余曉毅 常 煒 賈 旭 蘇云龍 于 湉

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

陵水17-2氣田是中國在南海發(fā)現(xiàn)的首個自營深水大氣田，地處海南島東南部海域，所在海域水深達到1 500 m[1]，并將建設(shè)世界上首座萬噸級凝析油儲存半潛式生產(chǎn)平臺——“深海一號”能源站用于該氣田開發(fā)。為了避免服役期間半潛式生產(chǎn)平臺停產(chǎn)解脫帶來的產(chǎn)量損失、系泊及立管解脫和回接帶來的作業(yè)風險，“深海一號”能源站提出了30年不回塢的長壽命服役設(shè)計要求，這對平臺整體材料可靠性、長效耐腐蝕性能、在位可維護性等方面提出了挑戰(zhàn)。

國際上大型油氣田的深水浮式平臺普遍采用服役期間不回塢的設(shè)計理念，如殼牌公司Olympus張力腿平臺采用了45年不回塢的設(shè)計原則[2]，但其設(shè)計方法、原理及其質(zhì)量保障措施鮮有報道。國內(nèi)深水半潛式生產(chǎn)平臺的設(shè)計和應用經(jīng)驗相對較少，如僅有的“南海挑戰(zhàn)號”半潛式生產(chǎn)平臺是由鉆井平臺改造而來的，其設(shè)計年限為10年[3]?，F(xiàn)役的多個半潛式鉆井平臺根據(jù)船級社強制要求，均設(shè)計為5年回塢檢修。

相較于常規(guī)固定平臺，“深海一號”能源站在不同的裝載工況下吃水深度將產(chǎn)生較大變化，平臺的浪花飛濺區(qū)范圍更大，船體所處的腐蝕環(huán)境更加惡劣，因此平臺結(jié)構(gòu)防腐的要求更高。半潛式生產(chǎn)平臺和FPSO部分船體長期浸沒在海水中，多數(shù)環(huán)氧涂層的使用年限不超過20年，因此常規(guī)半潛式生產(chǎn)平臺及FPSO需要定期回塢進行涂層維護作業(yè)。浪花飛濺區(qū)與海水浸沒區(qū)的船體結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計，成為了制約平臺長壽命防腐安全設(shè)計和全時在位的關(guān)鍵技術(shù)。

本文以”深海一號”能源站為例，系統(tǒng)介紹半潛式生產(chǎn)平臺30年不回塢的全時在位腐蝕設(shè)計技術(shù)及腐蝕風險保障措施，可推廣應用于中國其他深水油氣田設(shè)施全時在位系統(tǒng)化腐蝕防控設(shè)計。

1 長壽命腐蝕控制系統(tǒng)化安全保障設(shè)計

陵水17-2深水氣田工程包括1座半潛式生產(chǎn)平臺及其系泊系統(tǒng)，1套水下生產(chǎn)系統(tǒng)和外輸海底管道。其主要防腐設(shè)計包括管線設(shè)備的內(nèi)腐蝕控制，船體艙室內(nèi)腐蝕控制，大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)和海水全浸區(qū)的船體外腐蝕控制。

設(shè)計中采取的安全原則包括：①船體外結(jié)構(gòu)、貨油艙等人員難以到達的區(qū)域，采用30年全壽命材料耐受設(shè)計；②壓載艙等可維護區(qū)域采用調(diào)載維護方式，不定期進行維護；③最大限度減少薄弱環(huán)節(jié)，例如應力區(qū)不焊接犧牲陽極、受力薄弱環(huán)節(jié)增加腐蝕裕量、船體外板不開孔等。

