基于縮比模型的導(dǎo)管架平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉福國(guó),張國(guó)慶,張偉,尹鵬飛,韓笑晨,韓冰

(1.中國(guó)海洋石油總公司海洋石油工程股份有限公司,天津300451; 2.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司,山東青島266071;3.昆明理工大學(xué),昆明650500)

基于縮比模型的導(dǎo)管架平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉福國(guó)1,張國(guó)慶1,張偉2,尹鵬飛2,韓笑晨3,韓冰2

(1.中國(guó)海洋石油總公司海洋石油工程股份有限公司,天津300451; 2.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司,山東青島266071;3.昆明理工大學(xué),昆明650500)

目的研究遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極發(fā)生電流單元的改變和距離平臺(tái)的相對(duì)位置對(duì)平臺(tái)電位分布及保護(hù)程度的影響。方法以位于渤海灣JZ120-1在役導(dǎo)管架平臺(tái)為原型,構(gòu)建了一個(gè)1∶20的縮比模型。在平臺(tái)底部一定距離處放置一座遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極,研究恒電流下輔助陽(yáng)極與平臺(tái)底部間距和輔助陽(yáng)極發(fā)生電流單元的改變對(duì)平臺(tái)電位分布及其保護(hù)程度的影響。結(jié)果單座遠(yuǎn)地陽(yáng)極即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整座平臺(tái)的腐蝕控制。輔助陽(yáng)極距離平臺(tái)越遠(yuǎn),平臺(tái)表面電位差越小,電位分布越均勻;輔助陽(yáng)極距離平臺(tái)越近,單支陽(yáng)極較四支陽(yáng)極保護(hù)下的平臺(tái)表面電位差越大,距離越遠(yuǎn),電位差越小,距離相同時(shí),4支陽(yáng)極較單支陽(yáng)極保護(hù)下的平臺(tái)表面電位差小,電位分布更均勻。盡管海水稀釋20倍,鈣質(zhì)沉積層的沉積與覆蓋仍是影響平臺(tái)表面電位分布的重要因素。結(jié)論輔助陽(yáng)極發(fā)生電流單元的數(shù)量、距離平臺(tái)的相對(duì)位置以及鈣質(zhì)沉積層的覆蓋是影響平臺(tái)表面電位分布和保護(hù)程度的重要因素。

外加電流陰極保護(hù);縮比模型;優(yōu)化設(shè)計(jì);海洋平臺(tái)

海洋石油平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)的腐蝕控制主要有犧牲陽(yáng)極法和外加電流法,我國(guó)有各類(lèi)海洋平臺(tái)400多座,90%以上采用犧牲陽(yáng)極法。相較于外加電流法,犧牲陽(yáng)極法采用陸地一次性安裝,無(wú)需后期維護(hù),工藝可復(fù)制性強(qiáng),設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用歷史久,工程經(jīng)驗(yàn)豐富,標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范完善,很好地滿(mǎn)足了復(fù)雜海洋環(huán)境下的腐蝕防護(hù)需求。犧牲陽(yáng)極法的缺點(diǎn)也比較突出。

1)犧牲陽(yáng)極的冶煉對(duì)資源和能源的消耗巨大,大量污染廢棄物的排放對(duì)空氣、水、土壤造成嚴(yán)重的生態(tài)污染和破壞。

2)犧牲陽(yáng)極的溶解釋放大量的Al,Zn,In,Mg及其他重金屬離子,存在潛在海洋生態(tài)污染隱患[1]。

3)大量犧牲陽(yáng)極的安裝對(duì)平臺(tái)的載荷能力提出了更高的要求,尤其是深水平臺(tái),犧牲陽(yáng)極用量達(dá)上千噸,增加了平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造成本。

外加電流法盡管其一次性投入較大,全壽命期進(jìn)行需要維護(hù)與保養(yǎng),但并不存在上述幾個(gè)方面的問(wèn)題,屬于節(jié)約資源、環(huán)境友好型技術(shù)。雖然外加電流不能像犧牲陽(yáng)極那樣均勻地分布在被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的表面,實(shí)現(xiàn)保護(hù)電流的均勻分布,但是通過(guò)優(yōu)化輔助陽(yáng)極的數(shù)量及輔助陽(yáng)極與平臺(tái)的相對(duì)位置等設(shè)計(jì)參數(shù),亦能實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)體的全面腐蝕控制。外加電流法不僅適用于新建平臺(tái),更適用于在役平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)的延壽修復(fù)[2]。

