海洋石油平臺導(dǎo)管架陰極保護(hù)的實施和改進(jìn)

陳 武，楊 洋，龍 云，陳 超，王科林，楊皓潔

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司上海環(huán)境工程技術(shù)分公司，上海 200030;2.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200030)

某海洋平臺位于溫州市東南150 km 的東海海域，平臺所處水深約84.1 m。建造方在建造初期從設(shè)計方法、成本、施工時間、施工難點等方面對比分析了全浸區(qū)的導(dǎo)管架只采用犧牲陽極陰極保護(hù)方法和采用涂層與犧牲陽極聯(lián)合保護(hù)方法［1］?？紤]到工期原因，全浸區(qū)的導(dǎo)管架最終選擇了不采用涂層，而僅靠陰極保護(hù)來防止腐蝕破壞的方法。該平臺導(dǎo)管架陰極保護(hù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNV-RP-401 進(jìn)行設(shè)計，文章將介紹導(dǎo)管架陰極保護(hù)設(shè)計及實際導(dǎo)管架保護(hù)狀況。

1 陰極保護(hù)設(shè)計

DNV-RP-401 根據(jù)海水表面平均溫度和海水深度規(guī)定了電流密度的取值，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外導(dǎo)管架的陰極保護(hù)設(shè)計。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNVRP-401中的相關(guān)規(guī)定，該平臺導(dǎo)管架的保護(hù)面積依表面狀態(tài)以及水深等情況進(jìn)行了劃分(見表1)，保護(hù)電流密度選取了“熱帶”(表層海水溫度大于20 ℃)的電流密度值(見表2)。

根據(jù)導(dǎo)管架保護(hù)面積和保護(hù)電流密度，計算出導(dǎo)管架所需的初始保護(hù)電流為2 688.3 A，維持電流為1 452.5 A，末期電流為1 892.1 A。

該平臺陽極采用了Al-Zn-In 合金犧牲陽極，陽極的尺寸為2 020 mm × (240 +270)mm ×270 mm，單支陽極質(zhì)量為323.4 kg。設(shè)計時，現(xiàn)場海水電阻率取值為22 Ω·cm，驅(qū)動電壓取0.25 V，計算得出單支陽極的初期輸出電流值5.01 A，末期輸出電流為3.63 A。導(dǎo)管架上最終設(shè)計安裝了569 塊陽極，滿足設(shè)計時初期、維持以及末期所需保護(hù)電流要求。

表1 保護(hù)面積Table 1 Protection Areas

表2 保護(hù)電流密度(熱帶)Table 2 Design Current Density (Tropical)

2 導(dǎo)管架保護(hù)情況調(diào)查

陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)可以持續(xù)的監(jiān)測平臺導(dǎo)管架陰極保護(hù)狀況，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［2］。在該導(dǎo)管架下水前，導(dǎo)管架上安裝有陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括16 對Ag/AgCl 與高純鋅復(fù)合參比電極和7 個電流探頭，用于實時檢測導(dǎo)管架的保護(hù)電位和犧牲陽極的發(fā)出電流。參比電極和電流探頭安裝于B1 樁腿的EL-14 m，EL-40 m，EL-70.5 m和EL-84.1 m 處。在平臺組塊完成前，在導(dǎo)管架的樁頂安裝了初期陰極保護(hù)監(jiān)控儀，用于采集和儲存導(dǎo)管架下水后的初始極化電位數(shù)據(jù)，采用電池供電。在平臺組塊完成后，將陰極保護(hù)監(jiān)控儀安裝至中控，改用電源供電。

該導(dǎo)管架于2012 年7 月2 日下水，初期陰極保護(hù)監(jiān)控儀記錄了下水后至第52 d 導(dǎo)管架電位數(shù)據(jù)(見圖1)，每小時采集一次數(shù)據(jù)。

圖1 導(dǎo)管架下水后的初始極化電位Fig.1 Initial polarization potential after jacket launching

由圖1 可以看出，導(dǎo)管架下水時的電位約為-510～-530 mV(相對于Ag/AgCl 參比電極，下同)。隨著時間的推移，EL-40 m 處導(dǎo)管架電位逐漸負(fù)移，在下水52 d 后，電位為-789 mV，即將達(dá)到抑制腐蝕所需要的保護(hù)電位。EL-14 m 處導(dǎo)管架在下水后的開始一段時間內(nèi)極化較慢，但是在下水后36 d 開始，導(dǎo)管架極化速度增大，在下水52 d 后，電位達(dá)到-736 mV，很快也能達(dá)到保護(hù)電位。而EL-70.5 m 和EL-84.1 m 在下水52 d后，導(dǎo)管架的電位分別為-637 mV 和-628 mV，極化較為緩慢，且沒有明顯使導(dǎo)管架快速極化至保護(hù)電位的趨勢。

圖2 和圖3 分別為導(dǎo)管架下水后第518 d 至644 d 導(dǎo)管架電位數(shù)據(jù)圖和犧牲陽極發(fā)出電流數(shù)據(jù)圖。

圖2 導(dǎo)管架電位(導(dǎo)管架下水后第518 d 至644 d)Fig.2 Potential of the jacket (from 518 days to 644 days after launching)

圖3 犧牲陽極的發(fā)出電流(第518 d 至644 d)Fig.3 Anode current output (from 518 days to 644 days after launching)

