵問題。針對海洋環(huán)境特點，從選材、結(jié)構(gòu)以及冷卻方式上進行防腐蝕、防塵、防潮、防霉、散熱以及防爆設(shè)計，研制了可適用于海洋環(huán)境陰極保護的大功率整流器電源。

該電源為油浸式整流器(圖4)，額定輸出電流1 000 A，防護等級IP56，使用壽命20 a。油浸式冷卻保證散熱的高效性，可有效防止鹽霧和潮氣進入機柜對元器件產(chǎn)生腐蝕。前控制面板安裝在防爆控制箱內(nèi)。其他絕緣零件如絕緣子、環(huán)氧玻璃板、墊塊等支撐件做涂覆處理，增加防潮、防霉菌的能力。整流器具備數(shù)據(jù)儲存和遠程控制功能。

圖4 油浸式整流器Fig. 4 Oil-immersed rectifier

2.2.2 輔助陽極系統(tǒng)

輔助陽極及其托架使用于海洋環(huán)境時常因材料選擇不合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計差而失效。而平臺外加電流輔助陽極因安裝在水下，更容易因海水沖刷腐蝕和密封破壞而失效。因此輔助陽極及其托架材料的選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證輔助陽極可靠運行的關(guān)鍵。由于輔助陽極及其托架在海水中使用時主要遭受海水沖刷、海水腐蝕、水壓、電極反應(yīng)產(chǎn)生的氯氣腐蝕等，首先通過耐沖刷性能試驗、電化學(xué)性能試驗和強化壽命試驗優(yōu)選出耐沖刷、長壽命的輔助陽極及其托架材料[15]。輔助陽極選用性價比高、發(fā)生電流穩(wěn)定、消耗率小、機械強度高的MMO陽極；托架材料選用聚四氟乙烯。然后針對海水水下環(huán)境做了耐壓設(shè)計和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，使之能在深水壓力環(huán)境下的穩(wěn)定運行，并針對定型的陽極及其支架做了耐壓強度試驗和模擬深水環(huán)境下的水密性試驗，以檢測輔助陽極系統(tǒng)的機械強度和水密性。

輔助陽極底座采用碳鋼結(jié)構(gòu)，底座焊接了4塊設(shè)計壽命為20 a的犧牲陽極來抑制底座的腐蝕。底座采用混凝土進行配重，配重后底座重3.5 t，保證整個底座在海床上的穩(wěn)定性。當(dāng)海床上海泥較深時，需增加底座下部位置高度并焊接裙板，防止海水對底座下部海泥的沖刷。

通過對輔助陽極的優(yōu)選以及遠地式陽極支架和底座的設(shè)計研制了海洋平臺外加電流陰極保護遠地式輔助陽極工程樣機(圖5)。遠地式輔助陽極采用遠地式陣列結(jié)構(gòu)。每套輔助陽極系統(tǒng)額定輸出電流600 A，耐水壓300 m，使用壽命20 a。

2.2.3 監(jiān)檢測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的海洋石油平臺工程結(jié)構(gòu)物的陰極保護效果評價主要依靠不定期的檢測來完成，需要依靠潛水員或者無人搖控潛水(ROV)攜帶便攜式參比電極到指定位置進行測量和評價，這種方法不僅會耗費巨大，而且無法對整個海洋平臺結(jié)構(gòu)物進行整體的和持續(xù)的保護效果評價。

針對以上問題，我所在研制的整流器上集成了海洋平臺陰極保護監(jiān)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時了解和掌握海洋石油平臺的腐蝕狀態(tài)，隨時提供水下鋼結(jié)構(gòu)陰極保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)問題和隱患。對于確保海洋石油平臺鋼結(jié)構(gòu)長期安全運營，具有重要價值。該系統(tǒng)能夠不間斷地測量平臺鋼結(jié)構(gòu)水下不同位置和區(qū)域的電位，具有實時顯示和自動存儲功能。該系統(tǒng)和整流器的集成設(shè)計節(jié)約了設(shè)備成本，并且節(jié)省了平臺上的設(shè)備安裝空間。

