外加電流系統(tǒng)在自安裝采油平臺(tái)上的應(yīng)用

楊太年，趙準(zhǔn)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中海油電氣儀表自動(dòng)控制技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452）

1 概述

本文所介紹的自安裝式采油平臺(tái)是一艘基于插銷式液壓升降的四樁腿自升式采油平臺(tái)，鋼質(zhì)非自航，適用于渤海灣海域進(jìn)行原油的生產(chǎn)、處理、儲(chǔ)存和外輸。平臺(tái)結(jié)構(gòu)終年處于海水及海洋大氣環(huán)境中，長(zhǎng)期遭受腐蝕，盡管平臺(tái)已整體進(jìn)行涂裝防腐，但為確保樁腿水下部分結(jié)構(gòu)的安全性和使用年限，還須對(duì)平臺(tái)水下部分進(jìn)行陰極保護(hù)。由于樁腿需定期提升，樁腿水下部分不適宜采用犧牲陽(yáng)極法保護(hù)。本工程采用外加電流陰極保護(hù)的方式對(duì)樁腿水下部分進(jìn)行陰極保護(hù)，以確保在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的安全及正常使用。

2 平臺(tái)介紹

2.1 樁腿及樁靴結(jié)構(gòu)

平臺(tái)主要由平臺(tái)主體、工藝處理系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)和樁腿組成，平臺(tái)主體采用了重防腐涂料和犧牲陽(yáng)極聯(lián)合的保護(hù)形式。由于樁腿需要定期進(jìn)行提升，所以樁腿與平臺(tái)之間有30 mm的空隙，致使樁腿不能與平臺(tái)良好地接觸，平臺(tái)的陰極保護(hù)系統(tǒng)并不能對(duì)樁腿進(jìn)行保護(hù)，所以對(duì)樁腿考慮采用單獨(dú)的陰極保護(hù)系統(tǒng)。樁腿和樁靴的具體情況見(jiàn)表1。

表1 樁腿和樁靴情況 mm

2.2 平臺(tái)使用環(huán)境

作業(yè)水深：5～30 m（含天文潮和風(fēng)暴潮）；設(shè)計(jì)溫度：大氣設(shè)計(jì)溫度-15～40℃，最低海水設(shè)計(jì)溫度-2℃，最大相對(duì)濕度95%（+20℃時(shí)）；正常作業(yè)情況：設(shè)計(jì)風(fēng)速36 m/s，設(shè)計(jì)波高6.1 m，周期8.5 s；風(fēng)暴自存：設(shè)計(jì)風(fēng)速51.5 m/s，設(shè)計(jì)波高8.9 m，周期8.9 s；海流：1.23 m/s。

3 陰極保護(hù)防腐設(shè)計(jì)

3.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)的選擇

陰極保護(hù)系統(tǒng)分犧牲陽(yáng)極和外加電流兩種保護(hù)形式，都能達(dá)到保護(hù)的效果，但是由于樁腿要定期進(jìn)行提升，且樁腿與固樁板之間的縫隙很小，陽(yáng)極塊會(huì)阻礙樁腿的提升，所以考慮采用外加電流系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)參考國(guó)際平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)和專家的論證，最后選用斜拉式串裝輔助陽(yáng)極保護(hù)形式，自動(dòng)提升系統(tǒng)，既不影響樁腿的自動(dòng)提升，又能對(duì)樁腿進(jìn)行有效的保護(hù)。

3.2 系統(tǒng)組成

本工程外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽(yáng)極、恒電位儀、鋅鋁硅參比電極、自動(dòng)提升系統(tǒng)等組成。

通過(guò)在平臺(tái)側(cè)面懸掛重塊，將輔助陽(yáng)極通過(guò)專用電纜固定在水中，陽(yáng)極通過(guò)海水介質(zhì)對(duì)樁腿水下部分形成有效保護(hù)。

3.3 外加電流系統(tǒng)計(jì)算

3.3.1 保護(hù)面積計(jì)算

自安裝式采油平臺(tái)位置處水深24.1 m，樁靴入泥深度9.3 m，海水電阻率28Ω·cm，極端高水位（50年一遇）+2.70 m，極端低水位（50年一遇）-1.2 m，樁腿內(nèi)部不進(jìn)水進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，見(jiàn)表2。

