喻發(fā)令，唐靜，董曉雨，王超，王崴，邵彥崢，秦鐵男，徐云澤

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，?？?570311；2.大連科邁爾防腐科技有限公司，遼寧 大連 116082；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；4.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116081）

海上樁基固定式石油平臺(tái)作為開(kāi)采、傳輸海底石油、天然氣、可燃冰等海洋能源的主要海上基礎(chǔ)設(shè)施，是我國(guó)海洋石油生產(chǎn)的主要結(jié)構(gòu)形式[1-3]。其長(zhǎng)期安全穩(wěn)定服役是關(guān)系國(guó)家海洋油氣資源安全保障的關(guān)鍵[4-6]。我國(guó)海上石油平臺(tái)基礎(chǔ)主要以樁基固定式鋼質(zhì)導(dǎo)管架為主，主要應(yīng)用于灘涂、20～300 m 水深海域，在諸多海域均有廣泛應(yīng)用[7-10]。鋼質(zhì)導(dǎo)管架長(zhǎng)期服役在海水環(huán)境中會(huì)發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆損傷，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、坍塌[11-13]，其結(jié)構(gòu)的耐久性一直備受關(guān)注。

陰極保護(hù)技術(shù)作為極為有效的防腐措施之一，被廣泛應(yīng)用于樁基固定式導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海水環(huán)境中的長(zhǎng)期腐蝕防護(hù)[14-15]。傳統(tǒng)方式普遍采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方法[16-17]。由于導(dǎo)管架規(guī)模及應(yīng)用水深的不盡相同[18-19]，尤其是300 m 水深級(jí)別的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，其犧牲陽(yáng)極用量、安裝數(shù)量巨大，且在服役期容易出現(xiàn)犧牲陽(yáng)極局部消耗過(guò)快，導(dǎo)致導(dǎo)管架局部保護(hù)不足[20-22]。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況，并基于樁基固定式導(dǎo)管架基礎(chǔ)的防腐需求，張緊式ICCP 系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于樁基導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)延壽，其以集成有輔助陽(yáng)極和參比電極的復(fù)合纜-電極系統(tǒng)為核心構(gòu)件，可通過(guò)導(dǎo)管架首尾的錨固結(jié)構(gòu)張緊固定在導(dǎo)管架內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)輔助陽(yáng)極及參比電極的分布式一體化安裝[23-24]。該技術(shù)及國(guó)產(chǎn)化裝備已于2017 年首次應(yīng)用于陸豐13-2 WHP 導(dǎo)管架平臺(tái)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)深水在役導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)延壽的國(guó)產(chǎn)化工程案例，系統(tǒng)至今正常運(yùn)行，導(dǎo)管架保護(hù)狀態(tài)良好。隨后，又陸續(xù)應(yīng)用在文昌13-1/13-2 井口平臺(tái)、番禺30-1DPP平臺(tái)等深水在役導(dǎo)管架陰極保護(hù)延壽項(xiàng)目，及墾利6-1、渤中墾利岸電、渤中29-6 等渤海海域新建導(dǎo)管架平臺(tái)。

張緊式ICCP 技術(shù)已成為海上樁基固定式導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)的主要技術(shù)手段，其應(yīng)用項(xiàng)目已覆蓋在役深水導(dǎo)管架平臺(tái)和新建淺水導(dǎo)管架平臺(tái)，但其對(duì)于臥式新建導(dǎo)管架平臺(tái)尚無(wú)工程應(yīng)用案例。本文以張緊式ICCP 系統(tǒng)在某臥式新建導(dǎo)管架的首次工程應(yīng)用為背景，對(duì)系統(tǒng)陸地安裝、導(dǎo)管架運(yùn)輸及海上就位等方案展開(kāi)研究，為后續(xù)新建導(dǎo)管架張緊式ICCP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝提供參考。

1 系統(tǒng)概況

臥式新建導(dǎo)管架為8 腿12 裙樁結(jié)構(gòu)，服役水深為88.3 m，設(shè)計(jì)壽命為20 a。導(dǎo)管架采用“犧牲陽(yáng)極（初期2 a 臨時(shí)保護(hù)）+張緊式外加電流”聯(lián)合陰極保護(hù)方案。張緊式ICCP 復(fù)合纜布置于導(dǎo)管架內(nèi)部，通過(guò)對(duì)犧牲陽(yáng)極與張緊式ICCP 共存工況、犧牲陽(yáng)極耗盡僅剩張緊式ICCP 工況進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，導(dǎo)管架的水下結(jié)構(gòu)保護(hù)電位分布在-1 100～-800 mV（相對(duì)于Ag/AgCl[SW]參比電極），滿足陰極保護(hù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，導(dǎo)管架處于良好的陰極保護(hù)狀態(tài)。張緊式ICCP 系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1 所示，包括多路控制器（含測(cè)控軟件）、張拉裝置、復(fù)合纜-電極系統(tǒng)等，各設(shè)備的分布位置及具體功能見(jiàn)表1。