結(jié)構(gòu)表面電位分布的均勻性是評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[3],尤其是外加電流陰極保護(hù)法。原因是外加電流系統(tǒng)中輔助陽(yáng)極的數(shù)量較少,發(fā)生電流單元集中且發(fā)生電流大,易發(fā)生被保護(hù)物靠近輔助陽(yáng)極區(qū)域過(guò)保護(hù)和較遠(yuǎn)區(qū)域或屏蔽嚴(yán)重區(qū)域的欠保護(hù)危險(xiǎn)[4—5]。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法有2種:數(shù)值模擬法和縮比模型法。數(shù)值模擬法是在傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,利用計(jì)算機(jī)邊界元程序求解描述陰極保護(hù)電場(chǎng)的偏微分方程,進(jìn)而得到陰極保護(hù)的最佳化設(shè)計(jì),預(yù)測(cè)被保護(hù)構(gòu)筑物表面電位分布[6—8]。陰極保護(hù)電位分布數(shù)值計(jì)算模型多是針對(duì)穩(wěn)態(tài)分布型模型展開(kāi)的,而實(shí)際的陰極保護(hù)體系狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化,如陰極極化過(guò)程中鋼表面鈣質(zhì)沉積層的沉積與覆蓋是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此邊界條件中陰極表面電位與電流密度函數(shù)隨時(shí)間會(huì)不斷變化,僅根據(jù)某一時(shí)刻的電位與電流密度函數(shù)關(guān)系描述整個(gè)陰極極化過(guò)程,結(jié)果的可靠性和可信度難以保證[7]。

縮比模型法是利用被保護(hù)物的縮比模型優(yōu)化預(yù)測(cè)分析被保護(hù)物表面電場(chǎng),將平臺(tái)的外形尺寸、陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)等物理量按一定比例縮放,同時(shí)將海水的電導(dǎo)率也縮比相同的比例。該方法能復(fù)制平臺(tái)復(fù)雜幾何形狀,而不依賴(lài)任何所用材料的極化曲線(xiàn)等電化學(xué)數(shù)據(jù),具有節(jié)省時(shí)間、降低成本的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已在船體陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用[3,9—11]?？梢钥闯?縮比模型法的局限性也很突出,比如1個(gè)縮比模型只能模擬1種結(jié)構(gòu),如果需要對(duì)不同結(jié)構(gòu)形狀的被保護(hù)體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),必須構(gòu)建不同的與之對(duì)應(yīng)的縮比模型。數(shù)值模擬法則只需在計(jì)算機(jī)中更改模型設(shè)計(jì),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì),相較于縮比模型法更加便捷。

文中以渤海灣某在役采油平臺(tái)為原型,基于縮比模型理論,建立該平臺(tái)的縮比模型,通過(guò)在平臺(tái)底部海床上放置一座遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極,研究遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極發(fā)生電流單元的改變和距離平臺(tái)的相對(duì)位置對(duì)平臺(tái)電位分布及保護(hù)程度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)施包括平臺(tái)縮比模型、實(shí)驗(yàn)水池、外加電流系統(tǒng)和平臺(tái)電位分布監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)等。

1.1 平臺(tái)模型

平臺(tái)模型是以渤海灣JZ120-1在役導(dǎo)管架平臺(tái)為原型,以1∶20比例縮小制作,模型為平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)部分,不考慮上層建筑的模擬?？s比后模型高129 cm,由Q235鋼管材焊接而成,面積為3.64 m2,如圖1所示。

圖1 導(dǎo)管架平臺(tái)縮比模型和參比電極分布Fig.1 The physical scale model of the Jacket platform and the reference electrode distribution

