魯振興，王志業(yè)，王旭東，高指林，崔成楊

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

近年來的勘探研究表明，海底尤其是深海海底埋藏著十分豐富的石油和天然氣資源，海洋已成為我國油氣開發(fā)的重要接替區(qū)[1]。例如在我國南海，石油儲量約有230×108～300×108t，天然氣338×1012m3，其中70%在深水[2]。加大海洋油氣資源尤其是深水油氣資源的開發(fā)力度刻不容緩。

海底管道是進(jìn)行海洋油氣資源開發(fā)的重要工程設(shè)施[3]，由于鋼材在海洋環(huán)境中腐蝕嚴(yán)重，海底油氣管道一旦發(fā)生腐蝕泄漏將帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題和巨額的經(jīng)濟(jì)損失，因此海底管道的防腐蝕非常重要?？紤]到海底管道防腐蝕的重要性，以及海底管道鋪設(shè)和維護(hù)的高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，海底管道一般采用外涂層和陰極保護(hù)相結(jié)合的方式進(jìn)行防腐蝕[4]。犧牲陽極是海底管道常用的陰極保護(hù)手段，是對海底管道涂層保護(hù)的必要補(bǔ)充，安裝在海底管道上的手鐲式陽極可以對海底管道提供長期、有效的保護(hù)。

同淺水海底管道一樣，深水海底管道的手鐲式陽極一般也在鋪管船作業(yè)線內(nèi)安裝，然后沿著托管架或其他裝置隨海底管道一起入水。深水海底管道鋪設(shè)過程中，施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大、作業(yè)船舶費(fèi)用高昂，對深水海底管道鋪設(shè)的各作業(yè)環(huán)節(jié)以及手鐲式陽極的質(zhì)量和效率提出了更高要求。本文分析了傳統(tǒng)手鐲式陽極安裝工藝應(yīng)用于深水海底管道鋪設(shè)時(shí)存在的不足，對手鐲式陽極的安裝形式進(jìn)行了優(yōu)化，給出了一種適用于深水海底管道鋪設(shè)的新型手鐲式陽極安裝工藝。

1 傳統(tǒng)手鐲式陽極安裝工藝

1.1 安裝形式與工藝

根據(jù)手鐲式陽極半瓦在海底管道上固定方式和電連接方式的不同，傳統(tǒng)手鐲式陽極安裝工藝一般分為以下兩種。

（1）焊接式安裝形式，如圖1所示：手鐲式陽極的陽極芯沿海底管道的軸向伸出，陽極芯與海底管道直接焊接，從而使陽極半瓦固定在管體上并與之實(shí)現(xiàn)電連接。其安裝工藝見表1。

圖1 傳統(tǒng)手鐲式陽極焊接式安裝形式

表1 傳統(tǒng)手鐲式陽極焊接式安裝工藝

（2）導(dǎo)線式安裝形式，如圖2所示：手鐲式陽極的陽極芯扁鋼沿海底管道環(huán)向伸出，陽極芯扁鋼相互焊接使陽極半瓦在管道上抱緊固定，然后通過導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)陽極與海底管道的電連接。該安裝工藝如表2所示。

表2 傳統(tǒng)手鐲式陽極導(dǎo)線式安裝工藝

圖2 傳統(tǒng)手鐲式陽極導(dǎo)線式安裝形式

1.2 安裝工藝的不足

深水海底管道鋪設(shè)時(shí)，船舶費(fèi)用高、施工風(fēng)險(xiǎn)大，對手鐲式陽極安裝的質(zhì)量、效率提出了更高要求；另外，深水海底管道鋪設(shè)張力高于淺水，手鐲式陽極通過托管架或其他裝置下水時(shí)所受的摩擦阻力更大，容易發(fā)生滑脫。針對深水海底管道鋪設(shè)中對手鐲式陽極安裝的要求，傳統(tǒng)手鐲式陽極的焊接式和導(dǎo)線式安裝工藝都存在一些不足，具體分析見表3。

表3 傳統(tǒng)手鐲式陽極安裝工藝的不足

從表3可以看出，傳統(tǒng)的手鐲式陽極安裝工藝均存在施工效率低的問題，而且均未考慮海底管道鋪設(shè)時(shí)陽極下水過程中的受力情況，存在陽極滑脫失效的風(fēng)險(xiǎn)，不滿足深水海底管道鋪設(shè)的要求。在某深水海底管道鋪設(shè)項(xiàng)目中，就曾出現(xiàn)過手鐲式陽極通過托管架下水時(shí)發(fā)生脫落的情況。

2 優(yōu)化后的手鐲式陽極安裝工藝

2.1 手鐲式陽極安裝形式的適應(yīng)性優(yōu)化

為適應(yīng)深水海底管道鋪設(shè)對手鐲式陽極安裝高效率、高質(zhì)量的要求，本文對用于深水海底管道的手鐲式陽極的陽極芯結(jié)構(gòu)形式、安裝形式等進(jìn)行了一些適應(yīng)性優(yōu)化：