圖1 張緊式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)Fig.1 Tensioned impressed current cathodic protection system

2 臥式新建導(dǎo)管架張緊式ICCP 系統(tǒng)安裝方案

相比于在役深水導(dǎo)管架與新建淺水導(dǎo)管架，臥式新建導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、尺寸更大，導(dǎo)管架在建造、運(yùn)輸階段均處于臥式姿態(tài)，普遍采用滑移或吊裝的下水方式。如何將長(zhǎng)度達(dá)百米甚至幾百米的復(fù)合纜-電極系統(tǒng)貫穿導(dǎo)管架首尾安裝到導(dǎo)管架內(nèi)部，并確保其在運(yùn)輸及下水過(guò)程中的安全可靠性，是臥式新建導(dǎo)管架應(yīng)用張緊式ICCP 系統(tǒng)亟待解決的首要問(wèn)題。

臥式新建導(dǎo)管架張緊式ICCP 系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)，集中體現(xiàn)為復(fù)合纜-電極系統(tǒng)的安裝：復(fù)合纜-電極系統(tǒng)長(zhǎng)度近百米，且導(dǎo)管架內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何在導(dǎo)管架內(nèi)部將其貫穿首尾安裝；復(fù)合纜-電極系統(tǒng)安裝過(guò)程需要大量的高空作業(yè)；復(fù)合纜-電極系統(tǒng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，自重較大，自身在大跨度下具有較大的撓度，會(huì)產(chǎn)生與導(dǎo)管架內(nèi)部結(jié)構(gòu)干涉的風(fēng)險(xiǎn)。

為實(shí)現(xiàn)張緊式ICCP 復(fù)合纜-電極系統(tǒng)在導(dǎo)管架臥式建造階段的安全可靠安裝，設(shè)計(jì)采用滑索牽引安裝方法[25]，利用鋼絲繩作為復(fù)合電纜安裝就位的引導(dǎo)滑索，將復(fù)合電纜通過(guò)吊裝索具間隔懸掛在鋼絲繩滑索上，再采用絞車牽引鋼絲繩滑索就位。懸吊部分包括用于導(dǎo)向及懸掛復(fù)合電纜的鋼絲繩滑索、錨點(diǎn)、導(dǎo)向滑輪及地面絞車；牽引部分包括用于牽引復(fù)合電纜就位的導(dǎo)向滑輪、鋼絲繩滑索及牽引絞車。安裝步驟如圖2 所示，主要包括：復(fù)合纜滾筒、絞車等就位；“滑索鋼絲繩”縱穿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并保持適宜張緊力，作為復(fù)合纜懸掛前行的滑索；將復(fù)合纜固定在鋼絲繩滑索上，絞車通過(guò)牽引“鋼絲繩滑索”進(jìn)而帶動(dòng)復(fù)合纜前進(jìn)，復(fù)合纜滾筒同步釋放復(fù)合纜，間隔懸掛吊裝索具，直至復(fù)合纜上端到達(dá)導(dǎo)管架最上層結(jié)構(gòu)，鎖緊復(fù)合纜首尾兩端；復(fù)合纜張緊至設(shè)計(jì)的臨時(shí)張緊力；拆除輔助裝具。該方法不僅能夠安全、精確地將復(fù)合纜-電極系統(tǒng)安裝在導(dǎo)管架內(nèi)部的特定位置，同時(shí)可以通過(guò)向鋼絲繩滑索施加預(yù)緊力，以盡可能地降低復(fù)合纜-電極系統(tǒng)橫向大跨度安裝產(chǎn)生的撓度，使其能夠在安裝過(guò)程中避免與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉，尤其適用于臥式建造導(dǎo)管架，適用性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便，施工風(fēng)險(xiǎn)低。

圖2 復(fù)合纜-電極系統(tǒng)安裝Fig.2 Installation of the composite cable-electrode system