1.2 實(shí)驗(yàn)水池

實(shí)驗(yàn)水池建在室內(nèi),水池內(nèi)部尺度為4.1 m× 3.0 m×2.1 m,池壁和池底均標(biāo)有刻度線(xiàn),如圖2所示。配有一套龍門(mén)吊裝裝置,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)模型和輔助陽(yáng)極的定位。試驗(yàn)海水取自青島小麥島附近海域,按照1∶20稀釋,稀釋后電導(dǎo)率為2.00 ms/cm(校正到25℃)。

圖2 實(shí)驗(yàn)水池Fig.2 The experimental pool

1.3 外加電流系統(tǒng)

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由一臺(tái)上海正方電子ZF-9型恒電位儀和輔助陽(yáng)極組成。在一根φ3.0 mm的鈦基金屬氧化物絲上截出4段,每段的一端與銅導(dǎo)線(xiàn)連接并密封到聚四氟乙烯托架中,組成4支陽(yáng)極單元,每支陽(yáng)極單元鈦基金屬氧化物絲暴露長(zhǎng)度為60.0 mm。將4支陽(yáng)極分別固定到一張100 mm×100 mmPVC板的4個(gè)角上,然后將PVC板固定到混凝土底座上,成為一個(gè)遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極,如圖3所示。輔助陽(yáng)極的高20 cm,其中的4支陽(yáng)極單元通過(guò)電線(xiàn)并聯(lián)到恒電位儀。

圖3 遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極Fig.3 The remote auxiliary anode

1.4 電位分布監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)

電位分布監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)由全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)儀和參比電極組成。數(shù)據(jù)采集器為有8個(gè)電壓采集通道,輸入阻抗大于10 MΩ,電壓分辨率優(yōu)于0.5 mV。參比電極為自制Ag/AgCl固溶體電極[12—13],在天然海水中放置30天,電位波動(dòng)小于±5 mV,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定期用飽和甘汞電極校正。

2 結(jié)果與討論

不管是新建平臺(tái)還是在役平臺(tái),在進(jìn)行外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),都需要根據(jù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、服役水深、海底輸油管網(wǎng)分布情況、服役區(qū)域海洋環(huán)境條件等因素來(lái)設(shè)計(jì)輔助陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)與安裝方式。

由于導(dǎo)管架平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊,難有足夠的空間安裝排流量較大的輔助陽(yáng)極。借鑒國(guó)外的海洋構(gòu)筑物外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2],選擇一種被稱(chēng)為遠(yuǎn)地式的輔助陽(yáng)極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該輔助陽(yáng)極被放置在平臺(tái)外側(cè)一定距離的海床上,通過(guò)平臺(tái)上部電源供電,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的腐蝕控制。對(duì)于保護(hù)電流需求較大的海洋構(gòu)筑物,國(guó)外的設(shè)計(jì)一般采用恒電流控制,原因是由于平臺(tái)被保護(hù)電流需求大,達(dá)到上千安培,恒電流控制較恒電位控制設(shè)備簡(jiǎn)單,可靠性高,尤其是對(duì)于離岸較遠(yuǎn)的海洋平臺(tái),更換設(shè)備的運(yùn)輸、安裝費(fèi)用高。

在遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中,輔助陽(yáng)極的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和輔助陽(yáng)極與平臺(tái)的相對(duì)位置是要考慮的一個(gè)重要因素。該實(shí)驗(yàn)中,首先研究了在平臺(tái)周?chē)胖脝巫o助陽(yáng)極時(shí)平臺(tái)不同區(qū)域的電位分布情況;然后通過(guò)改變輔助陽(yáng)極與平臺(tái)間距和輔助陽(yáng)極發(fā)生電流單元數(shù)量時(shí)平臺(tái)電位分布及其變化規(guī)律。

2.1 單座輔助陽(yáng)極保護(hù)

