拉伸式外加電流陰極保護技術在自升式平臺的應用

尹鵬飛，張偉，韓冰，馬長江，陳亞林，鄭志建

（1.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266101）

拉伸式外加電流陰極保護技術在自升式平臺的應用

尹鵬飛1,2，張偉1,2，韓冰1,2，馬長江1,2，陳亞林1,2，鄭志建1,2

（1.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266101）

目的為自升式平臺的腐蝕控制提供了一個良好的解決方案。方法根據(jù)自升式平臺樁腿結構特點和使用維護要求，設計一種豎直拉伸式的輔助陽極。該陽極系統(tǒng)集成了特種抗拉伸電纜，依靠平臺上部的固定點和置于海床上的配重進行拉伸固定。根據(jù)平臺需要經(jīng)常移動的特點設計一鍵自動提升裝置。采用計算機數(shù)值模擬對系統(tǒng)的安裝位置進行優(yōu)化設計，使該系統(tǒng)達到最佳的保護效果。結果系統(tǒng)運行1年后，測得樁腿電位范圍為-860～-950 mV，水下檢測樁腿無明顯腐蝕現(xiàn)象。結論該技術可有效地對自升式平臺樁腿進行保護，確保了自升式平臺樁腿在設計使用年限中的正常使用。

自升式平臺；拉伸式輔助陽極；外加電流；陰極保護；腐蝕

自升式平臺屬于移動式海洋平臺，這種石油平臺裝載鉆井機械、動力、器材、居住設備以及若干可升降的樁腿。鉆井時樁腿著底，平臺則沿樁腿升離海面一定高度；移位時平臺降至水面，樁腿升起，平臺就像駁船，可由拖輪把它拖移到新的井位[1]。由于平臺工作所處海水及海洋大氣是強腐蝕介質，如果不采取有效的防腐蝕措施，自升式平臺在苛刻的海洋環(huán)境中必將遭受腐蝕破壞，會縮短平臺的服役壽命。盡管平臺已進行整體涂裝防腐，但考慮到水下防腐層的耐久性和維修涂層的難度，還須對平臺樁腿水下部分進行陰極保護。由于自升式平臺的升降系統(tǒng)采用齒輪齒條式和液壓頂升式，這種升降結構設計的平臺與樁腿結合嚴密、空間緊湊、空隙狹小，不適宜對樁腿采用犧牲陽極陰極保護法。

文中介紹了一種適用于自升式平臺樁腿防腐的拉伸式外加電流陰極保護技術。該技術可有效地對自升式平臺樁腿進行保護，確保了自升式平臺樁腿在設計使用年限中的正常使用，為自升式平臺的腐蝕控制提供了一個良好的解決方案。

1 拉伸式外加電流陰極保護技術

目前國內外常用的海洋平臺外加電流陰極保護技術主要包括以下幾種[2]：拉伸式外電流陰極保護技術﹑遠地式外加電流陰極保護技術和固定式外加電流陰極保護技術。其中拉伸式外加電流陰極保護技術以其安裝方便﹑維護便捷﹑可回收的特點尤其適用于移動式海洋平臺的陰極保護。

拉伸式外加電流陰極保護系統(tǒng)包括恒電位儀﹑拉伸式輔助陽極﹑參比電極﹑電纜﹑混凝土配重和安裝附件。其中拉伸式輔助陽極集成了特種抗拉伸電纜和輔助陽極，特種抗拉伸電纜采用抗拉伸設計，其內部集成了一根承重鋼纜，可支撐整個陽極系統(tǒng)的拉伸載荷。電纜采用鎧裝設計，可承受安裝過程中的機械沖擊和使用過程中的水流沖擊。根據(jù)連接陽極數(shù)量的不同，電纜分為單芯和多芯設計。輔助陽極可以采用海洋環(huán)境中常用的MMO輔助陽極和鉑鈮輔助陽極，根據(jù)使用環(huán)境的不同和發(fā)生電流的大小進行選擇[3]?；炷僚渲刂糜诤５缀４采希麄€拉伸式輔助陽極系統(tǒng)依靠平臺上部的安裝固定點和混凝土配重進行拉伸固定。拉伸式外加電流陰極保護系統(tǒng)安裝方便，依靠水上吊裝工具即可安裝，不需要潛水員水下作業(yè)，而且使用維護方便，對于淺水平臺使用的小型拉伸式輔助陽極可隨時利用抗拉伸電纜將陽極系統(tǒng)提出水面進行維護。在自升式平臺上使用時，平臺拖航時可將陽極系統(tǒng)提出水面，到達拖航目的地時再將陽極和配重放入水中，不影響平臺拖航和生產(chǎn)。