3 復(fù)合纜-電極系統(tǒng)海上安裝期的自存工況校核

在導(dǎo)管架海上安裝階段，復(fù)合纜-電極系統(tǒng)可能會(huì)受運(yùn)輸、滑移下水沖擊、打樁振動(dòng)等影響，因此對(duì)復(fù)合纜-電極系統(tǒng)的自存性進(jìn)行校核尤為重要，進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合纜-電極系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和陸地安裝方案，以提高張緊式ICCP 系統(tǒng)自存工況下的安全性。

3.1 復(fù)合纜運(yùn)輸過(guò)程中撓度校核

在導(dǎo)管架運(yùn)輸及下水過(guò)程中，復(fù)合纜-電極系統(tǒng)呈橫向傾斜張拉狀態(tài)，因其自重會(huì)產(chǎn)生撓度。若所產(chǎn)生的撓度大于其與導(dǎo)管架桿件的最近距離，復(fù)合纜-電極系統(tǒng)則可能會(huì)在運(yùn)輸及下水過(guò)程中與導(dǎo)管架桿件發(fā)生碰撞，并對(duì)復(fù)合纜和輔助陽(yáng)極產(chǎn)生損壞。為了防止上述情況發(fā)生，在考慮復(fù)合纜擺幅大小的前提下，計(jì)算復(fù)合纜-電極系統(tǒng)安裝就位后應(yīng)施加的最小預(yù)緊力，以有效控制復(fù)合纜-電極系統(tǒng)的自身?yè)隙取?/p>

鋼絲繩撓度計(jì)算公式：

式中：fs為撓度；q為每米繩索的質(zhì)量；g為重力加速度；x為繩端與下垂點(diǎn)之間的距離；S為繩索的拉力；β為繩索傾斜角度。

計(jì)算導(dǎo)管架運(yùn)輸過(guò)程中復(fù)合纜-電極系統(tǒng)在10～50 kN 預(yù)張緊力下的撓度，并將其與導(dǎo)管架最近距離進(jìn)行比較。導(dǎo)管架運(yùn)輸過(guò)程中，復(fù)合纜-電極系統(tǒng)在不同預(yù)緊力下的撓度曲線如圖3 所示。由圖3 可知，復(fù)合纜-電極系統(tǒng)至少需要施加30 kN 的預(yù)緊力，才能使其最大撓度小于其與導(dǎo)管架的最近距離。為避免鋼絲繩松弛導(dǎo)致預(yù)張力衰減，設(shè)計(jì)張緊力裕量為10 kN，進(jìn)而確定復(fù)合纜-電極系統(tǒng)安裝后需施加40 kN 的預(yù)緊力。

圖3 導(dǎo)管架運(yùn)輸過(guò)程中復(fù)合纜-電極系統(tǒng)在不同預(yù)緊力下的撓度曲線及其與導(dǎo)管架的最小距離Fig.3 Deflection curve of the composite cable-electrode system under different preload forces during jacket transportation and its minimum distance from the jacket

3.2 滑移下水沖擊對(duì)復(fù)合纜-電極系統(tǒng)的影響分析

該新建導(dǎo)管架采用滑移下水方式，下水沖擊載荷作用于復(fù)合纜及集成在復(fù)合纜上的輔助陽(yáng)極組件，將產(chǎn)生以下影響：張緊于導(dǎo)管架內(nèi)部的復(fù)合纜由于側(cè)向載荷作用發(fā)生偏移，存在碰撞導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)桿件的風(fēng)險(xiǎn)；復(fù)合纜有效張力增大，有破斷風(fēng)險(xiǎn)；輔助陽(yáng)極組件有強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)。為確保導(dǎo)管架下水期間系統(tǒng)的安全性，需對(duì)以上情況進(jìn)行校核。

1）滑移下水對(duì)復(fù)合纜的沖擊作用分析。取導(dǎo)管架下水全過(guò)程出現(xiàn)的最大下水速度7.09 m/s 為校核工況，計(jì)算不同預(yù)緊力下，復(fù)合纜-電極系統(tǒng)受海水沖擊時(shí)，相對(duì)于復(fù)合纜各水深處理論位置的最大變形量。導(dǎo)管架下水過(guò)程中，復(fù)合纜受海水沖擊時(shí)，各預(yù)緊力下相對(duì)于復(fù)合纜各水深處理論位置的變形最大值如圖4 所示，有效張力的最大值如圖5 所示。

圖4 導(dǎo)管架下水過(guò)程中復(fù)合纜受海水沖擊時(shí)相對(duì)于復(fù)合纜各水深處的變形最大值Fig.4 Maximum deformation of the composite cable relative to the theoretical position at each seawater depth under the impact by seawater when jacket is launched into seawater

