許海峰,蒙占彬,張愛恩

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452;2.北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院,廣西 欽州 535011;3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東 東營 257000)

目前主要采用涂裝法和陰極保護法進行海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護,犧牲陽極保護法是應用最為廣泛的陰極保護方法,它采用還原性較強的金屬作為保護極,與被保護金屬相連構(gòu)成原電池,還原性較強的金屬將作為負極發(fā)生氧化反應而消耗,被保護的金屬作為正極就可以避免腐蝕,而這種自身被腐蝕的金屬或合金,稱為犧牲陽極[1-3]。海洋平臺通常采用焊接式陽極[4]。下水之前按設(shè)計將鋁陽極塊焊接固定,然后進行海上平臺安裝施工。平臺陽極塊的大小、數(shù)量、長度等的布置按標準設(shè)計。犧牲陽極材料消蝕到一定程度后,即失去了對平臺的保護作用,需要更換。在更換新犧牲陽極塊時,需進行水下焊接及電極聯(lián)接,過程繁雜。由于是水下施工,必需選擇平流時施工,而海上平流換向時間很短,一般只有幾十分鐘左右[5-6],這給陽極塊更換帶來極大的困難,水下施工存在不確定性,施工質(zhì)量難以保證。因此尋求一種既快速又簡單的水下陽極塊更換方法,是迫切需要研究和解決的問題。為此,介紹一種水下強磁力吸附陽極技術(shù),可以極大縮短水下陽極拆裝時間。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

水下強磁力吸附陽極結(jié)構(gòu)示意見圖1,由犧牲陽極、吸附穴、切割導向頭、屏蔽涂層、磁性體、螺旋機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)手柄、彈簧、導向套、密封圈和陰極組成。

圖1 水下強磁力吸附陽極結(jié)構(gòu)示意

其主要工作原理:犧牲陽極內(nèi)側(cè)有吸附穴,吸附穴內(nèi)裝有磁性體,螺旋機構(gòu)與吸附穴內(nèi)的磁性體相連接。在進行安裝時,通過調(diào)整螺旋機構(gòu)驅(qū)動吸附穴內(nèi)磁性體與陰極在磁力作用下相貼合,保證犧牲陽極快速地固定在安裝位置;為實現(xiàn)陽極和陰極之間形成環(huán)路電流保護陰極的目的,轉(zhuǎn)動中部的旋轉(zhuǎn)手柄帶動切割導向頭割除管壁涂層、銹層和附著海生物層。在進行拆除時,通過調(diào)整螺旋機構(gòu)驅(qū)動磁性體與陰極脫離收縮回吸附穴內(nèi),保證整個犧牲陽極體快速拆下。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)

2.1 強磁力吸附連接系統(tǒng)

1)陽極屏涂料。為達到附著力強、耐沖擊、耐陰極剝離的效果,系統(tǒng)選用8702-4環(huán)氧膩子型陽極屏涂料,其附著力為2.64 MPa,耐沖擊(3J),無開裂、無剝落、耐鹽霧(I級),耐電位(30D,-3.5 V),無起泡、無粉化。

2)吸附材料選擇。為保證制成的產(chǎn)品具有永磁體體積小、吸力大且平穩(wěn)等特性,經(jīng)分析對比,選用磁性能穩(wěn)定、高矯頑力、高磁能積的永磁體新型釹鐵硼材料作為吸附材料。

3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。強磁力吸附連接系統(tǒng)是強磁力吸附陽極的關(guān)鍵部分,通過室內(nèi)實驗確定永磁體在犧牲陽極塊結(jié)構(gòu)內(nèi)的布置位置,根據(jù)上述吸附原理設(shè)計的吸附連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 吸附連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

磁體固定架與連接螺桿之間為焊接連接,釹鐵硼磁體通過磁力與2片導磁片固定,并通過磁體固定架與連接螺桿形成一個整體;利用專用模具將整體結(jié)構(gòu)使用聚氨酯澆注在一起,形成單個吸附模塊。

單個吸附模塊與犧牲陽極體之間利用固定螺母及墊片連接,由于犧牲陽極體上加工的孔略大于單個磁吸附模塊的對應尺寸,因此,單個磁吸附模塊在犧牲陽極體內(nèi)可以進行小范圍位置和方向調(diào)整,以利于整體安裝固定。

在犧牲陽極體上裝入4只單體磁吸附模塊,進行水下安裝時,犧牲陽極體由水面吊放至相應位置后,潛水員推動犧牲陽極體與海洋平臺樁管外壁貼合,使4只單個磁吸附模塊與樁管外壁良好吸合,并利用專用工具適當擰緊4只固定螺母,使犧牲陽極體固定在所安裝的位置。進行拆除時,潛水員在水下利用工具盡量擰松4只固定螺母,使4只單個磁吸附模塊與樁管外壁分別脫離,整個犧牲陽極體即可拆下。

加工的強磁力吸附系統(tǒng)實物見圖3。

圖3 吸附系統(tǒng)實物

4)陽極塊受力分析。

(1)計算條件。最大作業(yè)水深20 m(含天文潮和風暴潮),設(shè)計波高5.5 m,波浪周期7.6 s,海流2.5 kn。

(2)波流載荷計算。陽極塊為小尺度構(gòu)件,當D/L≤0.2時,波浪載荷采用Morison公式進行計算:

Fw=FD+FI

(1)

式中:Fw為垂直作用于單位長度構(gòu)件上的波浪力;FD為單位長度上的拖曳力;FI為單位長度上的慣性力。

(2)

式中:ρ為海水密度;CD為拖曳力系數(shù);A為單位長度構(gòu)件在垂直于矢量un方向上的投影面積;un為與構(gòu)件軸向垂直的相對速度矢量。

(3)