將單座輔助陽(yáng)極放置于平臺(tái)安裝采油油井管束的一側(cè),即圖1所示的平臺(tái)正前方,原因是較平臺(tái)的另外3側(cè),油井一側(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,被保護(hù)物面積大,保護(hù)電流需求大,易造成過(guò)保護(hù)和欠保護(hù)危險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)采用恒電流控制。將單座輔助陽(yáng)極放置于平臺(tái)采油管束的一側(cè)中心線(xiàn)上,陽(yáng)極中心距離平臺(tái)底部外側(cè)0.4 m,如圖4所示。4支陽(yáng)極單元并聯(lián)到恒電位儀的正極,負(fù)極連接到平臺(tái)上,給平臺(tái)施加150 mA的保護(hù)電流,保護(hù)電流密度為44.21 mA/m2,平臺(tái)表面不同區(qū)域被快速極化,電位迅速負(fù)移,5 h以后負(fù)移速度明顯減慢,到45 h時(shí)趨于穩(wěn)定,如圖5所示。從圖1可以看出,5#和8#參比電極距離輔助陽(yáng)極最近,因此該處極化最快,達(dá)到了-720 mV(相對(duì)飽和甘汞參比電極,下同),而2#參比電極處距離輔助陽(yáng)極最遠(yuǎn),極化電位最正,為-680 mV,整座平臺(tái)并未達(dá)到保護(hù)電位范圍[4—5]。45 h時(shí),將陽(yáng)極保護(hù)電流調(diào)整為300 mA,保護(hù)電流密度88.42 mA/m2。此時(shí),平臺(tái)整體電位再次快速負(fù)移,到70 h時(shí),5#參比電極處電位最負(fù),達(dá)到-960 mV,2#參比電極處電位最正,為-816 mV,整座平臺(tái)電位差約150 mV,平臺(tái)各個(gè)區(qū)域均處于保護(hù)電位區(qū)間,整個(gè)平臺(tái)達(dá)到了全面腐蝕控制,如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)水池俯視圖Fig.4 Top view of the experimental pool

圖5 輔助陽(yáng)極距離平臺(tái)0.4 m保護(hù)電流150 mA和300 mA時(shí)的導(dǎo)管架電位分布Fig.5 The potential distribution at 150 and 300 mA protective current and 0.4m apart from the platform

需要指出的是,試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)在平臺(tái)對(duì)稱(chēng)位置放置了10處參比電極,數(shù)據(jù)采集器采集并存儲(chǔ)了其中1#～9#處的平臺(tái)電位,10#參比電極連接到恒電位儀上,以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)電位變化情況。另外,試驗(yàn)開(kāi)始的10 h內(nèi),7#參比電極電位波動(dòng)較大,15 h后保持穩(wěn)定,這也是圖5中7#參比電極處平臺(tái)電位數(shù)據(jù)缺失的原因。

由試驗(yàn)結(jié)果可知,對(duì)于裸鋼平臺(tái),在靜態(tài)海水中,單座遠(yuǎn)地式陽(yáng)極即可將平臺(tái)不同區(qū)域據(jù)極化到保護(hù)電位區(qū)間,實(shí)現(xiàn)對(duì)整座平臺(tái)的腐蝕控制。

2.2 保護(hù)距離和輔助陽(yáng)極單元數(shù)對(duì)平臺(tái)電位分布的影響

將輔助陽(yáng)極放置于采油管束一側(cè)平臺(tái)正前方池底,調(diào)整輔助陽(yáng)極與平臺(tái)的間距和發(fā)生電流為整座(4支)陽(yáng)極和單支陽(yáng)極,研究平臺(tái)不同區(qū)域的電位分布及其變化規(guī)律。

保護(hù)電流為200 mA時(shí),不同距離和不同陽(yáng)極單元數(shù)平臺(tái)各個(gè)區(qū)域電位分布如圖6所示。圖6中 1和4分別指的是單支陽(yáng)極和整座4支陽(yáng)極發(fā)出相同保護(hù)電流時(shí)平臺(tái)不同位置的電位分布?？梢钥闯?200 mA保護(hù)電流時(shí),輔助陽(yáng)極底座與平臺(tái)間距為0.2～0.8 m(相當(dāng)于實(shí)際距離4.0～16.0 m)時(shí),平臺(tái)不同區(qū)域電位均在保護(hù)電位區(qū)間內(nèi),達(dá)到對(duì)整個(gè)平臺(tái)的腐蝕控制。在同一保護(hù)電流和保護(hù)距離條件下,輔助陽(yáng)極單元由1支變?yōu)?支時(shí),平臺(tái)表面電位分布呈“收縮”態(tài)勢(shì),即平臺(tái)表面最高保護(hù)電位和最低保護(hù)電位差值減小,平臺(tái)電位分布更加均勻。