1.1 管線設(shè)備的內(nèi)腐蝕控制

管線內(nèi)部流體含有CO2等腐蝕性介質(zhì)，CO2氣體溶于水形成碳酸，將導致鋼鐵發(fā)生腐蝕。進入平臺段塞流捕集器入口的CO2含量約為0.5%，H2S含量按5 ppm考慮，采用電子腐蝕工程師軟件(ECE)對90條工藝管線進行腐蝕預測，考慮30年設(shè)計年限和85%緩蝕效率，腐蝕量預測值最大為5.2 mm。由于深水環(huán)境溫度低，從深水運送至淺水半潛式生產(chǎn)平臺的物流溫度約2 ℃，因此管線內(nèi)部整體腐蝕性不高。除了低溫分離器部分管線設(shè)備采用316 L不銹鋼外，其他工藝管線、凝析油管線及濕氣管線設(shè)備均選用“碳鋼+腐蝕裕量+緩蝕劑”的設(shè)計。

1.2 船體艙室腐蝕控制

半潛式生產(chǎn)平臺船體內(nèi)部艙室多、維修難度大，一旦發(fā)生艙室流體泄漏，則可能導致船體壓載控制失效、可燃性流體起火爆炸等重大安全風險，因此必須從設(shè)計、建造、運營3個環(huán)節(jié)進行腐蝕控制。設(shè)計中采用增加腐蝕裕量、防腐涂層防護、犧牲陽極陰極保護、后期運行維護等多項措施，實現(xiàn)船體艙室腐蝕控制。

對于壓載艙內(nèi)壁、凝析油儲存艙底部等部位，由于艙室頻繁調(diào)載等工況造成流體環(huán)境經(jīng)常發(fā)生變化，水線位置會發(fā)生波動。為了提高結(jié)構(gòu)安全可靠性，結(jié)合國外設(shè)計經(jīng)驗，鋼板增加2 mm腐蝕裕量作為一級防護。壓載水艙、貨油艙、生產(chǎn)水艙及污油艙等容易產(chǎn)生游離水的艙室，除了在內(nèi)壁涂覆防腐涂層，同時還需配套采用鋁基犧牲陽極進行聯(lián)合保護。其中，壓載水艙、生產(chǎn)水艙及污油艙涂覆環(huán)氧涂層，犧牲陽極作為涂層失效下的補充防護；貨油艙長期靜置后油水分層，由于接觸凝析油的部位腐蝕風險很低而不需要涂覆涂層，僅在艙頂向下2 m和艙底向上2 m范圍內(nèi)涂酚醛環(huán)氧涂層即可。

1.3 船體外部腐蝕控制

1) 大氣區(qū)。

大氣區(qū)是指平臺飛濺區(qū)以上的部分，該區(qū)域暴露于陽光、風、霧和雨中?？紤]環(huán)境、施工和性能等因素，對不同位置的結(jié)構(gòu)和設(shè)施選用適應性涂層系統(tǒng)，并參照《SY/T 6930海上構(gòu)筑物的保護涂層腐蝕控制》進行表面處理和涂層修復。以甲板面涂層為例，設(shè)計采用雙層耐磨環(huán)氧涂層，以減緩設(shè)備摩擦、人員行走造成的涂層剝落(表1)。實踐證明，不同涂層體系可以實現(xiàn)較長期服役。

表1 “深海一號”能源站甲板面防腐涂層設(shè)計Table 1 Anticorrosive coating design for “Deep Sea No.1” energy station plate decks

2) 飛濺區(qū)。

飛濺區(qū)由于受潮汐、風、波浪和半潛式生產(chǎn)平臺載荷的影響，船體結(jié)構(gòu)干濕交替，需額外增加9.5 mm外腐蝕裕量。為了保障涂層長效使用，飛濺區(qū)及以上區(qū)域船體外部需涂覆高性能耐紫外線耐磨防腐涂層，涂層體系為“環(huán)氧底漆+玻璃鱗片摻雜環(huán)氧”，涂層厚度1 000 μm。該涂層體系經(jīng)過海上平臺的長期實踐，可實現(xiàn)30年的使用壽命。

