李 輝 陳亞林 賀海龍 韓 冰 李向陽(yáng)許 彪 廖卓偉 尹鵬飛 李金梅 鄭志建

（1. 中海油能源發(fā)發(fā)展裝備技術(shù)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2. 青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；3. 大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

在海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的大背景下，海上風(fēng)電、海上采油、采氣等海洋工程項(xiàng)目正抓緊布局、實(shí)施。無(wú)論近海還是遠(yuǎn)海，海洋工程用鋼面臨的首要問(wèn)題就是腐蝕。眾所周知，海水中較高的氯離子濃度，使得海洋環(huán)境的腐蝕速率較淡水、內(nèi)陸環(huán)境高出數(shù)十倍，因此，海洋工程的防腐問(wèn)題較為突出。目前，針對(duì)大型海工鋼構(gòu)物，國(guó)內(nèi)主要采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方法。這種方法工程經(jīng)驗(yàn)豐富、成本低、無(wú)需專業(yè)人員維護(hù)，受到了工程人員的廣泛認(rèn)可。但國(guó)際上，正在逐步減少、淘汰犧牲陽(yáng)極的使用。究其原因，是因?yàn)闋奚?yáng)極在冶煉時(shí)造成嚴(yán)重的大氣污染，同時(shí)在使用時(shí)，大量的金屬離子，尤其是其中的重金屬離子溶于海水，對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生威脅。

外加電流陰極保護(hù)法是目前日趨成熟的海工防腐方法，在國(guó)外已大量工程應(yīng)用[1]，國(guó)內(nèi)正處于推廣階段，其最主要的特點(diǎn)就是環(huán)境友好。目前各個(gè)領(lǐng)域，如海上風(fēng)電樁基、升壓站導(dǎo)管架、采油平臺(tái)導(dǎo)管架等，都逐步接受這一形式，但由于工程經(jīng)驗(yàn)較少，在遠(yuǎn)海，尤其是采油、采氣平臺(tái)上推廣應(yīng)用較慢。

由于海洋工程外加電流系統(tǒng)中輔助陽(yáng)極一般數(shù)量較少，發(fā)生電流集中，因此容易造成被保護(hù)物靠近輔助陽(yáng)極區(qū)域過(guò)保護(hù)和遠(yuǎn)離輔助陽(yáng)極區(qū)域或者屏蔽嚴(yán)重區(qū)域欠保護(hù)的危險(xiǎn)[2-4]。因此在外加電流陰極保護(hù)中，鋼結(jié)構(gòu)表面電位分布的均勻性是評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[2]。

數(shù)值模擬法和縮比模型法是外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩種方法[5]。數(shù)值模擬法是利用計(jì)算機(jī)邊界元或有限元程序求解描述陰極保護(hù)電場(chǎng)的偏微分方程，從而預(yù)測(cè)被保護(hù)構(gòu)筑物表面電位分布[6-8]。數(shù)值模擬法多是針對(duì)靜態(tài)環(huán)境模型進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際的陰極保護(hù)環(huán)境是隨時(shí)間發(fā)生變化的，包括海水流動(dòng)、陰極極化過(guò)程中鋼表面鈣鎂沉積層的變化等，因此邊界條件中陰極表面電位與電流密度函數(shù)會(huì)隨時(shí)間不斷變化，僅根據(jù)靜態(tài)環(huán)境的電位與電流密度函數(shù)關(guān)系描述整個(gè)陰極極化過(guò)程，模擬結(jié)果會(huì)和實(shí)際數(shù)據(jù)有偏差[2]。

縮比模型法是利用被保護(hù)物的縮比模型優(yōu)化預(yù)測(cè)分析被保護(hù)物表面電場(chǎng)，將平臺(tái)的外形尺寸按一定比例縮放，同時(shí)將海水的電導(dǎo)率也縮比相同的比例。該方法具有復(fù)制平臺(tái)復(fù)雜幾何形狀，而不依賴任何所用材料的極化曲線等電化學(xué)數(shù)據(jù)，具有節(jié)省時(shí)間、降低成本的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在船體陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用[9-11]。

本文主要從工程角度出發(fā)，采用縮比模型法研究了輔助陽(yáng)極距離、數(shù)量、流動(dòng)海水等情況對(duì)導(dǎo)管架陰極保護(hù)電位分布的影響，試驗(yàn)結(jié)果可以給具體工程提供借鑒。同時(shí)，在模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電位容易受外部條件影響的區(qū)域，以及容易過(guò)保護(hù)、欠保護(hù)的區(qū)域。因此在實(shí)際工程中，可以在這些區(qū)域布置電位探頭，用以監(jiān)測(cè)其電位變動(dòng)情況，從而可以大致掌握整個(gè)導(dǎo)管架的陰極保護(hù)情況。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)以中海石油WC14-3采油平臺(tái)導(dǎo)管架為基礎(chǔ)，構(gòu)建了1:65的縮比模型，模型材料為Q235碳鋼，模型各連接處采用單面滿焊焊接，焊接后對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理，保證焊道外面光滑。

