南海某導(dǎo)管架平臺(tái)的陰極保護(hù)延壽修復(fù)技術(shù)方案探討

尹鵬飛，劉福國(guó)，張國(guó)慶，韓 冰，張 偉，杜翠薇，李向陽(yáng)，李金梅，趙 剛

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；3.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，青島266071；4.中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，珠海519000；5.北京科技大學(xué) 腐蝕與防護(hù)中心教育部腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100831；6.大慶油田工程有限公司，大慶163712）

置身于海洋環(huán)境的各類石油鉆采平臺(tái)投資巨大，其苛刻的服役環(huán)境要求鉆采平臺(tái)必須承受颶風(fēng)、極地風(fēng)暴、潮流、地震以及浮冰的沖擊。隨著服役海域越來(lái)越深，海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越大，越來(lái)越復(fù)雜，投資也越來(lái)越高。為了避免因腐蝕引起的平臺(tái)坍塌損毀帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失和海洋環(huán)境污染災(zāi)難，海洋平臺(tái)的水下結(jié)構(gòu)均采取了腐蝕控制措施。

相較于外加電流陰極保護(hù)（ICCP）法，犧牲陽(yáng)極保護(hù)法具有犧牲陽(yáng)極在陸地一次性安裝，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)范完善等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿足結(jié)構(gòu)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的腐蝕防護(hù)需求。目前，全世界范圍內(nèi)有各類海洋石油平臺(tái)約6 000座，90%以上采取了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)［1-2］。

我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始自主設(shè)計(jì)并建造了各類海洋石油平臺(tái)，隨著平臺(tái)服役年限的增加，越來(lái)越多的海洋石油平臺(tái)已經(jīng)接近甚至超出了當(dāng)初陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的使用年限。由于已超出服役年限的石油平臺(tái)的服役區(qū)域油氣依然充足，而再造一座新的石油平臺(tái)投資巨大，因此，采取必要的措施對(duì)在役平臺(tái)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行延壽修復(fù)就變得尤為重要［3-6］。

某服役于南海150 m水深的導(dǎo)管架平臺(tái)，犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)壽命20 a，服役15 a后，水下檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，50 m以淺（水深小于50 m，下同）的犧牲陽(yáng)極消耗較少，而50 m以深（水深大于50 m，下同）的犧牲陽(yáng)極消耗嚴(yán)重，部分區(qū)域陽(yáng)極剩余質(zhì)量不足20%。該平臺(tái)作業(yè)區(qū)域油氣仍較充足，經(jīng)評(píng)估，導(dǎo)管架到達(dá)服役年限后，仍需繼續(xù)服役15 a。而檢測(cè)結(jié)果顯示該平臺(tái)剩余犧牲陽(yáng)極不能保護(hù)平臺(tái)導(dǎo)管架延壽服役15 a。因此，須采取陰極保護(hù)延壽修復(fù)措施以保證其安全服役。

本工作通過(guò)深入分析該在役導(dǎo)管架平臺(tái)的陰極保護(hù)現(xiàn)狀，結(jié)合平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征和國(guó)內(nèi)外陰極保護(hù)延壽修復(fù)技術(shù)，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面對(duì)比了犧牲陽(yáng)極和外加電流延壽修復(fù)的可行性，以期為在役海洋工程設(shè)施的陰極保護(hù)系統(tǒng)延壽設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 導(dǎo)管架平臺(tái)

1.1 平臺(tái)基本情況

南海某導(dǎo)管架為四樁腿結(jié)構(gòu)，服役水深150 m，共有12口油井，設(shè)計(jì)壽命20 a。導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)采用犧牲陽(yáng)極陰保系統(tǒng)，服役初期、平均和末期的設(shè)計(jì)保護(hù)電流密度分別是130，70，90 mA／m2。該平臺(tái)共設(shè)計(jì)犧牲陽(yáng)極390支，單支陽(yáng)極設(shè)計(jì)初期發(fā)生電流5.0 A，按照每個(gè)油井5 A保護(hù)電流計(jì)算，設(shè)計(jì)初期的保護(hù)電流為2 010 A。

1.2 平臺(tái)的陰極保護(hù)現(xiàn)狀

2 導(dǎo)管架平臺(tái)的延壽修復(fù)方案

2.1 犧牲陽(yáng)極延壽修復(fù)技術(shù)

按照陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)和安裝方式，犧牲陽(yáng)極延壽修復(fù)主要分為單體焊接式、卡箍式和支架式三種［7-10］。

