李 劍,戴 忠,陳 渝

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452; 2. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300452)

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應(yīng)用技術(shù)

海洋平臺(tái)用新型翼型陽(yáng)極設(shè)計(jì)

李 劍1,戴 忠2,陳 渝1

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452; 2. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300452)

摘要：根據(jù)我國(guó)海洋鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)具體實(shí)例計(jì)算和模擬試驗(yàn)對(duì)比研究了一種新型翼型陽(yáng)極與傳統(tǒng)形式陽(yáng)極的陽(yáng)極材料用量及電化學(xué)性能。結(jié)果表明:新型翼型陽(yáng)極在滿足初期保護(hù)所需電流密度需求及中、后期的陽(yáng)極質(zhì)量要求的同時(shí),有效降低犧牲陽(yáng)極材料的使用量,從而減少制造、運(yùn)輸和安裝費(fèi)用,降低成本,減少重金屬污染。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái);陰極保護(hù);翼型陽(yáng)極;設(shè)計(jì)

目前我國(guó)海洋鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)執(zhí)行DNV或NACE標(biāo)準(zhǔn)，陽(yáng)極質(zhì)量應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計(jì)壽命期間維持電流所需的陽(yáng)極總質(zhì)量和初始電流密度的雙重需求[1-2]。當(dāng)兩者不同時(shí)，為達(dá)到保護(hù)要求，取其大值，由此會(huì)造成陽(yáng)極材料的浪費(fèi)。本工作介紹了一種新型翼型陽(yáng)極,通過(guò)提高陽(yáng)極表面積與體積比值，即發(fā)生電流與陽(yáng)極質(zhì)量的比值，從而達(dá)到既滿足初期所需保護(hù)電流密度的要求，又能滿足中、后期的陽(yáng)極質(zhì)量要求，由此降低犧牲陽(yáng)極材料的使用量，減少制造、運(yùn)輸、安裝費(fèi)用，減少結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)負(fù)荷及重金屬污染。

1陰極保護(hù)影響因素

對(duì)于海上構(gòu)筑物全浸區(qū)部分的陰極保護(hù)，欲得到理想的保護(hù)效果，應(yīng)使之充分極化。如陰極保護(hù)前期電流密度相對(duì)較高，會(huì)較快地促成石灰質(zhì)垢層的形成，從而降低長(zhǎng)期維持保護(hù)所需的電流密度[3]。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)海試驗(yàn)表明，鋼在海水中陰極極化時(shí)，電位快速極化至-0.9~-1.0 V(vs.Ag/AgCl,下同),比極化較慢或極化電位不夠負(fù)情況下所產(chǎn)生的石灰質(zhì)垢層更加致密,更具保護(hù)性。為獲得理想保護(hù)效果需要較大初期電流密度，在此情況下電流密度隨著石灰質(zhì)垢層的形成而快速(成10倍)降低[4-5]。

除海水流速外,電流密度主要取決于水溫。對(duì)深水構(gòu)筑物，不同溫度區(qū)域宜采用不同的設(shè)計(jì)值，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)溫度變化間隔不超過(guò)5 ℃將構(gòu)筑物劃分為不同的區(qū)域，由每個(gè)區(qū)域的平均溫度和電阻率來(lái)確定所需要的電流密度。

表1為我國(guó)渤海和南海主要海上石油生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)推薦參數(shù)。

表1　陰極保護(hù)設(shè)計(jì)推薦參數(shù)

2常規(guī)陽(yáng)極設(shè)計(jì)[7]

2.1陽(yáng)極電流理論

初期電流密度根據(jù)歐姆定律和電阻公式，由陽(yáng)極原始尺寸根據(jù)Dwight′s或Crennell′s(Mccoy′s)電阻公式計(jì)算。平均電流密度用來(lái)計(jì)算在整個(gè)設(shè)計(jì)壽命期間維持電流所需的陽(yáng)極總質(zhì)量。末期電流密度的計(jì)算除了使用消耗后的陽(yáng)極尺寸外，與初期電流密度計(jì)算方法相似。

根據(jù)Dwight修正公式，圓柱形陽(yáng)極與所處電解質(zhì)間的接水電阻用下式計(jì)算[8]：

(1)

式中:R為陽(yáng)極與電解質(zhì)間的電阻，Ω；ρ為電解質(zhì)電阻率，Ω·cm(見(jiàn)表1)；L為陽(yáng)極長(zhǎng)度，cm；K為與長(zhǎng)度單位有關(guān)的系數(shù),取0.500/π或0.159;r為陽(yáng)極半徑，cm,如果截面不是圓形，其等效半徑為：