海流載荷為

(4)

式中:us為流速。

實際工況中,因波浪與海流載荷同時作用在結(jié)構(gòu)上,因此在計算中需要考慮波流的耦合作用,拖曳力計算如下。

(5)

式中:Fd為垂直作用于單位長度構(gòu)件上的拖曳力。

根據(jù)工作水深、波流參數(shù)及陽極尺寸,選用斯托克斯五階波理論進行計算。根據(jù)模擬計算,作用在陽極塊上的最大波浪力為5.52 kN。

(3)陽極塊強度分析。利用有限元分析軟件ANSYS對陽極塊受力情況進行分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點,建模中采用SOLID45單元用于模擬導管架立管和陽極塊結(jié)構(gòu)。陽極塊與導管架立管之間依靠磁鐵進行連接,模型中根據(jù)兩者實際連接位置通過設(shè)定主從節(jié)點來模擬二者之間的約束關(guān)系,計算時將導管架立管底部全約束進行計算。計算模型見圖4。

圖4 計算模型

陽極塊采用鋁合金,屈服強度為85 MPa,安全系數(shù)取為0.8,許用應力為68 MPa。計算結(jié)果見圖5,陽極塊最大計算應力為5.831 MPa,小于許用應力,強度滿足要求。

圖5 計算結(jié)果

2.2 陽極與鋼結(jié)構(gòu)導電形式

1)導電極材料選擇。導電電極一般采用銅鎳合金和鈦基合金,在經(jīng)過比較和性能指標對比之后選擇鈦基合金材料制作導電電極,鈦及其合金在飛濺區(qū)如潮汐區(qū)具有優(yōu)越的耐蝕性,在飛濺區(qū)、潮汐區(qū)雖鈦上有沉積物,但能有充分的氧使鈦維持純化,在飛濺區(qū)、潮汐區(qū)鈦沒有腐蝕。

因為鈦的極化特性,鈦與鋼組成的電極對所產(chǎn)生的電化學腐蝕要比銅低,鋼-銅電極對中鋼的失量要比鋼-鈦電極對中大7倍?；谏鲜隹紤],選擇鈦基合金作為導電電極材料。

2)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計。要使犧牲陽極塊與被保護水下鋼鐵結(jié)構(gòu)物之間形成完整的回路,就要保證導電極與樁管外壁良好接觸,導電極需要穿透管壁涂層、銹層和附著海生物層,為此進行導電極結(jié)構(gòu)和與犧牲陽極材料之間嵌入結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計,研發(fā)導電極的結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 導電極結(jié)構(gòu)示意

導電極的頂部設(shè)計參考鉆頭形式,為了便于刮除接觸點附著物,將彈簧裝在密封結(jié)構(gòu)中是避免彈簧在海水中浸泡銹蝕。

在陸上準備時,將導電極安裝在犧牲陽極體上相應的位置,轉(zhuǎn)動操縱桿檢驗導電極的轉(zhuǎn)動情況后就可以進行水下安裝。

3 實驗室實驗

1)實驗目的。為檢驗在磁吸附狀態(tài)下,強磁力吸附陽極針式電極的導電效果及耐腐蝕情況,同時檢驗經(jīng)防腐蝕處理后的吸附磁鐵耐腐蝕情況和消退磁情況,在實驗室進行實驗。

2)實驗方法。參照GB/T 17848-1999《犧牲陽極電化學性能試驗方法》執(zhí)行。

3)實驗裝置。實驗裝置主要包括直流電源、電量計、電流表、可調(diào)電阻、容器、輔助陰極、模擬結(jié)構(gòu)、犧牲陽極、海水等。磁吸附犧牲陽極效能實驗框圖見圖7。

圖7 磁吸附犧牲陽極效能實驗

模擬結(jié)構(gòu)鋼管見圖8,一半用于貼附犧牲陽極,一半無犧牲陽極。每半面的下部留有裸露面,其余部分涂絕緣漆進行防護,目的是增加實驗效果。實驗前稱重,并檢查裸露部分的表面平整情況,實驗稱重,并觀察表面腐蝕程度。

圖8 模擬結(jié)構(gòu)件

實驗現(xiàn)場見圖9。

圖9 實驗現(xiàn)場

4)實驗結(jié)果。按標準,每天測量一次陽極試樣的工作電位。10 d后的結(jié)果見圖10。實驗結(jié)果表明,水下強磁力吸附陽極在結(jié)構(gòu)形式和吸附材料上加以改進,對犧牲陽極的工作電位沒有影響。

圖10 犧牲陽極工作電位隨時間的變化

4 現(xiàn)場實驗

在室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上,加工了針對海洋平臺直徑分別為1 200 mm和600 mm桿件的水下快速防護犧牲陽極,并于埕北1A平臺進行現(xiàn)場實驗(見圖11)。

圖11 現(xiàn)場實驗場景

現(xiàn)場安裝前后共耗時55 min,比焊接陽極安裝方式在效率上提高了6倍。安裝后于2個月后在海試現(xiàn)場進行工作電流密度和工作電位的測量,實測電位1.1 V,工作電流密度0.7 mA/cm2,與原陽極效果一致。

5 結(jié)論

1)永磁吸附式犧牲陽極與常規(guī)水下焊接陽極相比,安裝設(shè)備與方式更為簡化,可大大減少水下安裝更換時間,提升施工安全性。

2)新型結(jié)構(gòu)形式的導電極具有導通性穩(wěn)定和水下施工便利的特點。

3)新型強磁力吸附陽極可以推廣應用到有相同條件的其他海洋工程結(jié)構(gòu)物上。