2.1.1 單體焊接式犧牲陽(yáng)極

單支陽(yáng)極水下焊接可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)不同深度和位置陽(yáng)極的逐一更換或補(bǔ)裝和精確修復(fù)欠保護(hù)區(qū)域。此外，采用水下濕法焊接，若方法得當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)與水上干法焊接相近的效果，無(wú)需通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極與被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的電連接，無(wú)需后期維護(hù)，可靠性高。

該導(dǎo)管架原設(shè)計(jì)的犧牲陽(yáng)極總數(shù)基本滿足原設(shè)計(jì)壽命預(yù)期，據(jù)此估算延壽15 a需加裝犧牲陽(yáng)極293支，其中50 m以淺區(qū)域加裝105支，50 m以深區(qū)域加裝188支。導(dǎo)管架在役加裝犧牲陽(yáng)極需要潛水員進(jìn)行水下焊接，50 m以深區(qū)域必須要采取飽和潛水，或者借助工作級(jí)ROV才能完成，焊接設(shè)備復(fù)雜、昂貴，條件苛刻，施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，并且需要施工船舶進(jìn)行支持。初步測(cè)算，陽(yáng)極和焊接材料費(fèi)用約300萬(wàn)元，50 m以淺區(qū)域的陽(yáng)極安裝工期約為10 d，50 m以深區(qū)域的陽(yáng)極安裝工期約為40 d，動(dòng)復(fù)原10 d，飽和潛水支持船和ROV費(fèi)用約3 000萬(wàn)元，潛水施工費(fèi)用約2 000萬(wàn)元，工程總造價(jià)超過(guò)5 300萬(wàn)。

2.1.2 卡箍式犧牲陽(yáng)極

卡箍式犧牲陽(yáng)極是指單支或多支陽(yáng)極通過(guò)螺栓或澆鑄方法制作成半圓形卡箍，兩個(gè)卡箍組成一個(gè)手鐲式陽(yáng)極單元，將陽(yáng)極單元卡到需保護(hù)的鋼管上，通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)卡箍與被保護(hù)結(jié)構(gòu)的電連接。

卡箍式結(jié)構(gòu)是將犧牲陽(yáng)極澆鑄于半圓形的卡箍上，兩個(gè)半圓形卡一組，構(gòu)成一個(gè)卡箍式犧牲陽(yáng)。借助吊環(huán)將兩個(gè)半圓形卡箍吊放到安裝位置，通過(guò)卡箍上預(yù)先安裝的折頁(yè)和（或）螺栓固定卡緊到鋼管樁上［9］。在卡箍上預(yù)先安裝導(dǎo)電電纜，將電纜沿樁腿固定并牽引到水面上，在上部實(shí)現(xiàn)電纜與鋼管樁的電連接。

人還應(yīng)該懂得自我開(kāi)發(fā)、自我造就。往往自己內(nèi)在的潛能自己不一定清楚，要靠自己勤奮地學(xué)習(xí)，擴(kuò)展自己的知識(shí)和興趣來(lái)開(kāi)發(fā)。興趣是很重要的，同時(shí)也是靠學(xué)習(xí)來(lái)加深和擴(kuò)展的，只要你有興趣，你就能鉆進(jìn)去，鍥而不舍，以至于成功。

可以看出，盡管卡箍陽(yáng)極無(wú)需水下焊接陽(yáng)極支架，但是依然需要采取飽和潛水或者借助工作級(jí)ROV才能完成安裝。同時(shí)，陽(yáng)極電纜需要沿導(dǎo)管架樁腿鋪設(shè)并牽引到水面上，施工費(fèi)用較單體焊接式犧牲陽(yáng)極的更高。

2.2 外加電流延壽修復(fù)技術(shù)

對(duì)于大型深水在役平臺(tái)的延壽修復(fù)，國(guó)內(nèi)外普遍采用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)［6，11］。外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)主要包括輔助陽(yáng)極和電源，電源置于平臺(tái)上部模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助陽(yáng)極的電源供給。根據(jù)外加電流輔助陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)和安裝方式的不同，可將外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)分為拉伸式和遠(yuǎn)地式兩種［12-17］。

2.2.1 拉伸式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)