表2 保護(hù)面積計(jì)算 m2

3.3.2 電流計(jì)算

根據(jù)樁腿、樁靴已經(jīng)整體涂裝的實(shí)際情況，DOC-JUGEN-01《自安裝采油平臺(tái)總說(shuō)明書》中規(guī)定：“最小保護(hù)電流密度根據(jù)船東提供的平臺(tái)工作環(huán)境參數(shù)，樁腿電流密度海水中取60 mA/m2，海泥區(qū)取25 mA/m2?！?/p>

由此，本陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)電流總計(jì)為：I總=S1×J1+（S2+S3）×J2=78.8 A。

3.4 主要設(shè)備和材料選型

3.4.1 鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽(yáng)極

考慮到外海的水流較大，且在海底附近有泥沙的沖刷，故選用鈦基金屬氧化物（MMO） 管狀陽(yáng)極，規(guī)格為φ25 mm，L1 000 mm，額定輸出電流25 A，在輔助陽(yáng)極外安裝一個(gè)非金屬多孔防護(hù)罩，用以減小海水沖刷，同時(shí)由于是多孔護(hù)罩，并不影響陰極保護(hù)電流的正常發(fā)散。陽(yáng)極技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽(yáng)極技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《自安裝式采油平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)計(jì)算書》，整個(gè)系統(tǒng)需要總保護(hù)電流為78.8 A，所以共采用4支管狀陽(yáng)極即可滿足電流需求。

陽(yáng)極電纜采用耐海水腐蝕且具有一定強(qiáng)度的CJY93/SC交聯(lián)聚乙烯船用SC型電力電纜。該電纜內(nèi)部含有抗拉伸鋼絲，具有一定的強(qiáng)度，外部采用耐海水性能較好的絕緣皮，能夠承受較大的拉力，使重塊順利提升。且此電纜已經(jīng)在國(guó)外深、淺海平臺(tái)應(yīng)用。如圖1。

圖1 陽(yáng)極電纜

3.4.2 恒電位儀

用作直流電源的恒電位儀，具有技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其外殼應(yīng)采用防干擾的金屬外殼，并進(jìn)行妥善的防腐處理，其性能指標(biāo)、適應(yīng)環(huán)境的能力應(yīng)滿足GB/T 3220—1984《船用恒電位儀技術(shù)條件》的規(guī)定。

3.4.3 參比電極

由于本工程的特殊性，參比電極應(yīng)具有極化小，穩(wěn)定性好，不易損壞，使用壽命長(zhǎng)等特性，并應(yīng)適用所處的環(huán)境介質(zhì)，其規(guī)格、型號(hào)、技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)滿足GB/T 7387—1999《船用參比電極技術(shù)條件》的規(guī)定。

選用的Zn參比電極測(cè)量鋼樁相對(duì)于電解質(zhì)的電位，作為本工程檢測(cè)、監(jiān)控用電極，其性能符合GB/T 7387—1999規(guī)定。本工程采用2個(gè)參比電極，參比電極固定在樁腿上。安裝圖見(jiàn)圖2，參比電極電化學(xué)性能見(jiàn)表4。

圖2 參比電極安裝圖

表4 鋅鋁硅參比電極電化學(xué)性能

3.4.4 提升系統(tǒng)的選取

由于外加電流系統(tǒng)需要定期提起，而且沉塊為100 kg，在提升時(shí)又有淤泥的吸力，采用人工操作非常困難，所以設(shè)計(jì)中采用了電動(dòng)提升裝置，選取設(shè)備規(guī)格如下：額定拉力10 kN；速度5～10 m/min；承載力1.5 t（沉塊為100 kg，沉塊放在船甲板上，向上拉起時(shí)瞬時(shí)拉力較大，可增大承載力）；電機(jī)功率2.2 kW。

4 陰極保護(hù)系統(tǒng)的安裝

4.1 輔助陽(yáng)極的安裝

輔助陽(yáng)極與陽(yáng)極電纜采用密封連接，然后通過(guò)船用電纜承重，使陽(yáng)極按設(shè)計(jì)標(biāo)高固定于水中，對(duì)鋼樁進(jìn)行保護(hù)。陽(yáng)極電纜與輔助陽(yáng)極、沉塊連接示意如圖3。

