賈 旭 胡麗華 宣超杰 常 煒 鞠孝行 宋世德

（1. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

隨著油氣資源需求的日益增加，海底油氣管道也迅速在海底蔓延開來。海底管道因其使用壽命長、制造成本相對低廉等原因，鋪設(shè)距離逐年增加。截至2017年，全球在役油氣管道數(shù)量達(dá)3800條，總里程約196萬公里，在海上能源輸送中發(fā)揮著重要作用[1]。由于長期處在高壓、低溫的復(fù)雜海洋環(huán)境下，海底管道在投入運(yùn)行之前需進(jìn)行合理的陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，目前普遍采用的是犧牲陽極和外防腐涂層結(jié)合的方法[2]。但隨著服役年限的增加，管道防腐涂層不斷降解惡化，外加水下外力對管道的剮蹭或者導(dǎo)管架平臺(tái)等連接結(jié)構(gòu)短接的原因，造成犧牲陽極的丟失或過度消耗，導(dǎo)致管道直接與海水接觸，陰極保護(hù)系統(tǒng)提前進(jìn)入中后期階段[3]。為了保證海洋油氣開發(fā)的持續(xù)性和安全性，在檢測到管道缺陷的情況下，選擇經(jīng)濟(jì)合理的腐蝕防護(hù)方式延長在役海底管道陰極保護(hù)系統(tǒng)服役壽命的工作勢在必行。

目前海洋結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)延壽技術(shù)包括犧牲陽極陰極保護(hù)（SACP）技術(shù)和外加電流陰極保護(hù)（ICCP）技術(shù)。犧牲陽極陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)相對簡單，但其制造和使用過程中會(huì)伴隨生態(tài)污染，水下施工量大，工程投資和維修費(fèi)用相對較高。而外加電流陰極保護(hù)是通過外加直流電源和輔助陽極向被保護(hù)結(jié)構(gòu)物施加陰極電流，使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物達(dá)到保護(hù)狀態(tài)，其保護(hù)電流可調(diào)，水下施工量小，是一種環(huán)境友好型產(chǎn)品，尤其隨著油氣的開采范圍逐漸向深海區(qū)域發(fā)展，外加電流延壽的經(jīng)濟(jì)性則逐漸凸顯[4-6]。但目前，外加電流陰極保護(hù)在海洋導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)中被廣泛使用，在海底管道延壽方面的研究和報(bào)道幾乎為零。目前的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)有遠(yuǎn)地式、拉伸式和固定式三種，僅遠(yuǎn)地式可適用于海底管道，因此提出一種針對海底海底管道的遠(yuǎn)地式外加電流陰極保護(hù)延壽方法[7,8]。圖1為遠(yuǎn)地外加電流方法示意圖。

圖1 遠(yuǎn)地外加電流方法示意圖

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有數(shù)值模擬和縮比實(shí)驗(yàn)方法2種[9]。縮比實(shí)驗(yàn)是將被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的外形尺寸和海水電導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行一定比例的縮放，分析被保護(hù)結(jié)構(gòu)物表面電位的方法。此種方法的局限性是一種模型只能進(jìn)行一種結(jié)構(gòu)的研究，但可以更實(shí)際的評(píng)估陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，本文基于縮比模型理論，建立實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)物理模型和相應(yīng)的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，對遠(yuǎn)地外加電流陰極保護(hù)延壽技術(shù)的有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室層面的驗(yàn)證，并研究其相應(yīng)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

海底管道外加電流陰極保護(hù)室內(nèi)模擬模型包括：模擬實(shí)驗(yàn)水池、海底管道縮比模型、外加電流陰保護(hù)系統(tǒng)、電位檢測系統(tǒng)和相關(guān)配套組件等[10]。

1.1 模擬實(shí)驗(yàn)水池

模擬實(shí)驗(yàn)水池選取大連理工大學(xué)船舶拖曳實(shí)驗(yàn)水池，該水池尺寸為160×7×3.7m。池水電導(dǎo)率為505μs/cm，大連小平島海域海水電導(dǎo)率為31846μs/cm，因此確定縮尺比例為1:63，并按照此縮尺比例建立管道模型，圖2為實(shí)驗(yàn)水池。

圖2 實(shí)驗(yàn)水池

1.2 管道縮比模型

圖3為管道模型，管道縮比模型以外徑為762mm的管道為原型，按照確定的縮尺比例，選取外徑為12mm的Q345鋼質(zhì)管道模型，管道模型通過若干管段連接而成，每段管段長度在3～4m不等，兩管段之間通過焊接螺絲公頭和母頭進(jìn)行連接，同時(shí)在管段連接處兩端通過銅線連接以降低螺紋連接電阻的影響，連接總長度為50m，可用于模擬3km管道。管道表面使用帶膠熱縮管模擬涂層，對這個(gè)管道等距設(shè)置5處涂層破損，每處涂層破損長度為15cm，在其附近固定參比電極，用于檢測涂層破損區(qū)域電位。

圖3 管道模型

1.3 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

圖4為外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由Test CS系列電化學(xué)工作站和Pt 017鉑絲輔助電極組成。使用電化學(xué)工作站雙電極系統(tǒng)的恒電流極化提供恒定并穩(wěn)定的電流輸出。鉑絲電極直徑1mm，長37mm，電化學(xué)穩(wěn)定性較穩(wěn)定，電流效率較高。

圖4 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

1.4 電位檢測系統(tǒng)