3) 全浸區(qū)。

全浸區(qū)是指飛濺區(qū)以下的區(qū)域。由于常規(guī)環(huán)氧涂層失效存在不確定性，涂層條件下的陰極保護設(shè)計可能難以完全滿足30年的設(shè)計年限要求。因此，對于全浸區(qū)的船體外防腐不再設(shè)計涂覆涂層，考慮無涂層條件下的陰極保護法，使浸沒在海水中的鋼結(jié)構(gòu)在全壽命周期均處于保護狀態(tài)。針對節(jié)點等高應力部位和焊接熱影響區(qū)，陰極保護能夠防止點蝕，降低疲勞開裂風險[4]。

陰極保護有犧牲陽極法和外加電流法2種，均廣泛應用于海上平臺、FPSO、海底管道、船舶、陸上埋地管道和儲罐內(nèi)外壁防腐[5-6]。犧牲陽極法在鋼結(jié)構(gòu)上焊接安裝犧牲陽極，鋼結(jié)構(gòu)、犧牲陽極與海水形成原電池，通過陰極極化使鋼結(jié)構(gòu)表面電位負于其自然腐蝕電位，進而達到防腐蝕的目的。外加電流陰極保護通過直流電源外加電流，強制使導管架表面電位位于保護電位范圍內(nèi)，以實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)防腐[7-8]?！吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑静捎昧恕盃奚枠O+備用外加電流”的陰極保護設(shè)計。

犧牲陽極設(shè)計采用適用于海水環(huán)境的鋁基犧牲陽極，開路電位負于-1.10 V(相對于Ag/AgCl參比電極)。通過原電池作用，使鋼結(jié)構(gòu)電位從自然腐蝕電位極化至-0.8 V的保護電位以下。根據(jù)《DNVGL-RP-B401陰極保護設(shè)計》的推薦參數(shù)和計算方法核算陽極使用年限[9]。

T=Wuε/(8 760Ic)

(1)

式(1)中：T為使用年限，a；W為犧牲陽極總凈重，kg；u為陽極利用率，取值0.9；ε為陽極電化學容量，取2 000 A·h/kg；Ic為平均需求保護電流，A。

犧牲陽極總凈重W為272 500 kg(含5%裕量)，根據(jù)保護面積和《DNVGL-RP-B401陰極保護設(shè)計》的保護電流密度推薦值計算得到平均需求電流Ic為1 715 A，單獨犧牲陽極可使用年限為32.6年，可滿足船體30年設(shè)計年限的要求。犧牲陽極應盡量均勻分布，并且避開熱影響區(qū)等應力集中區(qū)。對犧牲陽極進行抽檢，以確保陽極電化學容量、開路電位、腐蝕形貌均勻性等陽極性能滿足設(shè)計要求。

船體系泊系統(tǒng)部分采用了聚酯纜，導致底部鋼質(zhì)錨鏈與船體結(jié)構(gòu)無法電連接，因此這部分的防腐采用了增加壁厚設(shè)計。陵水海域海水中可溶性無機氮(DIN)濃度為0.08～0.24 mgN/L，屬于低DIN(<1 mgN/L)海水，根據(jù)美國船級社規(guī)定，低DIN環(huán)境的船體錨鏈腐蝕裕量需要按照12 mm(0.4 mm/a)設(shè)計。錨鏈海底固定樁涂覆純環(huán)氧涂層，并考慮12 mm腐蝕裕量。

2 船體外表面陰極保護系統(tǒng)保障措施研究

盡管現(xiàn)有犧牲陽極設(shè)計可以滿足船體陰極保護設(shè)計年限要求，但在實際運行期間仍存在犧牲陽極消耗過快、船體未能獲得有效保護的潛在可能。需開展船體外表面陰極保護的在位延壽分析和設(shè)計，設(shè)計原則包括：①船體外表面陰極保護系統(tǒng)保障設(shè)計為預防性設(shè)計，不改變現(xiàn)有陰極保護設(shè)計年限要求；②盡可能減少未來外加電流陰極保護裝置安裝工作量；③預留設(shè)計不能降低對現(xiàn)有犧牲陽極陰極保護設(shè)計的要求；④盡可能減少對現(xiàn)有方案的影響。