導(dǎo)管架下水518 d 后，EL-40 m 處導(dǎo)管架電位約為-950 mV，單支犧牲陽極發(fā)出電流由1.25 A降至約1 A，說明EL-40 m 處已經(jīng)形成致密的鈣質(zhì)沉積層。EL-14 m 處導(dǎo)管架電位約為-925 mV，犧牲陽極發(fā)出電流有一定波動，可能是由于表層海水的流速較大，對形成鈣質(zhì)沉積層有一定影響。EL-70.5 m 和EL-84.1 m 導(dǎo)管架的電位分別約為-700 mV 和-650 mV，依然未達(dá)到抑制腐蝕所需要的保護(hù)電位。由于EL-70.5 m 和EL-84.1 m 導(dǎo)管架與犧牲陽極之間的電位差較大，陽極的發(fā)出電流也較大。陽極的壽命與陽極的輸出電流成反比，因此最底層的陽極將最先消耗完畢。

3 難以達(dá)成保護(hù)狀態(tài)的原因分析

溫度較低時鈣質(zhì)沉積層的形成速度減慢，主要是由于氧氣的擴(kuò)散減慢及化學(xué)反應(yīng)的速率降低，低溫時形成的鈣質(zhì)沉積層量少并且保護(hù)性差。溫度較低時，為形成良好的鈣質(zhì)沉積層，需要采用較大的電流密度。DNV-RP-401 中，根據(jù)表層海水溫度將海域劃分為了熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶，隨著溫度的降低，推薦選取的電流密度增大。該平臺導(dǎo)管架的設(shè)計基本是參照南海的設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計的，保護(hù)電流密度選取了“熱帶”的電流密度值，然而東海屬于“亞熱帶”，“亞熱帶”電流密度推薦值見表3。因此，設(shè)計時所取的保護(hù)密度值偏低，造成設(shè)計的犧牲陽極量偏少，導(dǎo)致平臺導(dǎo)管架部分區(qū)域長期處于欠保護(hù)狀態(tài)。

表3 保護(hù)電流密度(亞熱帶)Table 3 Design Current Density (Sub-Tropical)

在淺水區(qū)時，碳酸鈣處于過飽和狀態(tài)，陰極極化過程中鈣質(zhì)沉積層可在導(dǎo)管架表面沉積，當(dāng)形成致密的鈣質(zhì)沉積層后，較小的保護(hù)電流就可使導(dǎo)管架處于良好的保護(hù)狀態(tài)。隨著水深的增加，海水的壓力增大，而碳酸鈣的溶解度隨著壓力的增加而增大，當(dāng)達(dá)到一定的水深后，海水中的碳酸鈣處于不飽和狀態(tài)，會限制鈣質(zhì)沉積層的沉積，以至于難以形成致密的鈣質(zhì)沉積層，造成較大的電流也無法使導(dǎo)管架極化至保護(hù)電位［3-4］。另外，打入海泥的鋼樁與導(dǎo)管架有電連接，會吸收導(dǎo)管架底部陽極發(fā)出的部分電流來使海泥里的鋼樁極化，然而從導(dǎo)管架的犧牲陽極布置來看，導(dǎo)管架底部并未加大犧牲陽極的安裝密度，總體來看，導(dǎo)管架底部的陽極量偏少。以上兩方面是該平臺導(dǎo)管架上層保護(hù)良好，而導(dǎo)管架底部欠保護(hù)的原因。

4 改造方案

由于導(dǎo)管架水下區(qū)區(qū)段為裸鋼，僅靠犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電位達(dá)不到保護(hù)電位時，導(dǎo)管架會遭受腐蝕，嚴(yán)重威脅平臺作業(yè)人員及財產(chǎn)安全。另外，導(dǎo)管架底部的單支陽極發(fā)出電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)管架上部的單支陽極發(fā)出電流，這樣底部陽極消耗速度遠(yuǎn)大于上部陽極的消耗速度。因此，需要在導(dǎo)管架底部增加陽極，以降低底部單支陽極的發(fā)出電流，并使導(dǎo)管架底部極化至保護(hù)電位。

陰極保護(hù)改造有犧牲陽極改造和外加電流陰極保護(hù)改造兩種。目前外加電流陰極保護(hù)由于其可靠性和耐久性都不及犧牲陽極，且外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)后期維護(hù)量大，因此外加電流在導(dǎo)管架的陰極保護(hù)方面還應(yīng)用較少，該平臺建議采用犧牲陽極陰極保護(hù)改造?？梢宰対撍畣T采用卡箍固定陽極［5］的方式在導(dǎo)管架上安裝新的犧牲陽極(見圖4)?？紤]到潛水效率，安全及費(fèi)用等因素，潛水員在EL-70.5 m 和EL-84.1 m 安裝新犧牲陽極，潛水方式推薦采用氦氧混合氣常規(guī)潛水。

圖4 卡箍固定安裝新陽極Fig.4 New anode installation by clamp

5 結(jié)語

陰極保護(hù)設(shè)計參數(shù)選取不合理，會造成導(dǎo)管架長期處于欠保護(hù)狀態(tài)。由于國內(nèi)沒有相應(yīng)的國家推薦標(biāo)準(zhǔn)，建議對各海域的陰極保護(hù)設(shè)計參數(shù)及導(dǎo)管架的保護(hù)情況建立數(shù)據(jù)庫，方便設(shè)計人員根據(jù)情況選取合理的設(shè)計參數(shù)。

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