(2)

式中:C為陽(yáng)極截面周長(zhǎng)。

陽(yáng)極發(fā)生電流可由歐姆定律來(lái)確定：

(3)

式中:E為陰極保護(hù)狀態(tài)下?tīng)奚?yáng)極工作電位與被保護(hù)構(gòu)筑物陰極極化電位之差，即驅(qū)動(dòng)電壓。

因此，只要陽(yáng)極的截面周長(zhǎng)不變，則初期接水電阻R不變，進(jìn)而陽(yáng)極初期發(fā)生電流不變。

2.2常規(guī)陽(yáng)極設(shè)計(jì)計(jì)算

以渤海油田導(dǎo)管架的常規(guī)陽(yáng)極計(jì)算為例，所需的犧牲陽(yáng)極數(shù)量必須滿足初期、維持期和后期保護(hù)電流密度三種不同的計(jì)算要求。相關(guān)數(shù)據(jù)如下：構(gòu)筑物表面積為9 300 m2;設(shè)計(jì)壽命為20 a;ρ為20 Ω·cm(取自表1)。

根據(jù)這些數(shù)據(jù),所選Al-Zn-In犧牲陽(yáng)極具有下列性能參數(shù)：E=0.25 V(犧牲陽(yáng)極工作電位為-1.05 V，陰極極化電位為-0.80 V)；陽(yáng)極長(zhǎng)度L=260 cm；初期半徑r=14.6 cm，陽(yáng)極芯半徑rcore=5.7 cm；每塊陽(yáng)極質(zhì)量Wt=300 kg；犧牲陽(yáng)極電容量C=2 600 A·h/kg。

由此得到塊陽(yáng)極初期發(fā)生電流I=4.81 A。暴露面積為9 300 m2的被保護(hù)構(gòu)筑物所需陽(yáng)極數(shù)量N1=233塊。初期保護(hù)電流密度120 mA/m2，取自表1。

為了滿足構(gòu)筑物對(duì)平均保護(hù)電流密度的要求，確定在20 a設(shè)計(jì)壽命內(nèi)被保護(hù)構(gòu)筑物所需陽(yáng)極數(shù)量N2=134塊。平均保護(hù)電流密度為65 mA/m2，取自表1。

計(jì)算滿足后期電流所需陽(yáng)極數(shù)量時(shí)，應(yīng)先根據(jù)消耗后的陽(yáng)極尺寸，采用與初期電流類似的方法計(jì)算得到I=5.03 A，后期所需陽(yáng)極數(shù)量N3=167塊。后期保護(hù)電流密度為90 mA/m2,取自表1。按照常規(guī)陽(yáng)極設(shè)計(jì)，初期電流計(jì)算結(jié)果需要233塊陽(yáng)極；后期電流計(jì)算結(jié)果需要167塊陽(yáng)極；若滿足維持電流密度(忽略初期加速極化與后期破損率增加等因素)全程有效陰極保護(hù)所需陽(yáng)極只要134塊。對(duì)于該實(shí)例，從安全保險(xiǎn)考慮，應(yīng)選擇233塊，但是這個(gè)值與滿足平均電流所要求的134塊差別很大，造成了較大浪費(fèi)。

3新型翼型陽(yáng)極設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)原則

由于一般情況下初期保護(hù)所需極化電流大于后期保護(hù)電流，故在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中需同時(shí)滿足提供初期保護(hù)所需要的極化電流和全程設(shè)計(jì)壽命所需要的陽(yáng)極質(zhì)量。

新型陽(yáng)極設(shè)計(jì)思路：按照初期電流密度計(jì)算所需陽(yáng)極塊數(shù)量，在陽(yáng)極塊數(shù)量不變的情況下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的翼形陽(yáng)極(如圖1所示)，可減小陽(yáng)極塊的質(zhì)量而保持新型陽(yáng)極表面積不變，從而既滿足初期極化電流密度要求和設(shè)計(jì)壽命全程保護(hù)的需要，又達(dá)到節(jié)省陽(yáng)極材料的目的。