2.1 陰極保護修復設(shè)計選型

水下焊接犧牲陽極具有免后期維護的優(yōu)點，但其施工難度大、周期長、費用高，因此海上設(shè)施陰極保護系統(tǒng)修復或延壽通常采用外加電流法，例如挪威北海Cormorant導管架[10]、中國LF13-2、PY30-1導管架等。外加電流可根據(jù)導管架陰極保護狀況和被保護結(jié)構(gòu)面積變化來調(diào)節(jié)保護參數(shù)，延壽費用較少，具有長期保護的功能[11-12]。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，外加電流的方案可分為遠地式外加電流陰極保護及張緊式外加電流陰極保護2種方式。不同陰極保護延壽方案的對比見表2。

表2 水下設(shè)施陰極保護系統(tǒng)延壽方案對比Table 2 Comparison of cathodic protection system retrofit for underwater structure

外加電流方法具有費用相對較低、環(huán)保等優(yōu)點。由于陵水17-2氣田水深1 500 m，如果采用遠地式外加電流陰極保護法，則安裝在海床上的輔助陽極難以對半潛式生產(chǎn)平臺起到有效保護，因此遠地式外加電流方案不適用于“深海一號”能源站。張緊式外加電流方法具有費用低、安裝簡便、電流分布性好、受第三方破壞風險小等優(yōu)點。在綜合考慮技術(shù)可行性和延壽費用等因素后，認為“深海一號”能源站陰極保護在位延壽保障設(shè)計應采用張緊式外加電流陰極保護方法。

2.2 陰極保護系統(tǒng)保障措施研究

假設(shè)工況為船體犧牲陽極耗盡，此時船體需要進行陰極保護系統(tǒng)維護，因此需新增陰極保護系統(tǒng)。考慮5%裕量，海水中船體外表面裸鋼保護面積為27 420 m2，涂敷鋼保護面積為5 150 m2。

2.2.1設(shè)計方案

張緊式外加電流陰極保護系統(tǒng)由整流器(電源)、多路控制器、集成了輔助陽極和參比電極的復合電纜、復合電纜上下兩端固定結(jié)構(gòu)組成。電源負極與船體鋼結(jié)構(gòu)電連接，正極與復合電纜上的輔助陽極相連接。通過輔助陽極放電在船體外表面施加可控直流電，使船體外表面鋼結(jié)構(gòu)表面電位處于保護范圍內(nèi)。張緊式外加電流陰極保護系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 “深海一號”能源站張緊式外加電流陰極保護系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensioned impressed current cathodic protection design of “Deep Sea No.1” energy station

復合電纜底部與下浮體上表面的預留吊耳固定，復合電纜頂部與底層甲板下表面連接固定，復合電纜整體張緊。為了保障復合電纜的可靠性，復合電纜實現(xiàn)承力與控制分離，復合電纜整體成型，實現(xiàn)了縱向阻水和橫向阻水性能。由于水下焊接吊耳費用高，因此工程建造期間，應在下浮體預安裝吊耳，以便后期作為復合電纜的底部固定點，其余裝置可在有需求時安裝。

2.2.2陰極保護數(shù)值模擬

為了驗證吊耳位置設(shè)計的合理性，采用軟件Beasy CP開展船體外表面陰極保護數(shù)值模擬。Beasy CP是多維建模軟件，通過電中性方程求解電化學環(huán)境，從而模擬各種陰極保護系統(tǒng)和電化學腐蝕狀態(tài)。

模擬中首先采用GID前處理模塊建立船體結(jié)構(gòu)三維幾何模型，并對擬計算的結(jié)構(gòu)表面進行網(wǎng)格劃分和結(jié)構(gòu)分組；然后根據(jù)陸豐13-2等項目的設(shè)計經(jīng)驗，可得鋼結(jié)構(gòu)在南海海域中的經(jīng)驗極化數(shù)據(jù)庫[13]，輸入所在海域?qū)崪y海水電阻率，求解穩(wěn)態(tài)陰極保護電場的邊界條件，進行船體外表面保護電位數(shù)值模擬計算；最后通過后處理模塊讀取船體外表面的電流密度和保護電位分布數(shù)據(jù)。

