趙 偉，張水晶

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油安全技術服務有限公司，天津 300450）

0 引言

近年來，中國海油提出了一種新的供電方式，即利用陸上電網電力為海上油氣生產提供電力（簡稱“陸電”）。這種方式是將陸上高壓電力通過海底電纜傳輸?shù)胶Ｉ?，再通過岸電平臺的變壓和二次分配，為油田群內各生產平臺提供電力。與傳統(tǒng)的海上石油平臺通過自身的發(fā)電機組為油氣田提供電力相比，岸電供電更加可靠，有利于油田的穩(wěn)定生產，還能夠實現(xiàn)節(jié)能減排、降低能耗。

海上平臺面臨復雜多變的海洋環(huán)境，海水中含有大量的氯離子、硫化物、溶解氧等腐蝕性物質，會腐蝕平臺上的金屬管線和設備[1]，導致管道和設備的破損或斷裂。一旦發(fā)生泄漏，不僅會污染海洋環(huán)境，還可能造成災難性的安全事故，導致重大經濟損失、威脅生命安全。因此，確保海上油氣生產的安全運轉，延長海洋石油平臺設備設施的使用壽命，加強腐蝕控制是現(xiàn)階段必須重視和解決的問題。

1 海洋石油岸電平臺概述

海洋石油岸電工程是一種新型的供電方式，相比傳統(tǒng)的海電方式，它更加可靠、節(jié)能、環(huán)保。岸電工程是由陸地架空線輸送的電能，經陸上開關站或換流站的作用后轉為通過海底電纜輸送，通過在海上設置的海上變電站或換流站進行接收，最后再將其輸送至各生產平臺上，以連續(xù)供給海上油田所需的電力。這一過程伴隨著多種高壓電氣設備的協(xié)同運轉，因此，為避免火災隱患，海上變電站應盡可能遠離油氣生產平臺。此外，海洋石油岸電工程需實現(xiàn)同時為多個生產平臺供電的要求，因此出于安全性和經濟性的綜合考慮，海上變電站等高壓電氣設備通常集中布置在海上電力平臺上，再通過棧橋與海上油氣生產平臺連接[2]。

2 平臺腐蝕機理與防腐措施

2.1 腐蝕機理

海上平臺在海洋環(huán)境中的腐蝕失效形式主要是電化學腐蝕，即金屬構件由于氧化反應而被溶解。在此過程中，氧化和還原反應同時存在，發(fā)生氧化反應的部分失去電子，發(fā)生還原反應的部分得到電子，即電子由前者轉移至后者，從而形成了電化學腐蝕的電流基礎。

電化學反應的基本發(fā)生單元為電解池，由陽極、陰極和電解質共同組成，陽極即為發(fā)生電化學腐蝕的部位。在腐蝕原電池中，陽極和陰極可以由同種或不同種金屬構成，海上平臺由多種金屬構件共同組成，其中化學性質更活潑的金屬容易發(fā)生腐蝕成為陽極，而相比之下更穩(wěn)定的金屬不容易產生反應而成為陰極。最后，由于海水富含大量易溶解的鹽類物質而且具有強導電性，同時海洋中常常形成鹽霧環(huán)境，是自然界中最容易引起金屬腐蝕的電解質之一[3]。

2.2 腐蝕區(qū)域劃分

從腐蝕角度，通常將平臺劃分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)和全浸區(qū)3 個區(qū)域（圖1）。

圖1 平臺腐蝕區(qū)域劃分

（1）大氣區(qū)的腐蝕主要由空氣中的水分和氧氣引起。在大氣區(qū)，高濕度、長日照時間和鹽粒、鹽霧等物質的存在，會導致結構表面積聚形成液膜，成為電化學腐蝕的基礎。在這種情況下，構件表面不斷形成紅銹，并且不能附著在薄膜表面而不斷脫落，最終導致平臺結構的連續(xù)腐蝕。這一過程主要主要受到大氣濕度、溫度、鹽度等條件的影響。

（2）飛濺區(qū)是海上平臺最嚴重的腐蝕區(qū)域之一。在潮汐和海浪的影響下，該區(qū)域處于干濕交替的環(huán)境中，其表面不斷被富氧的海水浸濕，同時受到海浪的濺潑和沖擊。這將加速部件表面的腐蝕速度。此外，海水中夾雜的氣泡還能破壞結構表面的保護膜，加劇腐蝕。