（1）為克服傳統(tǒng)工藝中陽極芯手工焊接效率低、涂層剝除和修補(bǔ)工作量大的問題，采用“環(huán)向扁鋼+螺栓系統(tǒng)”代替陽極芯與海底管道之間的焊接固定。具體為：在手鐲式陽極沿海底管道軸向伸出的陽極芯扁鋼上增加焊接環(huán)向扁鋼，并附帶螺栓系統(tǒng)；成對的手鐲式陽極在海底管道表面抱緊后，不是通過陽極芯與海底管道焊接固定，也不是通過陽極芯之間相互焊接固定，而是通過環(huán)向扁鋼附帶的螺栓系統(tǒng)提供的扭矩壓力將陽極在海底管道表面抱緊固定。

（2） 為防止手鐲式陽極在下水過程中發(fā)生滑脫，利用計(jì)算機(jī)模擬分析海底管道鋪設(shè)時(shí)陽極下水過程所受的最大摩擦阻力，計(jì)算出螺栓系統(tǒng)的扭矩，確保手鐲式陽極下水過程中在極限受力情況下不出現(xiàn)滑脫。其中螺栓的扭矩可以按照式（1）計(jì)算[5]：

式中：T為螺栓扭矩，K為擰緊力矩系數(shù)，F(xiàn)為預(yù)緊力，d為螺紋公稱直徑。

單個(gè)螺栓最小預(yù)緊力F可按照式（2） 簡化計(jì)算，同時(shí)不應(yīng)超過螺栓的許用預(yù)緊力。

式中：Fmax為陽極所受的最大摩擦阻力，n為螺栓數(shù)量，μ為摩擦系數(shù)。

（3）根據(jù)螺栓扭矩及預(yù)緊力要求，選用合適的防松脫螺栓，并在海底管道涂層與陽極之間增加防滑橡膠片，進(jìn)一步增強(qiáng)陽極和涂層之間的摩擦力。

（4） 將手鐲式陽極邊緣由直角改為45°斜角，以減少陽極下水時(shí)的摩擦阻力。

（5）采用銅釬焊技術(shù)安裝導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)手鐲式陽極與海底管道之間的電連接。

（6）采用快干型雙組分無溶劑涂料修復(fù)導(dǎo)線銅釬焊窗口區(qū)域，以確保陽極安裝后海底管道能迅速下水。

優(yōu)化后的海底管道手鐲式陽極安裝形式見圖3。

圖3 優(yōu)化后的手鐲式陽極安裝形式

2.2 優(yōu)化后的手鐲式陽極安裝工藝

通過對深水海底管道手鐲式陽極的陽極芯結(jié)構(gòu)形式、安裝形式的優(yōu)化，本文給出了優(yōu)化后的深水海底管道手鐲式陽極安裝工藝[6]，具體見表4。

上述優(yōu)化后的深水海底管道手鐲式陽極安裝工藝避免了陽極芯與海底管道之間及陽極芯之間的焊接工作，大幅減少了管道涂層的剝除面積，通過預(yù)先的計(jì)算分析，規(guī)避了陽極下水過程中滑脫失效的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，安裝工藝的前3個(gè)步驟均可在手鐲式陽極安裝前完成，鋪管作業(yè)線上僅需進(jìn)行陽極半瓦裝配、螺栓系統(tǒng)緊固和導(dǎo)線連接工作。

上述深水海底管道手鐲式陽極安裝形式和工藝已應(yīng)用于南海區(qū)域某深水項(xiàng)目，經(jīng)過該項(xiàng)目驗(yàn)證，優(yōu)化后的工藝有效克服了傳統(tǒng)手鐲式陽極安裝工藝的不足，能夠滿足深水海底管道鋪設(shè)的高質(zhì)量、高效率要求。

3 結(jié)束語

深水海底管道鋪設(shè)對手鐲式陽極安裝的質(zhì)量和效率提出了較高的要求。本文分析了傳統(tǒng)手鐲式陽極安裝工藝應(yīng)用于深水海底管道鋪設(shè)時(shí)，存在的安裝效率低、陽極存在滑脫風(fēng)險(xiǎn)等問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合深水海底管道鋪設(shè)的質(zhì)量、效率要求，對手鐲式陽極安裝形式進(jìn)行了適應(yīng)性優(yōu)化，包括使用“環(huán)向扁鋼+螺栓系統(tǒng)”代替陽極芯與海底管道之間的焊接固定，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬分析了極限受力工況下螺栓扭矩，采用銅釬焊技術(shù)和快干型修補(bǔ)涂料等進(jìn)行焊接和修補(bǔ)，并給出了優(yōu)化后的手鐲式陽極安裝工藝。經(jīng)過深水海底管道鋪設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)證，優(yōu)化后的工藝能夠滿足深水海底管道鋪設(shè)中對手鐲式陽極安裝的高質(zhì)量、高效率要求。