施加200 mA保護(hù)電流時(shí),輔助陽(yáng)極與平臺(tái)不同距離下,發(fā)生電流為單支和4支陽(yáng)極單元時(shí)平臺(tái)表面最低電位與最高電位的差值如圖7所示?？梢钥闯?輔助陽(yáng)極與平臺(tái)間距從0.2～0.8 m變化時(shí),對(duì)單支陽(yáng)極,平臺(tái)表面電位差分別為152.9,107.3, 79.3,63.3 mV,陽(yáng)極距離平臺(tái)越遠(yuǎn),表面電位差越小,即電位分布愈加均勻;對(duì)4支陽(yáng)極單元,平臺(tái)電位差分別為140.7,99.3,71.5,58.9 mV,與單支陽(yáng)極的變化規(guī)律相同,即距離越遠(yuǎn),電位差愈小,電位分布越均勻,這與數(shù)值模擬的結(jié)果相一致[6]。在同一距離下,4支陽(yáng)極單元時(shí)表面電位差均小于單支陽(yáng)極,可見(jiàn)4支陽(yáng)極較單支陽(yáng)極保護(hù)更加均勻。陽(yáng)極與平臺(tái)距離從0.2～0.8 m時(shí),單支與4支陽(yáng)極引起的整座平臺(tái)電位差的差值依次為12.2,8.0,7.8, 4.4 mV,即陽(yáng)極與平臺(tái)越近,單支與4支陽(yáng)極引起的平臺(tái)電位差越大,陽(yáng)極與平臺(tái)越遠(yuǎn),平臺(tái)電位差別愈小,平臺(tái)電位分布愈加均勻?？梢韵胂?當(dāng)輔助陽(yáng)極與平臺(tái)間距達(dá)到一定距離時(shí),單支與4支陽(yáng)極的區(qū)別可以忽略。

保護(hù)電流為40 mA時(shí),不同距離和不同陽(yáng)極單元下平臺(tái)電位分布和電位差的變化如圖8和圖9所示。與保護(hù)電流為200 mA一樣,保護(hù)電流為40 mA時(shí),輔助陽(yáng)極底座與平臺(tái)間距0.2～0.8 m,整個(gè)平臺(tái)得到全面的腐蝕控制。從0.2～0.8 m,單支陽(yáng)極平臺(tái)表面電位差分別為46.0,32.0,26.0,23.1 mV,距離越遠(yuǎn),電位差越小,電位分布越均勻;對(duì)4支陽(yáng)極,電位差分別為40.0,28.5,25.0,22.4 mV,亦即距離越遠(yuǎn),電位差愈小,電位分布越均勻。在同一距離下,4支陽(yáng)極單元時(shí)表面電位差均小于單支陽(yáng)極, 4支陽(yáng)極較單支陽(yáng)極保護(hù)更加均勻,單支與4支陽(yáng)極平臺(tái)表面電位差的差值依次為6.0,3.5,1.0,0.7 mV。亦即陽(yáng)極與平臺(tái)越近,單支與4支陽(yáng)極引起的平臺(tái)電位差越大,陽(yáng)極與平臺(tái)越遠(yuǎn),平臺(tái)電位差別愈小,平臺(tái)電位分布愈加均勻。

圖8 保護(hù)電流40 mA輔助陽(yáng)極與平臺(tái)不同間距的平臺(tái)電位分布Fig.8 The potential distributions at 40 mA protective current and different distances

圖9 保護(hù)電流40 mA不同間距時(shí)單支和4支陽(yáng)極平臺(tái)表面電位差Fig.9 The potential differences of one and four anode units at 40 mA protective current and different distances