圖1　新型翼型陽(yáng)極Fig. 1　New type airfoil anode

3.2具體改進(jìn)案例

按上述案例計(jì)算，為滿足初期極化電流密度，需要233塊陽(yáng)極。由表2可見(jiàn),如采用發(fā)生電流(等效半徑)與常規(guī)陽(yáng)極相同的新型翼型陽(yáng)極，則每塊陽(yáng)極的質(zhì)量由原來(lái)的300 kg減少至211.5 kg，陽(yáng)極質(zhì)量降低了29.5%，而陽(yáng)極總質(zhì)量則降低為233×211.5=49 279.5 kg,維持電流密度全程有效陰極保護(hù)所需陽(yáng)極質(zhì)量為134×300=40 200 kg，多出的18.4%的陽(yáng)極，合理補(bǔ)充了初期加速極化、后期破損率增加等因素對(duì)陽(yáng)極的消耗量。

表2　兩種陽(yáng)極質(zhì)量的對(duì)比

這種新型陽(yáng)極既保證了初期發(fā)生電流，保證了初期的加速極化，又降低了陽(yáng)極總重量，節(jié)約了資源。

4實(shí)驗(yàn)室模擬

通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水槽中進(jìn)行常規(guī)方條型陽(yáng)極與新型翼型陽(yáng)極對(duì)比模擬試驗(yàn)，研究和分析評(píng)價(jià)兩者發(fā)生電流及其陰極保護(hù)效果。

室內(nèi)陰極保護(hù)模擬試驗(yàn)采用PVC水槽，其內(nèi)部容積為φ600 mm×1 050 mm，對(duì)比試驗(yàn)陰極選用兩塊3 mm×600 mm×1 000 mm的Q235B鋼板，并將其一側(cè)表面除銹磨光，以相同的布設(shè)位置和方法各安裝一塊犧牲陽(yáng)極試樣和8個(gè)Ag/AgX參比電極。鋼板另一側(cè)粘接組合成一體。

對(duì)比試驗(yàn)中試樣A為翼型陽(yáng)極試樣，試樣B為方條型陽(yáng)極試樣。試驗(yàn)前試樣A質(zhì)量為4.38 g，試樣B質(zhì)量為9.05 g，兩陽(yáng)極試樣面積接近于15.6 cm2。試驗(yàn)后試樣A質(zhì)量為2.07 g，試樣B質(zhì)量為6.83 g。

圖2　試樣A與試樣B試樣初期發(fā)生電流Fig. 2　The initial current of samples A and B

圖3　試樣A與試樣B試樣全程發(fā)生電流Fig. 3　The whole current of samples A and B

用數(shù)據(jù)采集/存儲(chǔ)器自動(dòng)測(cè)鋼試樣兩面電位分布變化，陽(yáng)極電位及其發(fā)生電流部分試驗(yàn),結(jié)果如圖2，3所示。由圖2,3可以看出，試驗(yàn)條件下，試樣A的面積與試樣B的相近，其質(zhì)量不及試樣B的一半，但其發(fā)生電流卻比試樣B大15%左右。這種情況可能是由于試樣A的外向角邊活化因素的作用大于內(nèi)向凹陷隱蔽因素的影響所致。

5結(jié)論

由模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，新型翼型陽(yáng)極比相同表面積的傳統(tǒng)方條型陽(yáng)極表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性

能，而其質(zhì)量?jī)H為方條形陽(yáng)極的一半。因此，在平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，采用翼型陽(yáng)極替代常規(guī)方條型陽(yáng)極，可在滿足初期陽(yáng)極發(fā)生電流需求情況下大大減少實(shí)際陽(yáng)極質(zhì)量，降低經(jīng)濟(jì)成本。

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Design of a New Type Airfoil Anode for Offshore Platform

LI Jian1, DAI Zhong2, CHEN Yu1

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China;2. CNOOC (China) Co., Ltd. Tianjin Branch, Tianjin 300452, China)

Abstract：According to cathodic protection design standards of marine steel structures in China, the amount and electrochemical properties of anode material were studied by comparing a new airfoil anode with anodes in traditional shape through calculation of concrete example and simulation experiment. The results show that the airfoil anode reduces the amount of sacrificial anode material effectively, meets current density requirement in the early protection and weight demand in the late requirements, which will reduce the costs of manufacturing, transportation and installation and the pollution of heavy metals.

Key words：offshore platform; cathodic protection; airfoil anode; design

中圖分類號(hào)：TG174.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-748X(2016)02-0137-03

通信作者：李 劍(1982-)，工程師，碩士，從事海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的理化檢測(cè)，13821139783，lijian1@mail.cooec.com.cn

收稿日期：2015-01-22

DOI:10.11973/fsyfh-201602010