輔助陽(yáng)極采用自制的遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極（如圖1所示），主材為鈦基金屬氧化物，有效外露陽(yáng)極共4根φ3×60mm的圓棒。其支架是PVC板，并固定于混凝土底座上。

電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用自制的粉壓Ag/AgCl作為參比電極，所有電位測(cè)量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集、記錄。參比電極在海水中浸泡10d后，用飽和甘汞電極測(cè)量其電極電位，挑選符合GB/T 7387-1999要求的參比電極用于試驗(yàn)測(cè)量。本試驗(yàn)中共布放10支參比電極，布放位置如圖2所示。

整個(gè)縮比試驗(yàn)裝置放在模擬水池（如圖3所示）中，水池尺寸為4.1×3.0×2.1m，水池四周及底面均標(biāo)有刻度尺，水池本身裝有造涌、造浪裝置，可模擬實(shí)際的流動(dòng)海水情況。外加電流裝置使用ZF-9型恒電位儀，確保外加電流系統(tǒng)有穩(wěn)定、精確的恒流輸出。試驗(yàn)所用海水為自然海水經(jīng)淡水稀釋100倍的人工海水。

2 結(jié)果與討論

為了研究輔助陽(yáng)極距導(dǎo)管架的距離，對(duì)導(dǎo)管架陰極保護(hù)電位分布的影響，以及流動(dòng)海水對(duì)陰極保護(hù)電位的影響。我們將導(dǎo)管架緊貼水池一側(cè)中間放置，輔助陽(yáng)極放在距離導(dǎo)管架底邊正前方120cm處的水池底面，液面處于第一平層與頂端之間，距離導(dǎo)管架模型頂端23cm。池中海水循環(huán)流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)管架模型附近的水流約30cm/s，其中水面和水底附近的流速較小，所測(cè)瞬時(shí)流速不超過(guò)35cm/s，中間流速較大，所測(cè)瞬時(shí)流速小于45cm/s。

試驗(yàn)期間，移動(dòng)輔助陽(yáng)極，使其逐漸靠近導(dǎo)管架模型，在距離40cm、60cm、80cm、100cm、120cm時(shí)，開(kāi)始施加100mA的陰極電流，并分別測(cè)量靜態(tài)、動(dòng)態(tài)海水中，導(dǎo)管架的陰極保護(hù)電位。每個(gè)間距點(diǎn)測(cè)量時(shí)，先測(cè)量靜態(tài)海水中的數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)束后及時(shí)斷電，并間隔8h以上，再測(cè)量動(dòng)態(tài)海水中的數(shù)據(jù)，確保每次測(cè)量前導(dǎo)管架充分去極化。測(cè)量結(jié)果如圖4～圖8所示。

首先，靜態(tài)海水與動(dòng)態(tài)海水條件下的橫向比較中，無(wú)論間距遠(yuǎn)近，動(dòng)態(tài)海水的10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的陰極保護(hù)電位值比較分散，既各點(diǎn)電位差距較大，而靜態(tài)海水下，各點(diǎn)的陰極保護(hù)電位值相對(duì)集中。動(dòng)態(tài)海水下的電位分散性在間距40cm和120cm時(shí)尤為突出，說(shuō)明動(dòng)態(tài)海水更容易出現(xiàn)過(guò)保護(hù)和欠保護(hù)的情況，而輔助陽(yáng)極與被保護(hù)物間的距離調(diào)整，可以改善電位分散的情況。我們知道，相同條件下，海水流速越快，其陰極去極化能力越強(qiáng)。而導(dǎo)管架復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以及海水流速在縱向上的差異，使得導(dǎo)管架各點(diǎn)附近的實(shí)際海水流速差別較大。因此，各點(diǎn)不同的陰極反應(yīng)速率導(dǎo)致了各點(diǎn)電位值有較大差異。

此外，我們發(fā)現(xiàn)，距離水面較近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如1#、6#，其電位相對(duì)偏正，處在水底的電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如3#，其電位相對(duì)偏負(fù)。而且無(wú)論在靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)海水中，無(wú)論輔助陽(yáng)極距離導(dǎo)管架模型遠(yuǎn)、近，這種情況始終存在。對(duì)于遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)，由于輔助陽(yáng)極距離3#點(diǎn)始終最近，而距離1#、6#始終最遠(yuǎn)，加上水面附近的溶氧充足，容易去陰極極化，因此在電位分布上，底端的3#點(diǎn)電位最負(fù)，頂端的1#、6#點(diǎn)電位最正。也就是說(shuō)，上述點(diǎn)位是容易過(guò)保護(hù)和欠保護(hù)的地方，在外加電流系統(tǒng)中需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

