余朋偉，任克忍，雷廣進(jìn)，孫艷超，高 妍，李 晨

(1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721001；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721001)

水下采油樹是深海油氣開發(fā)的關(guān)鍵裝備之一,由于其長(zhǎng)期浸泡在海水中極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致油氣泄漏，造成巨大的海洋污染和經(jīng)濟(jì)損失。在水下采油樹研制過程中，為降低海水腐蝕帶來的安全隱患，除了涂覆防腐蝕涂層之外，還采用陰極保護(hù)等防護(hù)措施。在海洋裝備陰極保護(hù)技術(shù)研究方面國(guó)外開展比較早，特別是NACE(美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì))和DNV(挪威船級(jí)社)已經(jīng)制定了這方面陰極保護(hù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。國(guó)內(nèi)企業(yè)在海洋裝備開發(fā)方面起步較晚，在陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)方面研究還涉獵較少，沒有成熟技術(shù)可供參考,因此有必要進(jìn)行深入研究。

1 陰極保護(hù)技術(shù)分析

1.1 陰極保護(hù)方法

陰極保護(hù)有犧牲陽極和外加電源兩種。外加電源需要惰性陽極和外部電源，外部電源需要占用一定的空間，對(duì)于采油樹深海環(huán)境，后期的維護(hù)成本較高，實(shí)施較為困難。犧牲陽極是一次性投入，一般不需要后期維護(hù)。因此，采用犧牲陽極法抑制深海臥式采油樹的電化學(xué)腐蝕，確定了陽極塊布置的最優(yōu)方案，以達(dá)到最佳的陰極保護(hù)效果[2]。

1.2 犧牲陽極材料選擇

1.2.1 犧牲陽極的電化學(xué)性能

深海臥式采油樹架體結(jié)構(gòu)材料為低合金鋼Q345D，工作水深1 500 m，海水的電阻率為25 Ω·m，經(jīng)測(cè)試低合金鋼Q345D作為陰極被保護(hù)的最佳電位為-870 mV。根據(jù)DNV標(biāo)準(zhǔn)RP 401—2007《海洋平臺(tái)等犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)》，對(duì)Al-Zn-In-Cd,Al-Zn-In-Sn,Al-Zn-In-Si,Al-Zn-In-Mg-Ti等4種犧牲陽極進(jìn)行電化學(xué)性能及自放電性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)介質(zhì)取自南海的海水，試驗(yàn)溫度為3 ℃[3-5]。試驗(yàn)時(shí)測(cè)得保護(hù)電位隨時(shí)間的變化曲線見圖1，工作電位隨時(shí)間的變化曲線見圖2，工作電流隨時(shí)間的變化曲線見圖3。

圖1 保護(hù)電位變化曲線

由圖1看出，Al-Zn-In-Sn陽極的保護(hù)電位在自放電測(cè)試初期變化較大，200 h后波動(dòng)較小，并趨于穩(wěn)定；Al-Zn-In-Si陽極的保護(hù)電位則在自放電測(cè)試的中期波動(dòng)較大；而Al-Zn-In-Cd陽極和Al-Zn-In-Mg-Ti陽極在整個(gè)自放電測(cè)試過程中保護(hù)電位都比較穩(wěn)定。Al-Zn-In-Cd陽極的保護(hù)電位最終穩(wěn)定在-940 mV，Al-Zn-In-Sn陽極的保護(hù)電位最終穩(wěn)定在-880 mV，Al-Zn-In-Si陽極的保護(hù)電位最終穩(wěn)定在-920 mV，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極的保護(hù)電位最終穩(wěn)定在-1 070 mV。

圖2 工作電位變化曲線

圖3 工作電流變化曲線

由圖1和圖2可以看出，工作電位隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與保護(hù)電位基本相同。Al-Zn-In-Cd陽極的工作電位穩(wěn)定在-940 mV，Al-Zn-In-Sn陽極的工作電位穩(wěn)定在-890 mV，Al-Zn-In-Si陽極的工作電位穩(wěn)定在-920 mV，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極的工作電位穩(wěn)定在-1 080 mV。

