李 剛 蓋麗麗 李 芬 姚 遠(yuǎn) 朱飛越

（1. 海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520；2. 青島董家口發(fā)展集團有限公司，山東 青島 266520；3. 中國船舶集團青島北海造船有限公司，山東 青島 266520）

0 引言

石油和天然氣是當(dāng)今世界最主要的化石能源，隨著陸地油氣資源逐漸被開發(fā)殆盡，海上油氣田的開發(fā)正迅猛發(fā)展，作為近海油氣開發(fā)平臺主要的支撐載體—導(dǎo)管架的穩(wěn)定性和長久性是非常重要的。對其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與長久性，導(dǎo)管架防腐是繞不開的話題。導(dǎo)管架坐落在海床之上，樁腿深入海泥之中，主體浸泡在海水（強電解質(zhì)）中，伸出海面部分還要不斷遭受海浪的沖刷和烈日的暴曬，干濕交替，所處的環(huán)境非常惡劣，利于腐蝕的快速發(fā)生。

導(dǎo)管架根據(jù)其腐蝕環(huán)境通常可劃分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)、全浸區(qū)（又進一步可細(xì)分為海水區(qū)和海泥區(qū)）。大氣區(qū)一般采用高性能防腐涂料防腐，飛濺區(qū)采用厚漿型玻璃鱗片涂層結(jié)合犧牲陽極防腐，全浸區(qū)（裸鋼）采用犧牲陽極陰極保護防腐，本文重點介紹水下區(qū)域（飛濺區(qū)和全浸區(qū)）犧牲陽極陰極保護該如何設(shè)計。

1 陰極保護的基本原理

金屬腐蝕是金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用所引起的金屬損失的現(xiàn)象和過程。工程領(lǐng)域常用的金屬材料鋼鐵腐蝕的本質(zhì)是電化學(xué)腐蝕，由于制造鋼材本身材質(zhì)的不均勻性，在電解質(zhì)（海水或土壤）中、氧氣等存在的情況下，鋼鐵在電解質(zhì)中的電位會不同，從而在鋼鐵表面形成陰、陽極，驅(qū)動腐蝕的發(fā)生。

鋼鐵防腐較為普遍使用的一種方法是陰極保護。陰極保護的對象既包括暴露在海水或埋在海泥中的結(jié)構(gòu)物外表面，也包括所有被海水充滿的封閉艙室，以及海洋設(shè)施中混凝土加強筋的腐蝕防護等。

陰極保護的基本原理是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，從而使金屬表面各點達到同一負(fù)電位。實現(xiàn)這一目的有兩種辦法，即犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。

犧牲陽極陰極保護是將被保護金屬和一種電位更負(fù)的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護體陰極極化以降低腐蝕速率。

外加電流陰極保護是將被保護金屬與外加電源負(fù)極相連，輔助陽極接到電源正極，由外部電源提供保護電流，以降低腐蝕速率。

當(dāng)通過陰極極化使所有陰極點的電位都達到了最活潑陽極點的開路電位時，結(jié)構(gòu)物上的腐蝕就會停止。

2 導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)組成

導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般由主要結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)組成，如立柱、拉筋、防沉板、樁、隔水套管、井口導(dǎo)向、靠船件、走道、梯子欄桿等。這些構(gòu)件在縱向上分別處于大氣區(qū)、飛濺區(qū)、全浸區(qū)不同的腐蝕環(huán)境之中。

3 導(dǎo)管架犧牲陽極設(shè)計思路

導(dǎo)管架犧牲陽極陰極保護設(shè)計的內(nèi)容是確定陽極的型式，規(guī)格，數(shù)量和布置，其基本思路如下：

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定→保護面積的計算→設(shè)計電流密度的選擇→電流需求量的計算→初擬陽極規(guī)格尺寸，計算陽極凈重和毛重→陽極初期發(fā)出電流計算→陽極末期發(fā)出電流計算→陽極數(shù)量的確定→使用壽命的核算→陽極的布置。

4 犧牲陽極的計算

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

犧牲陽極陰極保護設(shè)計首先需要有設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：主要有海水電阻率、導(dǎo)管架所在海域的水深、設(shè)計壽命等；陽極材料一般采用鋁陽極（Al-Zn-In）。

附： 本文中一些字母的含義

4.2 導(dǎo)管架保護面積的計算

根據(jù)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)圖紙，按區(qū)域分別計算出在不同水深區(qū)間段被保護的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面積，計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1

其中按區(qū)域的含義是根據(jù)水線和泥線將導(dǎo)管架的水下部分劃分為飛濺區(qū)，全浸海水區(qū)和海泥區(qū)；按不同水深計算面積是按設(shè)計電流密度選擇對應(yīng)的水深劃分，具體如4.3節(jié)所示。