海洋平臺陰極保護監(jiān)檢測系統(tǒng)主要包括參比電極、數(shù)據(jù)采集存儲儀及信號傳輸電纜等設(shè)備。參比電極采用了在海洋環(huán)境中使用性能較好的Ag/AgCl和高純鋅雙參比電極(圖6)，使用雙參比電極的兩個電極的反饋電位可以相互印證，防止電極失效造成的電位監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。所選電極均進行了嚴格的電化學(xué)性能測試[16]，并且針對海洋環(huán)境設(shè)計了多孔的防污損護套，該護套還能增加整個電極體的機械強度，防止外力撞擊造成參比電極損壞。同時還測試了參比電極的耐壓強度驗和水密性，確保監(jiān)測電位的長期準(zhǔn)確性以及在深水環(huán)境中使用的可靠性。

圖5 遠地式輔助陽極示意圖Fig. 5 The far type auxiliary anode圖6 Ag/AgCl和高純鋅雙參比電極Fig. 6 The composite reference electrode of Ag/AgCl and high purity zinc

為了便于參比電極的水下安裝，該參比電極采用了一種便捷卡箍的安裝方式，如圖7所示，將參比電極預(yù)裝在鉗式卡箍上，使用鉗式卡箍連接構(gòu)筑物，該卡箍使用方便快捷，可采用ROV安裝。

2.3 平臺外加電流陰極保護裝置實海測試

為了檢測平臺外加電流陰極保護裝置的整體性能，在青島小麥島海域?qū)ρ兄频钠脚_外加電流陰極保護裝置進行了實海測試。測試采用鐵絲網(wǎng)模擬被保護物，研制的油浸式整流器作為直流電源，遠地式陽極作為輔助陽極，截至目前已經(jīng)過了18個月的實海測試。測試結(jié)果表明平臺外加電流陰極保護裝置可以穩(wěn)定的輸出600 A的保護電流，該裝置輸出的保護電流值在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，相比國外同類產(chǎn)品亦處于先進水平(國外同類產(chǎn)品輸出保護電流200～500 A)。

整流器持續(xù)運行18個月無故障，并且運行穩(wěn)定、恒流精度高、實測紋波系數(shù)<2%。輔助陽極體外觀良好，表面未附著海生物(圖8)。支架及底座無明顯腐蝕，底座上犧牲陽極溶解均勻。陰極鐵絲網(wǎng)表面覆蓋率了鈣鎂沉積層，采用Ag/AgCl便攜式參比電極檢測了陰極電位，和固定在陰極上雙參比電極對比結(jié)果見表1。

由表1可以看出陰極鐵絲網(wǎng)保護狀態(tài)良好，達到了-800～-1 150 mV的保護范圍。固定式參比電極的電位檢測準(zhǔn)確。

圖7 參比電極安裝Fig. 7 Reference electrode installation 圖8 實海測試低潮位時的輔助陽極Fig. 8 The auxiliary anodes in practical tests of low water

固定雙參比電極Ag/AgCl便攜式參比電極Ag/AgCl參比電極-1050mV-1049mV高純鋅參比電極2mV-

3 結(jié)論

(1) 采用縮比模型試驗優(yōu)化了平臺外加電流陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，并通過數(shù)值模擬計算驗證了結(jié)果的可靠性。數(shù)值模擬結(jié)果和縮比模型試驗數(shù)據(jù)結(jié)果較吻合，整個平臺模型電位分布比較均勻，沒有過保護和欠保護的現(xiàn)象。通過縮比模型試驗和數(shù)值模擬計算說明設(shè)計的外加電流陰極保護系統(tǒng)可以良好的實現(xiàn)對整個平臺的腐蝕控制。

(2) 通過對材料、設(shè)備、設(shè)計以及安裝工藝方面的研究構(gòu)建了一套平臺外加電流陰極保護延壽修復(fù)裝置。實驗室測試和實海測試結(jié)果表明該系統(tǒng)性能可靠、運行穩(wěn)定，解決了傳統(tǒng)外加電流裝置可靠性差、控制精度低、壽命短、單套系統(tǒng)發(fā)生電流小等關(guān)鍵問題。研制的輔助陽極可耐水壓300 m，適用于較深海域海洋石油平臺的陰極保護延壽修復(fù)。

[1] 李妍，劉忠斌. 海洋平臺的陰極保護[J]. 中國造船,2002,10(43):162-164.