圖5為電位檢測系統(tǒng)，電位檢測系統(tǒng)主要由集成數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)和Ag/AgCl固體參比電極組成。數(shù)據(jù)采集卡為NI 6218型號(hào)采集卡，此型號(hào)采集卡有16通道，輸入阻抗高，可達(dá)10 GΩ，且采集數(shù)據(jù)噪聲較小，數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率為0.5Hz。所使用的Ag/AgCl固體參比電極精度在±1mV范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)前在環(huán)境中靜置72h以上，并在實(shí)驗(yàn)室定期使用飽和甘汞電極進(jìn)行標(biāo)定。

圖5 電位檢測系統(tǒng)

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

圖6為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)布置俯視圖，實(shí)驗(yàn)室縮比模型建立完成之后，按照圖6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)布置，完成兩個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，分別為：

（1）電流為14mA時(shí)，距離分別0.16m、0.48m、0.80m、1.12m，為對應(yīng)實(shí)際距離為10m、30m、50 m、70m情況下，管道表面電位分布規(guī)律；

（2）距離為 30m時(shí)，施加電流大小分別為14mA、16mA、18mA、20mA情況下，管道表面電位分布規(guī)律。

圖6 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)布置俯視圖

2 結(jié)果與討論

首先在未施加電流的情況下，記錄5個(gè)固定參比電極的開路電位作為自腐蝕電位，5個(gè)參比電極的數(shù)值上下波動(dòng)不超過5mV，并將實(shí)驗(yàn)中測量的Ag/AgCl固體參比電極電位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同條件下的飽和甘汞參比電極數(shù)據(jù)，得到如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 飽和甘汞電極自腐蝕電位表

2.1 等電流距離影響

實(shí)驗(yàn)保護(hù)電流為14mA不變，將輔助陽極垂直管道方向放置于1#參比電極附近池底，調(diào)整輔助陽極與管道之間的距離分別為0.16 m、0.48 m、0.8 m、1.12 m，整個(gè)管道電位極化數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7為距離影響極化數(shù)據(jù)圖，顯示管道表面各位置參比電極均極化并達(dá)到收斂狀態(tài)，在任何距離下，遠(yuǎn)地陽極達(dá)到對50m（3km）管道的整體腐蝕控制。

圖7 距離影響極化數(shù)據(jù)圖

為研究管道表面電位變化規(guī)律，提取各距離下各參比電極的收斂電位值，與管道自腐蝕電位值做差得到電位差值（施加電流-未加電流），如圖8所示。

圖8 距離影響圖

從圖8中可以看出，隨著遠(yuǎn)地陽極與管道之間距離的增加，1#參比電極電位逐漸正移，但降低幅度逐漸變小。1#參比電極與5#參比電極之間電位差逐漸減小，管道表面電位分布的更均勻。在各距離下，沿管長方向的各參比電極電位逐漸正移，電位變化逐漸變緩，除1#參比電極外，其余參比電極在各距離下的電位變化不超過5mV，可視為趨于穩(wěn)定。

2.2 等距離電流影響

將遠(yuǎn)地陽極放置距離固定為0.48m不變，對應(yīng)實(shí)際距離30m，調(diào)節(jié)施加保護(hù)電流分別為14mA、16mA、18mA、20mA，每一次施加電流都等到管道完全去極化至自腐蝕電位之后再進(jìn)行施加，各電流下的極化數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖10為同樣計(jì)算各電流下電位差值繪制成的曲線圖。從圖中可以看出，隨著施加電流大小增加，管道表面電位整體同步變負(fù)。單獨(dú)就某一電流下的曲線來看，依然呈現(xiàn)在遠(yuǎn)地輔助陽極位置處，管道表面電位最負(fù)，沿管長路由方向逐漸正移且趨于幅度變小，電位差差值可以保證在5mV以內(nèi)。

圖9 電流影響極化數(shù)據(jù)圖

圖10 電流影響圖

2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

根據(jù)以上兩種工況的實(shí)驗(yàn)，分析呈現(xiàn)相應(yīng)規(guī)律的原因是：在遠(yuǎn)地陽極附近的涂層破損處受輔助陽極釋放電場的影響較大，在其周圍附近表現(xiàn)為較負(fù)的電位場，而隨著距離遠(yuǎn)地陽極的距離不斷增加，電場受海水電阻率影響致使電位衰減增加，涂層破損處的電位逐漸正移；隨著沿管長方向距離的增加，相應(yīng)涂層破損處附近電位場區(qū)域穩(wěn)定，變化很小，相應(yīng)電位也趨于穩(wěn)定，如圖11所示。

圖11 電位分布原理圖

3 結(jié)語

（1）采用縮比模型理論，建立外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)管道模型，得到在實(shí)驗(yàn)尺度下，遠(yuǎn)地陽極放置在管道端部一定距離處施加一定量的電流可實(shí)現(xiàn)3km管道的陰極保護(hù)，效果好于犧牲陽極，驗(yàn)證此種遠(yuǎn)地式外加電流陰極保護(hù)方法對于海底管道是有效的；

（2）在施加相同電流的條件下，隨著遠(yuǎn)地陽極與管道之間距離的減小，遠(yuǎn)地陽極放置位置的管道端部電位逐漸變負(fù)，電位極差的絕對值變大，管道表面整體電位表現(xiàn)的不均勻。在各距離下，沿管長方向電位逐漸正移，正移的幅度越來越小并逐漸趨于穩(wěn)定；

（3）在遠(yuǎn)地陽極與管道距離一定的條件下，隨著電流的增加管道表面電位會(huì)整體負(fù)移；

（4）目前只開展了對應(yīng)3km管道的縮尺模型實(shí)驗(yàn)，對于管道的長度可以繼續(xù)延長進(jìn)一步優(yōu)化，且可以進(jìn)行一系列的實(shí)海試驗(yàn)。