（3）全浸沒區(qū)指的是飛濺區(qū)以下和海泥中的部分，該部分平臺的腐蝕表現(xiàn)為，在溶解氧的作用下，兩種不同的金屬和電解質形成兩個電極，形成腐蝕電化學電池，使部分結構處于高電位的陽極而被腐蝕，而部分處于低電位的陰極區(qū)域得到保護。這種電化學腐蝕的速度主要受溫度、鹽度、速度和海洋生物的影響。

2.3 防腐措施

除了由施工工藝不規(guī)范引起的腐蝕失效，大多數(shù)金屬構件的腐蝕失效是由于其與自然環(huán)境相互作用導致的。為了延長金屬構件的使用壽命，需要采取腐蝕防護措施，如選擇耐腐蝕性能較好的材料、涂覆防腐涂料、電鍍等方法，以減緩金屬構件的腐蝕速度。相應地，防腐措施應根據(jù)平臺的環(huán)境條件、結構部件、使用壽命、施工和維護可能性等因素確定[4]。一般來說，在海洋大氣區(qū)采用高性能防腐涂料；飛濺區(qū)則采用增加壁厚、高性能防腐涂料（或包覆層）與陰極保護相結合的保護方法；全浸區(qū)的腐蝕形式大多為電化學腐蝕，一般采用陰極保護方法。目前，常見的陰極保護方法有犧牲陽極保護法和外加電流保護法兩種。

（1）犧牲陽極保護法。利用鋅、鋁、鎂等活性金屬作為陽極材料，將其焊接或用螺栓固定在需要保護的結構上。這些金屬在海水中更容易被溶解，因此其在海水中的電位遠高于結構的電位而處于陽極地位，從而保護了處于陰極地位的結構[5-6]。為確保保護的有效性，犧牲陽極應根據(jù)被保護結構的形狀和所需保護電流大小，在水平和垂直方向上均衡布置。這種方法雖然設計簡單、維護成本低、過保護風險小，但是會給平臺帶來額外重量、環(huán)境污染等問題[6]。

（2）外加電流保護法。通過將直流電源正極與輔助陽極、負極與被需要保護的結構直接相連接，從而形成電流回路。通過輔助陽極為該系統(tǒng)提供的陽極電場，使被保護的陰極金屬能夠保持其電位處于保護電位之間，從而達到保護平臺的目的。外加電流陰極保護系統(tǒng)具有重量輕、壽命長、環(huán)境友好、工作狀態(tài)可適應性調控等多方面優(yōu)點，如今越來越得到關注和重視。

對于海洋平臺的陰極保護，既可以選用犧牲陽極保護法，也可以選用外加電流保護法。如今在工程實踐中，多聯(lián)合采用兩種方法，即前2～3 年采用牲陽極保護系統(tǒng)，隨后更換為為外加電流保護系統(tǒng)的方法。這種保護系統(tǒng)通過發(fā)揮兩種保護方法的優(yōu)點，以實現(xiàn)海上平臺陰極保護效率的最大化。

3 張緊式外加電流陰極保護

渤海某區(qū)域項目新建海上電力動力平臺采用“犧牲陽極（2 年）+張緊式外加電流”陰極保護。計劃在海上電力動力平臺導管架上各安裝1 套張緊式外加電流陰極保護系統(tǒng)（張緊式ICCP），且ICCP 系統(tǒng)內集成相應的陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)（CPMS）。

張緊式（拉伸式）和遠地式外加電流系統(tǒng)是兩種主要形式，國內應用后者短短數(shù)年后嚴重失效，而前者經受了超強臺風的正面沖擊，可靠性得到驗證。新建平臺采用外加電流陰極保護在保護環(huán)境、降低平臺重量和平臺波浪載荷、延長服役年限和投資等方面有明顯優(yōu)勢，而張緊式外加電流陰極保護技術相比遠地式外加電流陰極保護技術有不占用平臺周圍用海資源、可在陸上安裝、可精細化調節(jié)各區(qū)域的保護效果等優(yōu)勢。張緊式外加電流陰極保護技術是海上新建平臺外加電流陰極保護和在役平臺陰極保護延壽的首選[8]。