[2] FFRENCH-MULLEN T. An impressed current system for the protection of offshore platform[J]. Materials Performance,1980,19:15-20.

[3] JAMES N B. Cathodic protection surveys of offshore platforms-A new approach[C]//Corrosion 98,San Diego Ca:[s.n.],1998:22-27.

[4] CABE R L,MUSSINELLLI G L,TETTAMANTI M,et al. Impressed current cathodic protection systems of offshore structures[C]//Corrosion 89,New Orleans,LA(USA):[s.n.],1989:17-21.

[5] 夏定健. 近海固定平臺陰極保護陽極系統(tǒng)設(shè)計原則及應(yīng)用[C]//第三屆中國國際腐蝕控制大會,鄭州:[s.n.],2005:118-126.

[6] 武列，吳晨陽，倪政瑜,等. 近海港工鋼結(jié)構(gòu)陰極保護工程設(shè)計應(yīng)用研究的實踐[C]//第十四屆亞太腐蝕控制會議，上海:[s.n.],2006:29-45.

[7] DNV-RP-B401-2010 Cathodic protection design[S].

[8] NACE SP0176-2007 Corrosion control of submerged areas of permanently installed steel offshore structures associated with petroleum production[S].

[9] DEGIORGIA V G,THOMAS E D,LUCASB K E. Scale effects and verification of modeling of ship cathodic protection systems[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements,1998,22:41-49.

[10] 于楠,梁成浩,吳建華,等. 基于縮比模型理論的船舶外加電流陰極保護系統(tǒng)水線下表面電位的研究[J]. 腐蝕與防護,2006,5(28):369-372.

[11] 吳建華,梁成浩,于楠,等. 基于縮比模型模擬的船體單區(qū)域外加電流陰極保護系統(tǒng)[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報，2010,36(1):35-38.

[12] 劉福國,武素茹. 導(dǎo)管架平臺外加電流陰極保護數(shù)值模擬計算研究[J]. 石油化工腐蝕與防護，2011，28(6):9-11.

[13] 杜艷霞,張國忠,李健. 陰極保護電位分布的數(shù)值計算[J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報,2008,28(1):53-58.

[14] DEGIORGI V G,WIMMER S A. Geometric details and modeling accuracy requirements for shipboard impressed current cathodic protect ion system modeling[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements,2005(29):15-28.

[15] 韓冰，賈思洋，陳學(xué)政. 海水環(huán)境中水流對輔助陽極體及其托架材料的影響[C]//第七屆海峽兩岸腐蝕與防護研討會，昆明:[s.n.],2010:275-279.

[16] 尹鵬飛，馬長江，許立坤. 工程用Ag/AgCl參比電極性能對比研究[J]. 裝備環(huán)境工程,2011,8(5):27-31.

Repair and Prolonging Life Technology of Impressed Current Cathodic Protection for Offshore Oil Platform

LIU Fu-guo1, YIN Peng-fei2, ZHANG Guo-qing1, ZHANG Wei2, HAN Bing2

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China; 2. Qingdao NCS Testing and Protection Technology Co., Ltd., Qingdao 266071, China)

The repair and prolonging life technology of cathodic protection for offshore oil platforms is introduced, and the necessity of impressed current cathodic protection(ICCP) technology instead of sacrificial anode technology to repair and prolonging life for platforms is expounded. A repair and prolonging life technology of ICCP for offshore oil platforms was built by studying the materials, equipment and design of ICCP system. This technology is applicable to repair and prolonging life of cathodic protection for offshore oil platforms in relatively deeps sea.

platform； impressed current； catholic protection； repair and prolonging life； corrosion； protection

2014-06-11

尹鵬飛(1983-)，工程師，碩士，從事海洋構(gòu)筑物防腐蝕研究，13608970961，ypf1201@163.com

TG174.41

B

1005-748X(2015)03-0276-05