圖5 導(dǎo)管架下水過(guò)程中復(fù)合纜受海水沖擊時(shí)相對(duì)于復(fù)合纜各水深處有效張力的最大值Fig.5 Maximum effective tension of the composite cable relative to each seawater depth of the composite cable under the impact by seawater when jacket is launched into seawater

由圖4 與圖5 可知，導(dǎo)管架下水全過(guò)程中，復(fù)合纜-電極系統(tǒng)所產(chǎn)生的位移不會(huì)導(dǎo)致其與導(dǎo)管架發(fā)生干涉，沖擊載荷不會(huì)導(dǎo)致復(fù)合纜破斷，具有足夠的安全裕量。

2）滑移下水對(duì)輔助陽(yáng)極組件的沖擊作用分析。為保證安全系數(shù)，校核輔助陽(yáng)極在海水拍擊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，施加的載荷值為實(shí)際拍擊載荷值的2 倍。鈦殼正背面迎水時(shí)應(yīng)力云圖如圖6 所示。輔助陽(yáng)極正面迎水時(shí)，最大應(yīng)力為89.2 MPa；輔助陽(yáng)極背面迎水時(shí)，最大應(yīng)力為2.1 MPa，均遠(yuǎn)小于輔助陽(yáng)極的屈服強(qiáng)度373 MPa。因此，當(dāng)導(dǎo)管架下水速度為7.09 m/s時(shí)，導(dǎo)管架下水全過(guò)程中，輔助陽(yáng)極強(qiáng)度滿足需求，不會(huì)受下水沖擊影響而產(chǎn)生破壞。

圖6 輔助陽(yáng)極封裝外殼正背面迎水時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud of the front (a) and back (b) of the auxiliary anode package housing when facing water

3.3 打樁振動(dòng)對(duì)復(fù)合纜-電極系統(tǒng)的影響分析

打樁振動(dòng)是一種脈沖衰減的瞬間錘擊強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)波向四周輻射，形成了振動(dòng)影響場(chǎng)。下面分析導(dǎo)管架打樁振動(dòng)對(duì)復(fù)合纜的影響。鋼樁質(zhì)量為 4.33×105kg，樁錘在空氣中的質(zhì)量為2.03×105kg，在水中的質(zhì)量為1.693×105kg，水下壓載質(zhì)量為3.7×104kg，錘長(zhǎng)18.9 m，最大沖擊能量為1 200 kJ，最小沖擊能量為120 kJ，打樁頻率為10～120 次/min。根據(jù)能量沖擊（，E為能量，m為物體質(zhì)量）和沖擊力（Ft=Δmv，F(xiàn)為平均沖擊作用力，t為作用時(shí)間）公式，當(dāng)復(fù)合纜預(yù)張力為 40 kN，鋼樁直徑為2 134 mm，長(zhǎng)度為125 m，質(zhì)量為4 334.33×105kg，最高打樁頻率為120 次/min 時(shí)，打樁沖擊力垂直向下作用于導(dǎo)管架主樁裙樁套筒內(nèi)側(cè)。以打入第四根主樁為例，其有限元分析結(jié)果如圖7 所示。經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布良好，最大計(jì)算應(yīng)力與許用應(yīng)力比小于1，因此導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和復(fù)合纜頂部及底部連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足打樁工況設(shè)計(jì)要求。打樁振動(dòng)對(duì)復(fù)合纜的影響也非常小，不會(huì)對(duì)復(fù)合纜產(chǎn)生破壞。

圖7 打入第四根主樁時(shí)導(dǎo)管架振動(dòng)有限元分析最大有效應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum effective stress cloud of jacket vibration finite element analysis when the fourth main pile is driven

4 結(jié)論

1）本文建立了臥式新建導(dǎo)管架張緊式ICCP 復(fù)合纜-電極系統(tǒng)的安裝工藝。通過(guò)滑索牽引的方式，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合纜-電極系統(tǒng)貫穿導(dǎo)管架內(nèi)部的精確安裝。

2）明確了復(fù)合纜預(yù)緊力、ICCP 系統(tǒng)組件強(qiáng)度校核方法，并以某臥式新建導(dǎo)管架為工程案例進(jìn)行了驗(yàn)證。

3）本文所述安裝工藝及相關(guān)計(jì)算校核，可保障復(fù)合纜-電極系統(tǒng)在臥式新建導(dǎo)管架上的安裝順利實(shí)施，為張緊式ICCP 系統(tǒng)在同類臥式新建導(dǎo)管架項(xiàng)目中的應(yīng)用提供參考。