在不同間距下測(cè)得的導(dǎo)管架電位的縱向比較中，我們著重研究了不同距離，對(duì)導(dǎo)管架電位分布均勻性的影響。圖9為不同間距下，導(dǎo)管架各點(diǎn)的電位差極值。靜態(tài)海水中，隨著輔助陽(yáng)極向?qū)Ч芗苤饾u靠近，電位差極值先減小，后增加，在間距80cm時(shí)電位分布最均勻。而動(dòng)態(tài)海水中，上述規(guī)律并不明顯，在間距80cm時(shí)，電位差極值雖然出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，但間距40cm時(shí)，導(dǎo)管架的電位分布才最均勻。需要指出，這種電位分布規(guī)律，僅適用于遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)。因?yàn)樵谶h(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)中，輔助陽(yáng)極距離導(dǎo)管架較近，會(huì)造成電流屏蔽，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和距離陽(yáng)極較遠(yuǎn)的地方，陰極電流分流較少，造成電位分布不均；如輔助陽(yáng)極距離導(dǎo)管架較遠(yuǎn)，回路電阻明顯增加，導(dǎo)管架是距離陽(yáng)極較遠(yuǎn)的地方回路電阻大，陰極電流分流少，也容易形成電流分布不均。實(shí)際海況下，由于導(dǎo)管架各點(diǎn)的海流差別較大，海流影響陰極反應(yīng)速率，進(jìn)而影響導(dǎo)管架表面電位，但不同流速對(duì)導(dǎo)管架電位分布影響，還需進(jìn)一步探究。

使用與上文中相同的輔助陽(yáng)極2組，分列在導(dǎo)管架左右兩側(cè)且距離導(dǎo)管架中心距離相等，兩個(gè)輔助陽(yáng)極橫向間距300cm，縱向與導(dǎo)管架近側(cè)底邊的距離為200cm，并在縱向上同時(shí)移動(dòng)兩個(gè)輔助陽(yáng)極，逐步接近導(dǎo)管架模型。測(cè)量方法與單組陽(yáng)極的試驗(yàn)一致。

本組試驗(yàn)，分別測(cè)量了輔助陽(yáng)極距導(dǎo)管架底邊縱向距離為40cm、80cm、120cm、160cm、200cm時(shí)，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)海水中導(dǎo)管架各點(diǎn)電位，結(jié)果如圖10～圖14所示。

采用左右2組輔助陽(yáng)極發(fā)生陰極電流時(shí)，明顯可以看出動(dòng)態(tài)海水中，與1組輔助陽(yáng)極相比，導(dǎo)管架各點(diǎn)電位值的分散性較小。上述圖10～圖14靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的橫向比較中，電位值的分散性基本相當(dāng)，亦表明2組輔助陽(yáng)極，明顯有助于動(dòng)態(tài)海水中的導(dǎo)管架電位均勻分布。

上述圖10～圖14中，依然發(fā)現(xiàn)1#、6#點(diǎn)位，也就是最靠近水面的地方電位最正，但電位最負(fù)點(diǎn)，變成了8#點(diǎn)位。8#點(diǎn)與3#點(diǎn)在同一水平面，雖然2組輔助陽(yáng)極改變了最負(fù)電位的位置，但整體規(guī)律沒(méi)變，既遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)中，底端容易過(guò)保護(hù)，而頂端容易欠保護(hù)。

圖15是使用2組輔助陽(yáng)極后，各間距測(cè)量點(diǎn)的電位差極值變化情況。靜態(tài)海水中，我們發(fā)現(xiàn)了與1組輔助陽(yáng)極試驗(yàn)中相同的規(guī)律，只是電位分布最均勻的間距為120cm。采用2組輔助陽(yáng)極后，對(duì)動(dòng)態(tài)海水中的電位分布均勻性影響明顯?？梢钥闯鱿聢D中，動(dòng)態(tài)海水條件下，電位差極值的變化也出現(xiàn)了與靜態(tài)海水相近的V型規(guī)律，且同樣在間距120cm時(shí)，電位分布最均勻。

從上述結(jié)果中可以看出，2組輔助陽(yáng)極的使用，主要影響了動(dòng)態(tài)海水條件下的電位分布，使得導(dǎo)管架的電位分布更均勻，改善了1組輔助陽(yáng)極導(dǎo)致的容易發(fā)生過(guò)保護(hù)和欠保護(hù)的情況，這對(duì)實(shí)際工程具有重大的指導(dǎo)意義。但總體看來(lái)，流動(dòng)海水較靜態(tài)海水，增加了導(dǎo)管架的外加電流陰極過(guò)保護(hù)、欠保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)地式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)組，距離輔助陽(yáng)極較近的位置容易發(fā)生過(guò)保護(hù)，距離輔助陽(yáng)極較遠(yuǎn)的位置容易發(fā)生欠保護(hù)，工程應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

動(dòng)態(tài)海水中的導(dǎo)管架陰極保護(hù)電位分布較不均勻，增加了過(guò)保護(hù)、欠保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，亦表明海水流速對(duì)陰極保護(hù)電位分布存在相關(guān)性影響。

輔助陽(yáng)極距導(dǎo)管架的距離，影響了導(dǎo)管架電位分布的均勻性，隨著輔助陽(yáng)極遠(yuǎn)離導(dǎo)管架，導(dǎo)管架各處的最大電位差先變小，后變大，亦既對(duì)于電位均勻性來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)最佳距離。

2組輔助陽(yáng)極的使用，明顯改善了動(dòng)態(tài)海水條件下，導(dǎo)管架電位分布的均勻性，降低了過(guò)保護(hù)、欠保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。