需要指出的是,盡管后期保護(hù)電流調(diào)整為40 mA,相當(dāng)于前期保護(hù)電流200 mA的1/5,但后期平臺(tái)表面電位整體負(fù)移程度卻超過(guò)前期。不管是單支陽(yáng)極還是4支陽(yáng)極,后期同一距離的平臺(tái)表面電位和電位差的差值均亦遠(yuǎn)低于前期,電位分布較前期亦更加均勻。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是金屬表面形成鈣質(zhì)沉積層的緣故,鈣質(zhì)沉積層在鋼結(jié)構(gòu)表面的沉積與覆蓋,阻礙了氧的擴(kuò)散,從而降低了對(duì)電流的需求。同時(shí),沉積層的覆蓋延展了陰極保護(hù)范圍,也使得金屬表面的電流分布更加均勻[14—15]。

金屬表面鈣質(zhì)沉積層的沉積與覆蓋是陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中重要的影響因素之一,盡管本實(shí)驗(yàn)中海水被稀釋了20倍,試驗(yàn)后期該因素的影響卻逐漸顯現(xiàn),因此,在縮比模型優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

3 結(jié)論

1)靜態(tài)條件下,對(duì)26 m水深的導(dǎo)管架平臺(tái),單座遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整座平臺(tái)的腐蝕控制。

2)不管是單支陽(yáng)極還是4支陽(yáng)極,陽(yáng)極距離平臺(tái)越遠(yuǎn),平臺(tái)電位差愈小,平臺(tái)電位分布越均勻;輔助陽(yáng)極距離平臺(tái)越遠(yuǎn),平臺(tái)表面電位差越小,電位分布越均勻;輔助陽(yáng)極距離平臺(tái)越近,單支陽(yáng)極較4支陽(yáng)極保護(hù)下的平臺(tái)表面電位差越大,距離越遠(yuǎn),電位差越小,距離相同時(shí),4支陽(yáng)極較單支陽(yáng)極保護(hù)下的平臺(tái)表面電位差小,電位分布更均勻。

3)盡管海水稀釋20倍,鈣質(zhì)沉積層的沉積與覆蓋仍是影響平臺(tái)表面電位分布的重要因素。

[1] GB 3097—1997,海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. GB 3097—1997,Sea Water Quality Standard[S].

[2] LEWIS E,FLANERY D.Improvements in Offshore Cathodic Protection Retrofits[C]//NACE East Asian&Pacific Regional Conference&Exposition,Malaysia,2008.

[3] GURRAPPA I.Physical and Computer Modeling for Ship' s Impressed Current Cathodic Protection Systems[J].Corrosion Prevention&Control,1994,41(2):40—42.

[4] DNV Standard DNV-RP-B401-2010,Cathodic Protection Design[S].

[5] NACE SP0176-2007,Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Steel Offshore Structures Associated with Petroleum Production[S].

[6] 劉福國(guó),武素茹.導(dǎo)管架平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算研究[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2011,28 (6):9—11. LIU Fu-guo,WU Su-ru.Study on Numerical Simulation Calculation for Applied Current Cathodic Protection of Platform[J].Petrochemical Corrosion and Protection, 2011,28(6):9—11.

[7] 杜艷霞,張國(guó)忠,李健.陰極保護(hù)電位分布的數(shù)值計(jì)算[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2008,28(1):53—58. DU Yan-xia,ZHANG Guo-zhong,LI Jian.Numerical Calculation of Cathodic Protection Potential Distribution[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2008,28(1):53—58.

[8] DEGIORGI V G,WIMMER S A.Geometric Details and Modeling AccuracyRequirementsforShipboard Impressed Current Cathodic Protection System Modeling [J].Engineering Analysis with Boundary Elements,2005 (29):15—28.

[9] DEGIORGIA V G,THOMAS E D,LUCASB K E.Scale Effects and Verification of Modeling of Ship Cathodic Protection Systems[J].Engineering Analysis with Boundary Elements,1998,22:41—49.

[10]于楠,梁成浩,吳建華,等.基于縮比模型理論的船舶外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)水線(xiàn)下表面電位的研究[J].腐蝕與防護(hù),2006,5(28):369—372. YU Nan,LIANG Cheng-hao,WU Jian-hua,et al.Surface Potential Measurement Under Waterline for Ship's Impressed Current Cathodic Protection System Based on Physical Scale Model[J].Corrosion and Protection,2006, 5(28):369—372.