2 自升式平臺外加電流陰極保護設計

2.1 系統(tǒng)簡介

采用拉伸式外加電流陰極保護技術對渤海某自升式平臺進行了陰極保護設計。采用了一套拉伸式輔助陽極進行保護，并根據(jù)平臺需要經(jīng)常移動的特點設計了一鍵自動提升裝置。采用計算機數(shù)值模擬技術對系統(tǒng)的安裝位置進行了優(yōu)化設計，使該系統(tǒng)達到最佳的保護效果。對系統(tǒng)運行的初始保護電位數(shù)據(jù)和1年后的電位數(shù)據(jù)進行了對比，驗證外加電流陰極保護系統(tǒng)的保護效果。

2.2 外加電流陰極保護設計

2.2.1 概述

平臺為自升式作業(yè)支持平臺，目前位于天津渤海海域工作。平臺水下部位主要包括樁腿和樁靴，樁腿為圓柱形結構，尺寸為φ3 200 mm×75 000 mm，共3根。樁靴為正八邊形椎臺結構，單邊長度為3 810 mm，樁靴最大高度為1 650 mm，最小高度為650 mm。整個樁腿吃水深度為40 m，入泥10 m。保護方式為ICCP系統(tǒng)與涂層聯(lián)合保護。

2.2.2 設計計算

1）設計參數(shù)。保護壽命：≥10年。最小保護電流密度[4]：平臺水下部位鋼結構保護電流密度取35 mA/m2。平臺海泥中部位鋼結構保護電流密度取10 mA/m2。技術指標[5]：最小保護電位E保,min(vs Ag/AgCl參比電極)=-0.8 V，最大保護電位E保,max(vs Ag/AgCl參比電極)=-1.0 V。在有效保護期內，平臺水下及泥中部位鋼結構得到有效保護，腐蝕得到減緩或抑制，平臺水下及泥中部位鋼結構外壁沒有明顯減薄。

2）陰極保護設計計算。樁腿和樁靴保護面積計算，計算單只樁腿最大入水保護面積（樁體最大入水40 m）：S樁腿=282.6 m2。計算單只樁靴及樁腿入泥的保護面積（樁體最大入泥10 m）：S樁靴=199.53 m2。

保護電流計算。根據(jù)設計規(guī)范[6]，陰極保護總電流應不小于式（1）計算所得值。

式中：Sz為陰極保護區(qū)結構的面積；jz為陰極保護區(qū)結構的保護電流密度，A/m2；η為電流分配效率，取0.7～0.8；n為油井口數(shù)；C為每口油井需要保護電流[7]，取5A；K為裕量系數(shù)，取1.2。

考慮到投入運行后對涂層的破壞，結合平臺工作海域的環(huán)境條件和同類平臺的保護經(jīng)驗，平臺水下部位鋼結構保護電流密度取[7]35 mA/m2，平臺海泥中部位鋼結構保護電流密度取10 mA/m2。則需要的總保護電流為：I = 17.8 A。

2.2.3 設計結果

設計壽命≥10年，根據(jù)設計計算和平臺的結構特點，陰極保護系統(tǒng)選用1臺24 V/30 A的恒電位儀，1套拉伸式輔助陽極和1支便攜式Ag/AgCl參比電極進行控制。輔助陽極電極材料為MMO，采用單支陽極設計，額定發(fā)生電流為30 A，電纜承重載荷為8 kN，混凝土配重質量為100 kg。

3 外加電流陰極保護系統(tǒng)的安裝

3.1 恒電位儀的安裝

恒電位儀安裝在平臺樁腿附近的艙壁上，如圖1所示，采用壁掛式安裝。首先將支撐架焊接在艙壁上，然后將恒電位儀用螺栓固定在支撐架上。恒電位儀的發(fā)熱不大，箱體溫度為常溫，變壓器溫度約50℃，其噪音低于42 dB。其陰極接線點通過電纜接到樁體上，其陽極接線點通過電纜接到輔助陽極上，兩者絕對不能接反。