圖3 沉塊連接圖

4.2 電纜布置

供電電纜根據(jù)總設(shè)計(jì)方的要求進(jìn)行布線，關(guān)鍵是參比電極電纜的布置，由于參比電極嵌套在樁腿內(nèi)，電纜只能從樁腿內(nèi)部引出至平臺(tái)，考慮到樁腿提升對(duì)電纜的影響，采用如下方式對(duì)電纜進(jìn)行固定。

1） 固定用的鋼絲繩采用直徑為10 mm的不銹鋼鋼絲繩；

2） 在固樁室頂部、樁腿頂部焊接固定鋼絲繩的支架并做防腐處理；

3） 利用拆卸方便的花籃螺絲拉緊鋼絲繩；

4） 為了防止電纜在樁腿頂部處磨損，在可能磨損到的部位增加膠皮套。

4.3 電纜的連接

電纜的約束會(huì)影響系統(tǒng)的提升，所以在供電電纜與提升系統(tǒng)的連接點(diǎn)和參比電極電纜與樁腿出現(xiàn)口采用航空插拔式密封接頭，這樣在系統(tǒng)需要提升的時(shí)候，就可以把電纜分開(kāi)，使系統(tǒng)能夠順利地進(jìn)行提升。

5 調(diào)試

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝檢測(cè)完畢，樁腿下水后需進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，具體步驟如下：

1） 調(diào)試之前，確認(rèn)所有電纜連接正確、保險(xiǎn)絲安裝正確、螺絲安裝牢固。

2）系統(tǒng)通電調(diào)試之前，記錄參比電極初始電位。

3）以恒電位儀額定輸出電流的20%供電，分別記錄恒電位儀輸出電流（Current）、輸出電壓（Voltage）以及參比電極電位（R1，R2）。穩(wěn)定30 min后，再次記錄。

4）依次將恒電位儀加載到額定輸出電流的40%、60%、80%、100%，記錄恒電位儀輸出電流、輸出電壓以及參比電極電位。每次調(diào)整前均需穩(wěn)定30 min，并記錄輸出電流，輸出電壓以及參比電極電位。

5） 以上調(diào)試過(guò)程中，若樁腿保護(hù)電位達(dá)到0～0.25 V（相對(duì)于鋅參比電極）范圍，則保持現(xiàn)有電流輸出，將控制方式改為恒電位控制，2 h后記錄輸出電流，輸出電位，參比電極電位。保持現(xiàn)有的恒電位控制方式，24 h和48 h后分別記錄輸出電流，輸出電位，參比電極電位。

6） 如果樁腿一直未達(dá)到0～0.25 V（相對(duì)于鋅參比電極）保護(hù)電位范圍，需再次檢查所有電纜連接是否正確。

7） 如果在使用過(guò)程中參比電極失效，應(yīng)將恒電位儀調(diào)整為手動(dòng)模式，并采用便攜式Ag/AgCl參比電極測(cè)量樁腿電位，作為恒電位儀輸出電流調(diào)整依據(jù)。若樁腿保護(hù)電位達(dá)到-0.8～-1.05 V（相對(duì)于便攜式Ag/AgCl參比電極），則保持現(xiàn)有電流輸出。

6 結(jié)語(yǔ)

在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)試后，陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電位達(dá)到了規(guī)范要求，并能穩(wěn)定地運(yùn)行。

本工程在實(shí)際應(yīng)用中，采用了國(guó)際上先進(jìn)的串裝陽(yáng)極技術(shù)，并且在原有基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)提升系統(tǒng)，既保證了樁腿得到良好的保護(hù)，又不影響樁腿的自由提升。本技術(shù)為國(guó)內(nèi)自動(dòng)提升式平臺(tái)上陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并可以推廣應(yīng)用到深海平臺(tái)的陰極保護(hù)系統(tǒng)改造工程，為深海平臺(tái)的陰極保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)提供技術(shù)參考。

[1]GB/T 3108—1999，船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)[S].

[2]JTS153-3—2007，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB/T 7387—1999，船用參比電極技術(shù)條件[S].

[4]BSEN 12495：2000，近海固定式鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)[S].

[5]GB/T 7388—1999，船用輔助陽(yáng)極技術(shù)條件[S].

[6]GB/T 3220—1984，船用恒電位儀技術(shù)條件[S].