拉伸式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的拉伸輔助陽(yáng)極由發(fā)生電流單元、電纜和承重鋼纜組成。用電纜將多個(gè)輔助陽(yáng)極發(fā)生電流單元串聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)電連接，隨后將串聯(lián)有陽(yáng)極單元的電纜固定到一根主要起機(jī)械支撐作用的承重鋼纜上，將鋼纜的下端懸掛重載固定在導(dǎo)管架平臺(tái)底部的海床上，上端固定到導(dǎo)管架水上支撐結(jié)構(gòu)上，見(jiàn)圖1。陽(yáng)極電纜由水上引出，電連接到供電單元上，通過(guò)輔助陽(yáng)極將保護(hù)電流施加到導(dǎo)管架平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下結(jié)構(gòu)的腐蝕控制［7-8，17］，見(jiàn)圖1。

圖1 拉伸式外加地電流延壽修復(fù)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile external current extension life repair system

拉伸式延壽修復(fù)方式的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）水上可實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的安裝。（2）從上到下，電流分布均勻。（3）可在導(dǎo)管架平臺(tái)的內(nèi)部、外側(cè)等多個(gè)區(qū)域安裝拉伸陽(yáng)極。其缺點(diǎn)是：（1）安裝在平臺(tái)外側(cè)的拉伸陽(yáng)極，給其他輔助工程船舶的停靠與拋錨工作帶來(lái)困難，易發(fā)生碰撞損壞。（2）拉伸式輔助陽(yáng)極電纜從上到下穿于飛濺、潮差、全浸等多個(gè)區(qū)帶，時(shí)刻受到紫外光照、海流沖擊、浮冰甚至海水暴風(fēng)等極端惡劣天氣的影響，因此電纜易因老化、斷裂而失效，電纜破斷后可能會(huì)對(duì)導(dǎo)管架構(gòu)成安全威脅。（3）安裝時(shí)仍需要ROV輔助。

表1為導(dǎo)管架陰極保護(hù)電流密度設(shè)計(jì)值，表2為導(dǎo)管架的陰極保護(hù)面積設(shè)計(jì)值，根據(jù)保護(hù)面積和保護(hù)電流計(jì)算，導(dǎo)管架需要的保護(hù)電流如表3所示。

由表3可見(jiàn)：要維持導(dǎo)管架的陰極保護(hù)，至少需要1 090.3 A電流。取20%的設(shè)計(jì)裕量則保護(hù)電流需求約為1 363 A。單套拉伸陽(yáng)極可以提供保護(hù)電流500 A，需要安裝3套該系統(tǒng)，設(shè)備費(fèi)約1 200萬(wàn)元。由于該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)從上到下一共有6層水平結(jié)構(gòu)，底部配重有混凝土重坨的拉伸陽(yáng)極需要穿越6個(gè)水平層。由于倒掛架較高，內(nèi)部空間狹小，因此，對(duì)重坨和拉伸陽(yáng)極的安裝精度要求非常高。受水流作用，重坨和電纜易因碰撞導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)而損壞，因此，需要工作級(jí)ROV輔助安裝才能完成，安裝周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，預(yù)計(jì)安裝費(fèi)約為500萬(wàn)元。因此，采用拉伸式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的工程總造價(jià)約為1 700萬(wàn)元。

表1 導(dǎo)管架的陰極保護(hù)電流密度Tab.1 Current density of jacket protection

表2 導(dǎo)管架保護(hù)面積Tab.2 Jacket protection area

表3 導(dǎo)管架的保護(hù)電流Tab.3 Jacket protection current

2.2.2 遠(yuǎn)地式外加電流延壽修復(fù)技術(shù)

遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極系統(tǒng)是將輔助陽(yáng)極放置在導(dǎo)管架外側(cè)一定距離的海床上，通過(guò)電纜電連接到平臺(tái)上部的電源模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)的腐蝕控制［6，8，15-16，18-19］，見(jiàn)圖2。由于輔助陽(yáng)極遠(yuǎn)離導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，因此，單座輔助陽(yáng)極可以設(shè)計(jì)較大的電流輸出，前文所述導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)保護(hù)電流為1 363 A，安裝兩座單座發(fā)生電流700 A的輔助陽(yáng)極單元即可滿足要求。

圖2 遠(yuǎn)地式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的示意圖Fig.2 Schematic diagram of remote installation ICCP system