由于船體南北兩側(cè)有靠船作業(yè)，為了避免復合電纜與作業(yè)船舶的干涉碰撞風險，復合電纜下端固定點設(shè)置在下浮體的東西兩側(cè)。為了便于后期安裝，設(shè)計采用復合電纜穿過底層甲板，在底層甲板上部張拉固定，根據(jù)底層甲板布置確定復合電纜的位置。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和模擬結(jié)果反饋調(diào)整，采用垂直拉伸方式設(shè)置4串復合電纜，每串復合電纜設(shè)置6個輔助陽極。

考慮到船體水下結(jié)構(gòu)犧牲陽極全部耗盡的情況，當24個輔助陽極總電流輸出為231 A時，船體外表面電位數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。船體各處結(jié)構(gòu)電位均處于-0.8～-1.1 V，符合《DNVGL-RP-B401陰極保護設(shè)計》的要求，船體結(jié)構(gòu)免于發(fā)生自然腐蝕且不會發(fā)生過保護。根據(jù)陸豐13-2 WHP平臺的延壽經(jīng)驗，由于運行中后期結(jié)構(gòu)物表面已覆蓋了鈣鎂沉積層，此時所需的電流量將遠小于設(shè)計所需電流量Ic。因此，該外加電流陰極保護設(shè)計滿足船體結(jié)構(gòu)外表面陰極保護的要求。

圖2 船體外表面電位數(shù)值模擬結(jié)果(不考慮犧牲陽極作用)Fig.2 Simulation potential results of the hull on the external surface(without sacrificial anode)

2.2.3建造階段預留設(shè)施

船體外表面電位數(shù)值模擬結(jié)果表明，安裝4串復合電纜可滿足半潛式生產(chǎn)平臺陰極保護需求。建造階段設(shè)計預安裝4個吊耳作為4串復合電纜的底部固定點，分別分布于東西兩側(cè)下浮體表面，吊耳表面刷涂焦油環(huán)氧涂層。

外加電流陰極保護系統(tǒng)電纜安裝，可直接通過水下機器人將復合電纜的下端連接固定至吊耳，通過絞車等收拉張緊電纜，完成復合電纜的連接。預安裝吊耳需進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，單個吊耳受力最大為復合電纜的張力。經(jīng)電纜的水動力分析計算，復合電纜最大張力為16.5 t。

根據(jù)復合電纜的最大張力及牽拉角度，計算得到吊耳開孔處截面的牽拉力(最大張力垂直于吊耳基座截面的分量部分)和面外彎矩(最大張力垂直于吊耳截面的分量部分相對吊耳基座處的彎矩)，進一步根據(jù)吊耳幾何尺寸開展結(jié)構(gòu)校核。

牽拉力和彎矩引起的應力分別表示為

σ1=T1Fs/A

(2)

σ2=MFsy/I

(3)

式(2)、(3)中：σ1為牽拉力引起的應力，MPa；σ2為彎矩引起的應力，MPa；T1為吊耳開孔處截面的牽拉力，N；Fs為設(shè)計采用的安全系數(shù)，取值2.0；A為吊耳截面面積，m2；M為吊耳開孔處截面的彎矩N·m；y為吊點位置距吊耳截面端點的距離，m；I為吊耳截面的慣性矩，m4。

在牽拉力和彎矩復合載荷作用下，吊耳結(jié)構(gòu)所受最大應力σmax可表示為

σmax=σ1+σ2

(4)

最大應力與吊耳最大的許用應力值σallow的比值即為許用校核值UC，表示為

UC=σmax/σallow

(5)