由圖3可以看出，Al-Zn-In-Cd陽極和Al-Zn-In-Sn陽極在整個(gè)自放電測(cè)試中的電流值都比較穩(wěn)定，只有小幅度波動(dòng)，而Al-Zn-In-Si陽極和Al-Zn-In-Mg-Ti陽極則在整個(gè)測(cè)試過程中呈現(xiàn)出較大幅度的波動(dòng)，這種波動(dòng)可以用“溶解-再沉積”的機(jī)理解釋。從電流方面看，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極的工作電流在11～16 mA之間,其他3種犧牲陽極正常工作狀態(tài)下的電流在2～4 mA之間。

1.2.2 犧牲陽極自放電測(cè)試

犧牲陽極自放電是將犧牲陽極與被保護(hù)體直接耦合，利用兩種材料的電位差形成保護(hù)電流，分別測(cè)定陽極電位及電流，描繪電位-時(shí)間曲線。自放電能夠真實(shí)地反應(yīng)陽極在實(shí)際介質(zhì)中的溶解和活化行為，與陽極實(shí)際應(yīng)用條件相同。通過工作電流的數(shù)值變化，觀察陽極的真實(shí)極化程度[6]。

在500 h的自放電測(cè)試后，4種犧牲陽極未去除表面腐蝕產(chǎn)物的形貌如圖4所示。由圖4可以看出,Al-Zn-In-Cd陽極和Al-Zn-In-Sn陽極表面覆蓋了較多的腐蝕產(chǎn)物，而Al-Zn-In-Si陽極和Al-Zn-In-Mg-Ti陽極表面覆蓋的腐蝕產(chǎn)物量較少。由圖5可以看出，4種犧牲陽極都能夠使低合金鋼Q345D陰極表面形成石灰質(zhì)垢層，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極形成的石灰質(zhì)垢層較厚，主要是由于在合金表面發(fā)生吸氧或析氫陰極反應(yīng)，與溶液中的離子作用，當(dāng)達(dá)到某些離子沉積的溶度積時(shí)，便開始沉淀析出，這種白色的產(chǎn)物主要是由CaCO3和Mg(OH)2等組成的鈣鎂沉積物。這層沉積物的存在，能夠抑制鋼材的陰極反應(yīng)，阻止陰、陽離子以及反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散，從而起到減緩鋼材腐蝕的作用[7]。

圖4 犧牲陽極腐蝕產(chǎn)物的形貌

圖5 低合金鋼Q345d形貌

通過幾種陽極的電化學(xué)性能分析和自放電測(cè)試比較可知，Al-Zn-In-Sn作為犧牲陽極時(shí)工作電位與Q345D較近，且在其放電測(cè)試中的表現(xiàn)證明此陽極能很好發(fā)揮陰極保護(hù)作用。

1.3 陰極保護(hù)參數(shù)模擬

利用軟件建立水下采油樹模型來模擬陰極保護(hù)參數(shù)計(jì)算，并對(duì)金屬構(gòu)筑物的表面進(jìn)行離散化，通過電流源參數(shù)和極化曲線參數(shù)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)方程,了解金屬結(jié)構(gòu)各個(gè)表面上的電位分布[8]。

為了保證模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用了BEASY軟件進(jìn)行建模和模擬計(jì)算[9]，采用了“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)+計(jì)算機(jī)模擬”的研究思路。完成設(shè)計(jì)后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)條件下的保護(hù)電位分布模擬計(jì)算，并進(jìn)行全壽命保護(hù)期內(nèi)的電位分布驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和優(yōu)化。

1.3.1 模型建立

根據(jù)水下采油樹三維模型圖(圖6)建立模型，對(duì)于管道采用常用的管單元，對(duì)需要陰極保護(hù)的表面采用面單元。在建立數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，按照陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案，完成陽極材料的3種布置方案設(shè)計(jì)。

圖6 整體模型

1.3.2 模擬計(jì)算分析

開展了陽極材料3種布置方案的數(shù)值模擬分析，采用平均擊穿系數(shù)下的單只陽極輸出電流1.69 A，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到電位分布結(jié)果。其中方案一：6頂部+8立柱陽極，電位分布為最低-1.301 21 V，最高電位為-1.014 57 V。方案二：2頂部+8立柱+4底部陽極電位分布為最低-1.301 1V,最高-1.013 7 V。方案三見圖7，方案三電位分布見圖8。