圖1 恒電位儀

3.2 輔助陽極的安裝

3.2.1 輔助陽極的安裝位置研究

由于平臺結構的限制，拉伸式輔助陽極只能安裝在平臺外側。為了達到最佳的保護效果，采用計算機數(shù)值模擬法[8—11]對輔助陽極的安裝位置進行了優(yōu)化設計。選取了靠近平臺樁腿安裝（方案1）和在兩個樁腿中間安裝（方案2）兩個方案，利用大型防腐蝕數(shù)值模擬分析軟件Beasy進行數(shù)值模擬分析。首先分別對兩個方案進行了數(shù)值建模，然后按照設計參數(shù)對樁腿施加保護電流，采用計算機模擬計算保護電位的分布情況[12]。圖2為保護電位的數(shù)值模擬結果，可以看出，采用方案1，即當輔助陽極置于A樁腿附近時，B樁腿和C樁腿剛達到最小保護電位－750 mV (相對于 Ag/AgCl參比電極，下同)，而A樁腿靠近陽極的位置卻達到了－1500 mV，遠遠的超出了最大保護電位（－1050 mV）。采用方案2，即當輔助陽極置于A樁腿和B樁腿中間位置時，距離輔助陽極最遠的C樁腿的最大電位為－857 mV，而距離輔助陽極較近的A樁腿和B樁腿的最小電位為－973 mV，三個樁腿的電位都在保護范圍內，而且三個樁腿電位最低點和電位最高點的電位相差約116 mV，電位分布比較均勻，沒有過保護和欠保護的現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬計算說明采用方案2可以對3個樁腿實現(xiàn)良好的腐蝕控制。

圖2 自升式平臺樁腿保護電位數(shù)值模擬

3.2.2 輔助陽極提升設計

拉伸式輔助陽極集成了電纜和MMO輔助陽極。輔助陽極電纜采用特種抗拉伸鎧裝電纜，電纜外護套為PE材料，內部采用鍍鋅鋼絲鎧裝，電纜芯為（1×6）mm2銅導體。此電纜耐腐蝕，抗沖擊，可承載8 kN的拉力載荷。輔助陽極采用耐沖刷的MMO管狀陽極[13]，陽極尺寸為φ25 mm×800 mm，額定輸出電流[14]37 A，安裝完成后最大輸出電流為32 A，設計壽命為15年。輔助陽極采用鈦合金卡具固定到抗拉伸電纜上，如圖3所示?？估祀娎|通過不銹鋼電纜套環(huán)固定到預制在混凝土配重中的吊環(huán)上。

圖3 拉伸式輔助陽極

為了方便拉伸式輔助陽極進行快速收放，設計了一鍵提升裝置對拉伸式輔助陽極進行提升控制。在平臺上部船舷處安裝了一套電動卷揚機，如圖4所示，并在卷揚機上集成了自動布纜裝置。需要對輔助陽極進行提升時打開電動卷揚機正向電源，即可完成陽極的提升，提升時間僅需2～3 min；需要將輔助陽極放回海中時打開電動卷揚機反向電源即可。

圖4 一鍵提升裝置

3.3 設備運行效果

安裝完成后對設備進行了調試，在平臺樁腿旁的甲板上采用便攜式Ag/AgCl 參比電極分別測量了3個樁腿的電位，測量位置為水面下2 m左右，參比電極距樁腿約2 m。圖5為設備運行48 h的樁腿電位曲線。從圖5可以看出，樁腿陰極極化穩(wěn)定后，離輔助陽極較近的A樁腿和B樁腿保護電位較負，達到了-960 mV左右，而離輔助陽極較遠的C樁腿電位約為-880 mV，3個樁腿測得的電位值和數(shù)值模擬計算的結果也比較一致。根據(jù)NACE RP0176規(guī)定[4]，三個樁腿的都達到了較好的保護。系統(tǒng)運行1年后測得樁腿電位范圍為-860 ～-950 mV，水下檢測樁腿無明顯腐蝕現(xiàn)象，說明陰極保護系統(tǒng)運行良好，有效地保護了平臺樁腿。

圖5 樁腿保護電位(vs Ag/AgCl參比電極)

4 應用前景

目前，導管架平臺、半潛式平臺等海洋平臺普遍采用犧牲陽極陰極保護技術[15]。隨著海洋開發(fā)的進一步加快，這些海洋平臺也迫切需要一種資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的腐蝕控制技術。自升式平臺外加電流陰極保護技術經(jīng)進一步優(yōu)化設計后可用于導管架平臺、半潛式平臺等其他海洋平臺的陰極保護，且該技術不僅可用于新建平臺的陰極保護，還可用于老舊平臺的延壽修復[2]，具有廣闊的市場前景。