遠(yuǎn)地式外加電流延壽修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）單套輔助陽(yáng)極發(fā)生電流大，可達(dá)700 A。（2）輔助陽(yáng)極固定于海底，最大程度規(guī)避了海流、浮冰、海上風(fēng)暴等環(huán)境因素的破壞作用。（3）由于輔助陽(yáng)極遠(yuǎn)離導(dǎo)管架和其他海底結(jié)構(gòu)物，因此，輔助陽(yáng)極的損壞不會(huì)對(duì)平臺(tái)構(gòu)成安全威脅。（4）輔助陽(yáng)極電纜從上到下由護(hù)管防護(hù)，避免了光照、波浪、海流、廢棄漁網(wǎng)等對(duì)電纜的破壞。其缺點(diǎn)是：（1）單座輔助陽(yáng)極的發(fā)生電流大，且位置集中，對(duì)大型復(fù)雜導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致保護(hù)程度不均勻。（2）電纜沿護(hù)管安裝，需借助工作級(jí)ROV完成操作，安裝費(fèi)用高。

對(duì)于本文中需要延壽的導(dǎo)管架平臺(tái)，安裝2套700 A／套遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)即可滿足保護(hù)電流需求，設(shè)備費(fèi)約800萬(wàn)元。遠(yuǎn)地式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的陽(yáng)極電纜在導(dǎo)管架上的固定安裝受海況條件影響較大，安裝周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，預(yù)測(cè)安裝費(fèi)用約為700萬(wàn)元，因此，遠(yuǎn)地式式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的工程總造價(jià)約為1 500萬(wàn)元。

2.3 幾種陰極保護(hù)延壽修復(fù)方案的對(duì)比

綜上所述，幾種陰極保護(hù)延壽修復(fù)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了對(duì)比幾種方法的優(yōu)劣，以上文南海某平臺(tái)為例，從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上、施工可行性、預(yù)期效果以及環(huán)境影響等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)：平臺(tái)50 m以深區(qū)域采用犧牲陽(yáng)極進(jìn)行陰極保護(hù)延壽修復(fù)的工程造價(jià)極高，施工十分困難，可行性較差。拉伸式和遠(yuǎn)地式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，是目前國(guó)際主流的兩種延壽修復(fù)技術(shù)。遠(yuǎn)地式延壽修復(fù)系統(tǒng)電纜和輔助陽(yáng)極的布置方式相對(duì)安全，工程造價(jià)最低，但其安裝費(fèi)用所占比例仍相對(duì)較高。為此，通過(guò)借鑒拉伸式延壽修復(fù)系統(tǒng)的安裝優(yōu)點(diǎn)，對(duì)遠(yuǎn)地式延壽修復(fù)系統(tǒng)的電纜安裝方式進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種拉伸式電纜結(jié)構(gòu)，將遠(yuǎn)地式陽(yáng)極電纜采用拉伸的方式進(jìn)行安裝固定：即將懸掛有陽(yáng)極電纜的承重鋼纜上端固定在最低潮位線以下的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，下端用混凝土配重砣將其牽引固定到海床上，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極的電力供給。

表4 幾種陰極保護(hù)延壽修復(fù)方案的對(duì)比Tab.4 Comparison of cathodic protection retrofit schemes

這種拉伸式陽(yáng)極電纜的安裝方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）陽(yáng)極電纜在穿越潮差區(qū)時(shí)，采用護(hù)管保護(hù)，避免了紫外老化、漂浮物、海流沖擊、風(fēng)暴潮等惡劣天氣對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。（2）電纜上部懸掛點(diǎn)選擇在最低潮位線以下，不影響其他輔助工程船舶的?？俊＃?）相較于將陽(yáng)極電纜固定到導(dǎo)管架樁腿上的安裝方式，安裝費(fèi)用可大幅度降低，約為原來(lái)的1／2。

3 結(jié)論

（1）相較于采用犧牲陽(yáng)極法延壽修復(fù)，對(duì)于服役水深超出50 m的導(dǎo)管架平臺(tái)，外加電流延壽修復(fù)方式更加經(jīng)濟(jì)便捷，且導(dǎo)管架所處海域水越深，延壽修復(fù)面積越大，外加電流延壽修復(fù)越經(jīng)濟(jì)。

（2）拉伸式和遠(yuǎn)地式外加電流延壽修復(fù)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，與拉伸式延壽修復(fù)系統(tǒng)相比，遠(yuǎn)地式延壽修復(fù)系統(tǒng)的電纜和輔助陽(yáng)極布置方式更安全，但安裝費(fèi)用高。

（3）通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)地式系統(tǒng)的電纜安裝方式進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)了一種拉伸式電纜結(jié)構(gòu)，相較于遠(yuǎn)地式電纜的固定方式，可有效降低安裝費(fèi)用；電纜穿越潮差和飛濺區(qū)時(shí)，電纜采用護(hù)管防護(hù)，相較于拉伸式結(jié)構(gòu)更加安全。