海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與討論

張亮，宋積文，陳勝利，王秀通，王潤(rùn)，臧寅

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海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與討論

張亮1，宋積文1，陳勝利1，王秀通2，王潤(rùn)1，臧寅1

（1. 中海油信息科技有限公司 北京分公司，北京 100029；2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266100）

研究海洋石油平臺(tái)腐蝕現(xiàn)狀，確保導(dǎo)管架處于陰極保護(hù)狀態(tài)。對(duì)近3年導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論，根據(jù)不同位置的電位電流傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位的腐蝕狀態(tài)對(duì)比分析。通過對(duì)數(shù)據(jù)研究表明，該系統(tǒng)電位電流傳感器所采集的數(shù)據(jù)翔實(shí)可靠，所收集到的導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)電極電位均在保護(hù)范圍內(nèi)。就現(xiàn)階段而言，導(dǎo)管架犧牲陽(yáng)極輸出電流基本趨于穩(wěn)定。該平臺(tái)陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行良好，所測(cè)點(diǎn)位均處于陰極保護(hù)狀態(tài)，且基本達(dá)到完全極化，對(duì)該海域新建平臺(tái)防腐設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

海洋石油平臺(tái)；海洋腐蝕；陰極保護(hù)；腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，隨著海洋石油平臺(tái)的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，鑒于其所處自然環(huán)境條件的苛刻，人們對(duì)于平臺(tái)導(dǎo)管架鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題已經(jīng)越來越關(guān)注。陰極保護(hù)是對(duì)平臺(tái)導(dǎo)管架最常見的腐蝕保護(hù)方法，陰極保護(hù)可分為外加電流法和犧牲陽(yáng)極法兩種，考慮到外加電流法的施工與維護(hù)在海上平臺(tái)這一特殊環(huán)境下有一定的困難，所以犧牲陽(yáng)極法成為導(dǎo)管架防腐的最有效手段。傳統(tǒng)的陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)如潛水員檢測(cè)和ROV檢測(cè)等不僅成本高，而且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)克服了這些缺陷，目前已成功地應(yīng)用到多個(gè)海洋石油平臺(tái)，收到了良好的成效[1-8]。

陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)施加陰極保護(hù)的導(dǎo)管架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)犧牲陽(yáng)極的剩余壽命作出及時(shí)評(píng)估，是全壽命的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但目前對(duì)于該系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理還鮮有報(bào)道。相較于類似文獻(xiàn)材料[9-12]，文中對(duì)南海石油平臺(tái)陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，根據(jù)該系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行腐蝕狀態(tài)的分析討論。

1 陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

海上平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)分為水上部分和水下部分，水下部分主要包括犧牲陽(yáng)極、雙電極電位探頭和電流探頭，水上部分主要為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。兩部分由信號(hào)傳輸電纜連接。

1.1 犧牲陽(yáng)極

一般應(yīng)用于海洋構(gòu)筑物陰極保護(hù)的材料為鋅合金犧牲陽(yáng)極和鋁合金犧牲陽(yáng)極。鑒于對(duì)成本費(fèi)用和保護(hù)效果的綜合考慮，海洋石油平臺(tái)的犧牲陽(yáng)極多選為鋁合金犧牲陽(yáng)極[13]。

1.2 雙電極電位探頭

Ag/AgCl參比電極和純Zn參比電極組成雙電極電位的測(cè)量探頭，兩個(gè)參比電極相互校對(duì)。該探頭主要特點(diǎn)是參比電位穩(wěn)定，且重現(xiàn)性好，同時(shí)還具有溫度系數(shù)小，制備、使用和維護(hù)簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。其中，Ag/AgCl參比電極測(cè)量精度為±5 mV，純Zn參比電極電位測(cè)量精度為±15 mV，電位監(jiān)測(cè)范圍為-0.4～-1.4 V。電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置將通過電位分布薄弱點(diǎn)原則、監(jiān)測(cè)位置的代表性原則和監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的代表性原則等布置原則來確定?？紤]到水下鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)是陰極保護(hù)較為薄弱的部位，也是水下鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，因此，電位監(jiān)測(cè)將重點(diǎn)關(guān)注節(jié)點(diǎn)部位，以便準(zhǔn)確全面地反映導(dǎo)管架的保護(hù)情況。安裝位置的水平投影方向要考慮避讓水流的方向，應(yīng)優(yōu)先采用順流或頂流，避免側(cè)流[14-16]。