由于我國缺乏深水平臺外加電流陰極保護設備主要部件設計和制造經(jīng)驗，相關組件的可靠性還有待使用驗證，尤其是對于水深超過200 m的大平臺，對設備的安全性和可靠性要求更加嚴格。對此，一方面需要借鑒國外成熟技術和相關學科研究成果；另一方面，在設計和生產(chǎn)上嚴格要求，提高設備安全性和可靠性，結合實際工程，不斷創(chuàng)新，提高整體設計和制造水平。

5 結論

1）拉伸式外加電流陰極保護系統(tǒng)設計簡潔、安裝維護方便。應用于自升式平臺時采用一套拉伸式輔助陽極即可有效地對平臺樁腿進行腐蝕控制，陰極保護效果好，為自升式平臺的腐蝕控制提供了一個良好的解決方案。

2）外加電流系統(tǒng)運行后，自升式平臺樁腿的實際保護電位和計算機數(shù)值模擬得到的保護電位結果較一致，說明計算機數(shù)值模擬計算可以用于自升式平臺外加電流陰極保護的輔助優(yōu)化設計。

[1] 張鵬飛, 于興軍, 欒蘇, 等. 自升式鉆井平臺的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 石油機械, 2015,43(3):55—60.

[2] 尹鵬飛, 張偉, 許征凱, 等. 導管架平臺外加電流陰極保護技術[J]. 腐蝕與防護, 2012, 33(S2): 18—21.

[3] 許立坤, 王廷勇, 高玉柱, 等. 船舶外加電流用輔助陽極組件[J]. 材料開發(fā)與應用, 2001, 16(2): 35—38.

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

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

[6] 中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S].

[7] DNV-RP-B401-2011, Cathodic Protection Design[S].

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

[9] 劉福國, 武素茹. 導管架平臺外加電流陰極保護數(shù)值模擬計算研究[J]. 石油化工腐蝕與防護, 2011, 28(6): 9—11.

[10] 杜艷霞, 張國忠, 李健. 陰極保護電位分布的數(shù)值計算[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2008 , 28(1): 53—58.

[11] DEGIORGI V G, WIMMER S A. Geometric Details and Modeling Accuracy Requirements for Shipboard Impressed Current Cathodic Protection System Modeling[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2005, 29(1): 15—28.

[12] 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系統(tǒng)[J]. 大連海事大學學報, 2010, 36(1): 35—38.

[13] 劉福國, 尹鵬飛, 張國慶, 等.海洋石油平臺外加電流陰極保護延壽修復技術研究[J]. 腐蝕與防護, 2015, 36(3): 276—280.

[14] GB/T 7388—1999, 船用輔助陽極技術條件[S].

[15] 李妍, 劉忠斌. 海洋平臺的陰極保護[J]. 中國造船, 2002, 43(s1): 162—164.

Application of Tension Type ICCP Technology on Jack-up Platforms

YIN Peng-fei1,2, ZHANG Wei1,2, HAN Bing1,2, MA Chang-jiang1,2, CHEN Ya-lin1,2, ZHENG Zhi-jian1,2
(1.Qingdao NCS Testing and Protection Technology Co., Ltd, Qingdao 266071, China;2.Qingdao Research Institute for Marine Corrosion, Qingdao 266071, China)

ObjectiveTo provide a good solution for corrosion control of jack-up platforms.MethodsA vertical tension type auxiliary anode was designed according to structural characteristics of pile leg and its requirements on use and maintenance. The anode system integrated special anti-stretching cables and was fixed with fixation points on the upper platform and the counter weight on the seabed. And an automatic lifting device was designed to adapt to frequently movement of the platform. The installation site was optimized through computer numerical simulation to achieve the best protective effect.ResultsAfter the system was operated for one year, the potential range measured on the pile leg was -860～-950 mV. No apparent corrosion was found in underwater detection of the pile leg.ConclusionThis technology provides a good solution for corrosion control of jack-up platform and guarantees normal using of the jack-up platform’s pile leg in design service life.

jack-up platform; tension type auxiliary anode; impressed current; catholic protection; corrosion;

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.017

TJ07；TG174.41

A

1672-9242(2017)02-0085-05

2016-09-23；

2016-10-27

尹鵬飛（1983—），男，河北邢臺人，碩士，工程師，主要研究方向為金屬的腐蝕與防護。