[11]吳建華,梁成浩,于楠,等.基于縮比模型模擬的船體單區(qū)域外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2010,36(1):35—38. WU Jian-hua,LIANG Cheng-hao,YU Nan,et al.Impressed Current Cathodic Protection System Based on Physical Scale Model in Single Zones of Hull[J].Journal of Dalian Maritime University,2010,36(1):35—38.

[12]鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所.微型海水鹵化銀參比電極:中國(guó),ZL201120453253.3[P].2012-07-25. Qingdao Research Institute for Marine Corrosion.Miniature Seawater Silver Halide Reference Electrode:China, ZL201120453253.3[P].2012-07-25.

[13]尹鵬飛,馬長(zhǎng)江,許立坤.工程用Ag/AgCl參比電極性能對(duì)比研究[J].裝備環(huán)境工程,2011,8(5):27—31. YIN Peng-fei,MA Chang-jiang,XU Li-kun.Comparative Study on Ag/AgCl Reference Electrodes Prepared with Thermal Dip Coating and Press Powder Method[J].E-quipped with Environmental Engineering,2011,8(5): 27—31.

[14]曹振宇,宋積文,杜敏.低溫低溶解氧流動(dòng)海水中陰極保護(hù)初期鈣質(zhì)沉積層的影響[J].海洋湖沼通報(bào),2011 (2):137—141. CAO Zhen-yu,SONG Ji-wen,DU Min.Study for Calcareous Deposits Under Initial CP in Low Temperature and Low Dissolved Oxygen Content in Dynamic Seawater[J]. Transactions of Oceanology and Limnology,2011(2): 137—141.

[15]李成杰,杜敏,李妍,等.動(dòng)態(tài)海水中保護(hù)電位對(duì)鈣質(zhì)沉積層形成的影響[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(Z2):149—153. LI Cheng-jie,DU Min,LI Yan,et al.The Influences of Protection Potentials on the Formation of Calcareous Deposits in Dynamic Seawater[J].Periodical of Ocean University of China,2011(Z2):149—153.

Design Optimization of ICCP System for Jacket Platform Based on Physical Scale Model

LIU Fu-guo1,ZHANG Guo-qing1,ZHANG Wei2,YIN Peng-fei2,HAN Xiao-chen3,HAN Bing2

(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China;2.Qingdao Research Institute for Marine Corrosion, Qingdao 266071,China;3.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Objective To Study the effects of the change in current unit of the remote auxiliary anode and the spacing between the platform and the auxiliary anode on the distribution and protection of platform potential.Methods Based on the JZ120-1 jacket platform in the Bohai Bay,a 1∶20 physical scale model was built.At the bottom of the experimental pool,a remote auxiliary anode was placed at a certain distance apart from the scale model.Under a certain protection current, the effects of the spacing between the platform and the auxiliary anode as well as the change in current unit of the remote auxiliary anode on the distribution and protection of platform potential were studied.Results The corrosion control of the whole platform can be realized by a single-seat remote anode.The farther the distance between the auxiliary anode and the scale model,the smaller the platform surface potential diffference,and the more even the potential distribution.The closer the distance between the auxiliary anode and the scale model,the greater the potential difference between one anode unit and four anode units,while the farther the distance,the smaller the potential difference.Comparing with the one unit,the four anode units showed a smaller platform surface potential difference and a more even potential distribution at the same distance.Although the experimental seawater was diluted 20 times by running water,the calcareous sediments and covering were still important factors affecting the potential distribution on the platform surface.Conclusion The current unit amount of the auxiliary anode,the spacing of the platform and the auxiliary anode,and the covering of calcareous sediments were important factors affecting the distribution and protection of the platform surface potential.

ICCP;physical scale model;design optimization;offshore platform

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.024

TG174.41

:A

1672-9242(2014)05-0125-07

2014-06-18;

2014-07-02

Received:2014-06-18;Revised:2014-07-02

劉福國(guó)(1979—),男,天津人,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)椴牧细g與防護(hù)。

Biography:LIU Fu-guo(1979—),Male,from Tianjin,Ph.D.,Senior engineer,Research focus:corrosion and protection of material.