4.3 設(shè)計電流密度的選擇

挪威船級社DNV-RP-B401-2017按水深、海域的不同給出了鋼結(jié)構(gòu)在海水中初期、末期保護電流密度和平均保護電流密度的參考取值，如表2和表3所示[1]。

表2 初期和末期保護電流密度參考取值（mA/m2）

表3 平均保護電流密度參考取值（mA/m2）

DNV同時推薦海泥中鋼結(jié)構(gòu)的保護電流密度為20mA/m2。

以上數(shù)據(jù)為導(dǎo)管架裸鋼在海水中的保護電流密度，如果鋼結(jié)構(gòu)表面有涂層，保護電流密度的取值需考慮涂層破損率（fc），即有涂層的鋼結(jié)構(gòu)的保護電流密度等于裸鋼的保護電流密度乘以涂層破損率。

涂層破損率的大小取決于涂層種類和性能、涂層施工質(zhì)量及使用時間等。DNV-RP-B401標(biāo)準(zhǔn)給出了涂層破損率計算公式并將涂層分為三類，分別給出了公式中常數(shù)的取值。通常情況下，導(dǎo)管架水下及泥面以下結(jié)構(gòu)不采用防腐涂層，僅依靠犧牲陽極進行保護；飛濺區(qū)采用玻璃鱗片涂層，保護電流密度需考慮涂層破損率。為簡化計算，根據(jù)我國海域的實際情況和以往海洋工程經(jīng)驗，陰極保護設(shè)計電流密度取值可參考表4。

表4 陰極保護設(shè)計電流密度參考值

4.4 電流需求量的計算

電流需求量=∑電流設(shè)計密度×保護區(qū)域面積+井口的電流需求I4c（如表5所示）。

表5 Ic（total）=I1c+I2c+I3c+I4c

4.5 初擬陽極規(guī)格尺寸，計算陽極凈重和毛重

陽極的型式有Stand-off，flush mounted，bracelet三種類型。導(dǎo)管架常用的陽極類型為Stand-off，如圖1所示；需根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，初擬陽極的規(guī)格，反復(fù)試算。常見Stand-off型陽極的規(guī)格設(shè)計參數(shù)如表6所示。

表6 陽極規(guī)格參數(shù)

圖1

單個陽極的凈重Wn使用下式公式：

單個陽極的毛重Wg使用下式公式：

其中：Lc為陽極芯的拉直總長度，Lc=L3-2R+πR+2H2;

4.6 陽極初期發(fā)出電流計算

陽極初期的等效長度Li， Li=（L1+ L2）/2

陽極初期截面當(dāng)量半徑ri使用下式公式：

陽極初期接水電阻Rai使用下式公式：

陽極初期發(fā)出電流Iai，Iai=DE/Rai，鋁合金陽極驅(qū)動電位取ΔE=0.25V。

4.7 陽極末期發(fā)出電流計算

陽極末期的等效長度Lf，Lf=（L1+ L2）/2×0.9。

陽極末期截面當(dāng)量半徑rf使用下式公式：

陽極末期接水電阻Raf使用下式公式：

陽極末期發(fā)出電流Iaf， Iaf= DE/Raf，鋁合金陽極驅(qū)動電位取ΔE=0.25V。

4.8 陽極數(shù)量的確定

犧牲陰極保護計算應(yīng)同時滿足初期、中期和末期的陽極數(shù)量要求，即取計算初期、中期和末期的陽極數(shù)量的最大值。

為了滿足中期電流需求，計算陽極數(shù)量Nm，使用下式公式：其中Ma為滿足中期電流所需陽極的總凈重，/kg。

為了滿足初期電流需求，計算陽極數(shù)量Ni，使用下式公式：

為了滿足末期電流需求，計算陽極數(shù)量Nf，使用下式公式：

實際所需陽極的數(shù)量N=Max（Nm，Ni，Nf）。

4.9 陽極使用壽命Ta的核算

計算得出的Ta應(yīng)大于導(dǎo)管架的設(shè)計壽命。

4.10 犧牲陽極的布置

在導(dǎo)管架的主結(jié)構(gòu)和防沉板結(jié)構(gòu)圖上，布置陽極。遵循的基本原則是陽極均勻布置在飛濺區(qū)最低水位以下，泥線以上。在空間上盡量均勻布置，陽極之間的間距大于0.5m。

5 結(jié)語

由于鋁或鋅陽極是靠犧牲自己來提供對導(dǎo)管架的防腐保護，此過程會釋放出Zn離子，對海洋有一定的污染作用；隨著人們環(huán)保意識的加強，國家和政府對海洋生態(tài)環(huán)境的重視，犧牲陽極聯(lián)合外加電流陰極保護已開始在導(dǎo)管架防腐上廣泛應(yīng)用，減少了陽極使用的數(shù)量，降低了對海洋的污染程度。