為達(dá)到降低應(yīng)力腐蝕的目的，根據(jù)DNV標(biāo)準(zhǔn)，采用降低電流輸出進(jìn)行重新數(shù)值模擬。

單根陽極按照25%的電流輸出，針對(duì)涂層平均擊穿系數(shù)，以單根陽極輸出1.69 A電流為基數(shù)，減少后的單根陽極輸出電流為422.5 mA，再次進(jìn)行數(shù)值模擬后的結(jié)果表明，方案三在25%的單根陽極輸出電流下最負(fù)電位為-891 mV，已經(jīng)非常接近-880 mV。在方案三的情況下，各個(gè)部件也處于陰極保護(hù)范圍內(nèi)，既處于陰極保護(hù)狀態(tài)下，又不會(huì)超出-880 mV的保護(hù)上限[10-11]。同時(shí)，由于采油樹頂部和后支撐柱(與面板接觸)不推薦安裝犧牲陽極，所以，第三種安裝方案最佳。

圖7 方案三立柱(3+2)陽極+4底部陽極

圖8 方案三電位分布

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在深海臥式采油樹樣機(jī)上以最佳方案安裝了陰極保護(hù)裝置，并進(jìn)行了通路檢查，確認(rèn)各零部件均處于受保護(hù)狀態(tài)。在廠內(nèi)試驗(yàn)完成后，最終在煙臺(tái)附近海域進(jìn)行了水下作業(yè)試驗(yàn)。

該次海試，水下臥式采油樹在海底浸放32 d(見圖9)。

圖9 水下臥式采油樹出海后情況

由圖9可以看出,出海后采油樹架體外觀良好，未見明顯腐蝕,陽極塊表面發(fā)生明顯化學(xué)變化(見圖10)。由圖10可知,陽極表面形成石灰質(zhì)垢層2 mm左右，該陰極保護(hù)系統(tǒng)能有效保護(hù)設(shè)備不被腐蝕，且自身消減速度合理，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖10 陽極塊表面情況

3 結(jié)論和建議

通過深海臥式采油樹犧牲陽極的陰極保護(hù)技術(shù)研究，試驗(yàn)分析了4種犧牲陽極合金材料電化學(xué)性能，結(jié)合水下臥式采油樹材料和結(jié)構(gòu)特征,通過數(shù)值模擬計(jì)算分析和海試驗(yàn)證，達(dá)到比較滿意的試驗(yàn)效果。

(1)自放電測(cè)試結(jié)果表明:犧牲陽極連接不同的陰極材料，保護(hù)電位基本相同；不同犧牲陽極所能達(dá)到的保護(hù)電位不同。分析對(duì)比了4種不同材質(zhì)陽極材料的工作電位范圍，發(fā)現(xiàn)Al-Zn-In-Sn提供的保護(hù)電位(-880 mV)最接近水下采油樹材料的陰極保護(hù)范圍，故選擇Al-Zn-In-Sn作為犧牲陽極的材料。

(2)采取犧牲陽極限流和降低電流密度的方法，選取14支22 kg，規(guī)格為500×(115+135)×130(尺寸單位mm)的鋁合金犧牲陽極，按照方案三方法安裝，滿足了設(shè)計(jì)要求，使各個(gè)部件既處于陰極保護(hù)狀態(tài)下，又不會(huì)超出-880 mV保護(hù)上限。

(3)雖然該水下采油樹進(jìn)行的海水防腐蝕試驗(yàn)表明陰極保護(hù)布置效果尚佳，但該次試驗(yàn)時(shí)間與采油樹的水下工作壽命相差甚遠(yuǎn)，為了充分驗(yàn)證犧牲陽極安裝的合理性，后期應(yīng)通過工程化應(yīng)用來驗(yàn)證初期與末期保護(hù)電流和設(shè)計(jì)壽命是否滿足實(shí)際需要。