3.1 可靠性

張緊式ICCP 系統(tǒng)一般張拉于導管架內部，可以有效防止?jié)O網拖拽、碰撞。上部控制系統(tǒng)采用模塊化設計、可以實現(xiàn)分布式獨立控制每個輔助陽極的效果，可互為冗余，且具備軟硬件閾值雙重監(jiān)控與報警，通過布置在導管架平臺容易出現(xiàn)欠保護與過保護位置的參比電極，可實現(xiàn)實時監(jiān)控平臺的保護電位，有效防止導管架出現(xiàn)過保護或者欠保護的情況，保證平臺全壽命期的有效保護。當導管架電位、輔助陽極電流出現(xiàn)異常時系統(tǒng)會自動報警，進一步保證系統(tǒng)的可靠性。

3.2 智能化

基于DSP 全數(shù)字化高頻開關的先進控制策略，監(jiān)控軟件人機交互友好，支持局域網內集群組雙功能，遠程監(jiān)控具備實時監(jiān)控、實時故障、操作日志、參數(shù)配置、大容量數(shù)據(jù)庫等一系列智能化功能，實現(xiàn)專家分析及運維報表導出；具備故障指示燈，能夠對過流、過壓等常規(guī)故障進行報警，顯示屏給出故障信息；可根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動生成監(jiān)測報告，對導管架陰極保護狀態(tài)給出專業(yè)評估，降低對運維人員的專業(yè)性要求；兼?zhèn)鋵Ч芗苋S模型展示、折線趨勢圖展示等多種展示視圖；在導管架模型中標記出輔助陽極與參比電極的位置，在標記處展示其對應的實時數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)異常處進行區(qū)分顏色閃爍提示狀態(tài)；折線趨勢圖篩選時間不限。

3.3 可控性

針對不同區(qū)域、不同時期的電流需求，可精細化調節(jié)每個輔助陽極的輸出電流，優(yōu)化各區(qū)域的保護效果，實現(xiàn)被保護體全壽命期整體陰極保護的精細化控制，保證導管架各水深處的結構保護電位分布均勻?？刂婆c監(jiān)測系統(tǒng)用戶操作方面，具備采集、存儲、查詢、打印和分析處理多種功能，且具備多種選擇與篩選、過濾條件。

3.4 簡便性

復合纜-電極系統(tǒng)由承載纜、電源芯線、輔助陽極高度集成為一體。不僅具有機械承載能力，還具有輔助陽極電流的傳輸能力?？芍苯訉⒓奢o助陽極的復合纜張拉緊固于導管架內部，避免冗繁的安裝操作，可在導管架陸地建造階段完成張緊式ICCP 系統(tǒng)的安裝，無需水下作業(yè)，安裝成本低、難度低、風險低。

3.5 可維護性

供電和控制單元采用標準化的抽屜式設計及推拉式安裝/拆卸技術。每臺模塊單獨給一個輔助陽極供電，各模塊互不影響，可獨立工作、維護，實現(xiàn)故障模塊的在線更換/板級維護，降低ICCP 系統(tǒng)的維護成本和難度。復合纜與輔助陽極高度集成，復合纜和輔助陽極一旦意外損壞，更換維修簡便，無需水下焊接工作、成本低。

3.6 冗余性

系統(tǒng)至少安裝2 根復合纜，每根復合纜配多組輔助陽極，保證平臺全壽命期的穩(wěn)定作業(yè)。用于監(jiān)測導管架平臺電位的參比電極采用高純鋅和銀/鹵化銀復合的雙參比電極冗余設計，確保監(jiān)測電位的準確性和耐久性。

3.7 經濟性

采用張緊式外加電流陰極保護系統(tǒng)，具有成本低、安裝工作量小等優(yōu)點，且系統(tǒng)集成了陰極保護監(jiān)測功能。針對新建導管架，可在導管架制造場地完成安裝，進一步降低安裝費用和風險。

3.8 環(huán)保性

金屬鋁、鋅作為常用的防腐材料，大量的金屬鋅溶解到海水中，會對海洋環(huán)境造成影響，是導致渤海海水金屬含量超標的重要原因。外加電流陰極保護系統(tǒng)服役過程中，無金屬溶解，對海洋環(huán)境無污染。

4 結束語

本文基于海上平臺的腐蝕機理和特點，對不同陰極保護方法進行了分析與對比以，并以渤海區(qū)域某岸電工程項目新建海上電力動力平臺為例，介紹一種張緊式外加電流陰極保護的防腐方案及其優(yōu)點，為海洋石油岸電平臺的防腐提供技術參考。