1.3 電流探頭

電流探頭用于測(cè)量導(dǎo)管架犧牲陽(yáng)極的輸出電流，其主要基于歐姆定律設(shè)計(jì)而成。通過該探頭里邊的額定電阻，以及電位探頭所測(cè)得的電位，可以計(jì)算出該點(diǎn)的電流輸出大小。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多通道數(shù)據(jù)采集器，獲取各個(gè)電位電流探頭的數(shù)據(jù)，通過信號(hào)調(diào)理器和A/D轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)在陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序中的記錄與顯示。

2 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)分析

該海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架于2014年年初下水，陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試完成開始運(yùn)行于2015年初。電位電流探頭安裝于導(dǎo)管架編號(hào)為A2，A3的兩平行樁腿上，以達(dá)到相互對(duì)比校準(zhǔn)效果。其中電位探頭記作VT，共16個(gè)，電流探頭記作AT，共8個(gè)，分別布放于不同水深環(huán)境下。相比于之前報(bào)道的平臺(tái)陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)多個(gè)電極探頭損壞問題，該系統(tǒng)所處平臺(tái)目前所有電流探頭全部正常，雙電極電位探頭中僅有一個(gè)Ag/AgCl參比電極出現(xiàn)電位不穩(wěn)定現(xiàn)象，其他一切正常。該研究以半年為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，選取2015年4月16日、2015年10月16日、2016年4月16日、2016年10月16日、2017年4月16日和2017年10月16日等6個(gè)具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析討論。

2.1 導(dǎo)管架極化電位

由于導(dǎo)管架的電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)眾多，該次僅選擇處于導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)位置的VT3，VT5，VT7，VT11，VT13和VT15等6個(gè)電位探頭數(shù)據(jù)。以上位置能有效反應(yīng)導(dǎo)管架整體的保護(hù)程度，腐蝕狀態(tài)最具代表性，故選取該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

該次電位探頭為雙參比電極，故每一個(gè)探頭均獲得兩組數(shù)據(jù)，將每個(gè)探頭的兩組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成甘汞參比電極數(shù)值后，取平均值得到該探頭所監(jiān)測(cè)位置的電極電位。選取的導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)電極電位數(shù)據(jù)見表1。

表1 導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)電位數(shù)據(jù)

其中VT3，VT5和VT7位于A2樁腿上，VT11，VT13和VT15位于A3樁腿上，VT3與VT11位于水下-11 m，VT5與VT13位于水下-50 m，VT7與VT15位于水下-92.6 m。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，以上所有節(jié)點(diǎn)位置均獲得良好的陰極保護(hù)效果。在不同水下深度，陰極保護(hù)數(shù)值有一定差異。A2樁腿上三個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的電位隨時(shí)間的連續(xù)變化曲線如圖1所示，由于該次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，因此對(duì)各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行擬合?？梢钥闯觯瑥?015年4月—2017年10月，所有的電位數(shù)據(jù)均達(dá)到陰極保護(hù)水平標(biāo)準(zhǔn)，隨著極化反應(yīng)的進(jìn)行，各點(diǎn)的保護(hù)電位也均有降低的趨勢(shì)。另外，在同一個(gè)樁腿上，三個(gè)點(diǎn)的電位隨深度的增加，數(shù)值也有所變化，由于所選取節(jié)點(diǎn)所處位置的犧牲陽(yáng)極距離和數(shù)量均相同，根據(jù)水下-50 m位置的電位相比于其他兩個(gè)點(diǎn)略高，可以推斷出在這個(gè)位置上的腐蝕相較于其他兩個(gè)點(diǎn)較為嚴(yán)重。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是多方面的：在水下-11 m左右的位置，由于海洋生物生長(zhǎng)比較活躍，對(duì)結(jié)構(gòu)有附著作用，在一定程度上減輕了腐蝕作用；在-92.6 m的水深處，由于含氧量較低，使得結(jié)構(gòu)的氧化反應(yīng)速度減?。欢挥谒?50 m左右的層面上，氧氣充足，加之水流沖刷作用，使得結(jié)構(gòu)的氧化反應(yīng)不斷進(jìn)行，造成該位置的腐蝕較為嚴(yán)重。隨著時(shí)間的推移，極化反應(yīng)趨于穩(wěn)定，這種差異將逐漸變小。同樣的情況在A3樁腿上得以驗(yàn)證，如圖2所示，在導(dǎo)管架中間位置，保護(hù)電位比其他點(diǎn)位要高，但仍保持在被保護(hù)狀態(tài)。