在最大張力作用下，該吊耳結(jié)構(gòu)各點的最大UC值為0.53，所設(shè)計的吊耳能夠滿足系統(tǒng)受力要求。

2.2.4在位延壽后安裝設(shè)備

當后期陰極保護不足且船體有延壽需求時，外加電流系統(tǒng)需要新增的主要裝置包括：2個整流器、2個多路控制器、4串集成了輔助陽極和參比電極的復合電纜。每套整流器和多路控制器為2條復合電纜供電。

整流器占地面積小，可后期根據(jù)實際情況進行設(shè)計；多路控制器預留在有空調(diào)的房間內(nèi)，如濕氣壓縮機變頻器間等；每串復合電纜集成6個輔助陽極和若干參比電極，實現(xiàn)發(fā)出保護電流和電位監(jiān)測功能，同時具備滿足電纜張緊狀態(tài)的承力作用；輔助陽極與參比電極全部位于全浸區(qū)。

2.2.5陰極保護監(jiān)測與控制系統(tǒng)

陰極保護電流不足可能導致被保護結(jié)構(gòu)電位偏正，結(jié)構(gòu)欠保護；電流過大可能導致保護結(jié)構(gòu)電位過負，結(jié)構(gòu)過保護。通過復合電纜集成參比電極可實現(xiàn)電位監(jiān)測，經(jīng)數(shù)值模擬和水下機器人電位測試標定，可實現(xiàn)對船體結(jié)構(gòu)電位的精確安全控制。因此，外加電流陰極保護監(jiān)測與控制系統(tǒng)具備以下功能：①設(shè)備監(jiān)測模塊可實時記錄并顯示參比電極測量電位、輔助陽極輸出電壓、電流，多路控制器溫度等數(shù)據(jù)內(nèi)容；②數(shù)據(jù)分析模塊具有數(shù)據(jù)記錄、查詢、統(tǒng)計、分析、異常值報警等功能，可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)估算導管架保護電位，并警示可能的過保護；③設(shè)備控制模塊可對每個輔助陽極控制模塊輸出模式、輸出值進行遠程控制，可遠程操作控制模塊開啟或關(guān)閉。

為了實現(xiàn)以上功能，多路控制器設(shè)計內(nèi)容包括：①多路控制器采用標準式模塊化設(shè)計，每個控制模塊可以單獨控制1個輔助陽極的輸出電流，不同控制模塊之間并聯(lián)工作，彼此獨立，互不干擾；②控制模塊采用抽拉式設(shè)計，并在模塊兩側(cè)設(shè)置有導軌滑道，便于操作人員維護和更換；③控制模塊采用高頻開關(guān)電源，無噪音、紋波小、響應快、工作性能可靠，配有電壓表、電流表、電源開關(guān)、調(diào)整旋鈕、工作指示燈；④控制信號和監(jiān)測信號可遠程傳輸至中控或陸地。

3 結(jié)論

1) “深海一號”能源站應用全時在位腐蝕控制完整性設(shè)計及備用安全保障技術(shù)，通過管線設(shè)備、船體艙室內(nèi)腐蝕控制和船體外腐蝕控制等系統(tǒng)性設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)半潛式生產(chǎn)平臺服役期間30年不回塢的目標。

2) 基于數(shù)值模擬的船體備用陰極保護設(shè)計可應對船體外防腐保護不足等異常工況，通過預安裝水下承力結(jié)構(gòu)件可以大大減少陰極保護系統(tǒng)翻新維護工作量，節(jié)約后期延壽投入。該技術(shù)可廣泛適用于各海域半潛式生產(chǎn)平臺、固定平臺等其他新建/在役海上設(shè)施的陰極保護設(shè)計及延壽。

3) 為了確保30年不回塢，在“深海一號”能源站后期運行維護中，建議定期采取上部設(shè)備內(nèi)外腐蝕監(jiān)檢測、緩蝕劑效能評估、涂層和犧牲陽極維護等措施開展日常維護保養(yǎng)。定期檢測船體外表面保護電位，確保船體處于良好保護狀態(tài)。