圖1 A2樁腿節(jié)點(diǎn)電位

圖2 A3樁腿節(jié)點(diǎn)電位

2.2 犧牲陽(yáng)極輸出電流

該平臺(tái)安裝了8個(gè)電流探頭，各個(gè)探頭所獲得的犧牲陽(yáng)極輸出電流數(shù)據(jù)見表2。

從表2中可以看出，在監(jiān)測(cè)初期，犧牲陽(yáng)極的輸出電流都明顯偏大，所測(cè)點(diǎn)位的電流密度相對(duì)較大。隨著時(shí)間的推移，每個(gè)點(diǎn)的電流密度都大幅下降，并在最后都基本達(dá)到平穩(wěn)。這一現(xiàn)象跟理論相符合：當(dāng)導(dǎo)管架下水后，立刻形成回路電流，導(dǎo)管架和犧牲陽(yáng)極發(fā)生極化反應(yīng)。這時(shí)兩個(gè)電極的電位差值最大，故反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力最大，輸出電流密度也達(dá)到最大值。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，兩個(gè)電極的電位差逐漸減小，極化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力也隨之減小，反應(yīng)基本趨于平穩(wěn)。相比較反應(yīng)初始，輸出電流密度明顯下降。當(dāng)反應(yīng)接近平衡時(shí)，基本趨于穩(wěn)定。其中AT1在同一時(shí)期的電流密度均高于其他點(diǎn)，犧牲陽(yáng)極消耗較大，可能由于平臺(tái)進(jìn)行鉆井等海上作業(yè)，影響了該位置的極化反應(yīng)。從表2中還可以看出，個(gè)別電流探頭所采集的數(shù)據(jù)發(fā)生了一定的偏移，其中有AT3于2017年10月16日監(jiān)測(cè)到的-0.841 A和AT7于2017年4月16日監(jiān)測(cè)到的0 A。相較于整體的數(shù)據(jù)而言，以上問題并不影響到數(shù)據(jù)的總趨勢(shì)。另外，從采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量上來看，電流探頭運(yùn)行相對(duì)正常。

表2 犧牲陽(yáng)極輸出電流數(shù)據(jù)

3 結(jié)論與建議

1）通過對(duì)南海平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)所采集到近3年的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)的陰極保護(hù)系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，陰極保護(hù)電位均達(dá)到保護(hù)狀態(tài)。

2）根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)可以看出，在這期間，導(dǎo)管架電流電位基本趨于穩(wěn)定，達(dá)到完全極化狀態(tài)。個(gè)別數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，但此后數(shù)據(jù)又恢復(fù)正常。從相同布局位置不同水深的點(diǎn)位研究發(fā)現(xiàn)，隨著水深的增加，腐蝕程度有先增大后減小的趨勢(shì)，但該現(xiàn)象還需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行支持。另外，由于海上石油平臺(tái)會(huì)經(jīng)常進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，會(huì)對(duì)離海面較近的觀測(cè)點(diǎn)有一定影響。

3）由于該監(jiān)測(cè)平臺(tái)下水時(shí)間較短，該次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量還是略顯單薄，建議以后收集長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。

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Analysis and Discussion on Cathodic Protection Monitoring Data of Offshore Oil Platform Jacket

ZHANG Liang, SONG Ji-wen, CHEN Sheng-li, WANG Xiu-tong, WANG Run, ZANG Yin

(1.China National Offshore Oil Informtion Technology Beijing Branch, Beijing 100029, China;2.Institutes of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266100, China)

To study corrosion state of offshore oil jacket platform and ensure that the jacket is in the cathodic protection state.The data in nearly three years obtained by the corrosion monitoring system were discussed. According to data obtained by the potential current sensor in the different places, corrosion state of each observation point was compared and analyzed.As the data research showed, the data collected by the potential current sensor this system was accurate and reliable. All electrode potential at node of jacket was in the range of protection. The output current of the sacrificial anode was stable in the current state.The cathodic protection and monitoring system of the platform runs well. All of the measured points are protected and almost completely polarized. This result has an important reference value on the design and construction of offshore oil jacket platform.

offshore oil jacket platform; marine corrosion; cathodic protection; corrosion monitoring system

TJ07；TG172.5

A

1672-9242(2018)03-0020-04

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.004

2017-11-14；

2017-12-04

張亮（1989—），男，山東青島人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榻饘俚母g與防護(hù)。