FPSO改裝工程犧牲陽(yáng)極的計(jì)算及布置

周偉

(大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧 大連 116113)

DNV-GL船級(jí)社出版的推薦規(guī)程RP-B101和PR-B401現(xiàn)已成為FPSO新造和改裝工程犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)和布置的準(zhǔn)則之一，絕大多數(shù)油公司、運(yùn)營(yíng)商、承包商和設(shè)計(jì)公司都只認(rèn)可并推薦按照RP-B101和RP-B401進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和布置。通過(guò)理論計(jì)算得出的FPSO改裝工程的犧牲陽(yáng)極，不僅數(shù)量龐大，而且規(guī)格形狀呈現(xiàn)出特異性；又由于FPSO改裝工程艙內(nèi)結(jié)構(gòu)、管系、舾裝難以在工程初期就完成設(shè)計(jì)建模，于是，部分犧牲陽(yáng)極安裝困難，現(xiàn)場(chǎng)修改量大。

FPSO經(jīng)歷數(shù)十年的運(yùn)營(yíng)，也逐漸暴露出了長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)塢維修保養(yǎng)的弊端。其中，艙內(nèi)的重要問(wèn)題就是犧牲陽(yáng)極在長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)水、海水,以及地層水反復(fù)作為介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，消耗量超過(guò)計(jì)算值；且隨著長(zhǎng)時(shí)間的陽(yáng)極溶解以及長(zhǎng)周期的端面腐蝕，陽(yáng)極已經(jīng)很難保持最初的理論電容量，這種情況更加劇了局部的陽(yáng)極消耗量；加之沖蝕溶解，部分陽(yáng)極在FPSO運(yùn)營(yíng)5～10年之間就消耗殆盡，需要及時(shí)更換，否則整艙陽(yáng)極都會(huì)面臨極速消耗的情況[1-2]。而海上更換犧牲陽(yáng)極相對(duì)于碼頭塢內(nèi)，環(huán)境更惡劣，操作更費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工成本巨大。

目前還沒(méi)有針對(duì)這種狀況的具體操作規(guī)范或指南，國(guó)內(nèi)研究人員已經(jīng)意識(shí)到犧牲陽(yáng)極在不同介質(zhì)、不同溫度等因素下，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量消耗問(wèn)題，并且給出了特定溶液介質(zhì)和特定陽(yáng)極材質(zhì)下的陽(yáng)極可能的消耗情況，并認(rèn)為控制腐蝕消耗速度是可靠的解決方案[3-4]，但這些結(jié)論的工程意義有限。因此考慮采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)試算的方法，優(yōu)化FPSO改裝項(xiàng)目的犧牲陽(yáng)極計(jì)算方案；同時(shí)，優(yōu)化犧牲陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)型式，給出建議布置安裝方案，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝，降低施工難度。

1 計(jì)算取值

RP-B101中所給出的計(jì)算方法是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選定凈重量、總重量、陽(yáng)極長(zhǎng)度和截面尺寸的犧牲陽(yáng)極，之后采用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出所需犧牲陽(yáng)極的數(shù)量，并使用這些參數(shù)核算是否總重量和總輸出電流的要求，如果滿足要求，則認(rèn)為選定的犧牲陽(yáng)極符合條件；如果不滿足要求，則調(diào)整數(shù)量或者凈重量或者陽(yáng)極長(zhǎng)度或者截面尺寸；如果仍舊不滿足，則需要更換整體陽(yáng)極進(jìn)行重新計(jì)算，直到滿足要求為止。通常壓載艙、污油水艙等選擇國(guó)標(biāo)GB/T4950—2002《鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極》，油艙、海底閥箱和外板等選擇國(guó)標(biāo)GB/T4948—2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極》，通過(guò)計(jì)算后，幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)陽(yáng)極均滿足要求，區(qū)別在于選擇不同規(guī)格的陽(yáng)極最終數(shù)量會(huì)隨之增加或減少。

對(duì)于犧牲陽(yáng)極的數(shù)量，其計(jì)算依據(jù)來(lái)源于RP-B101 中第3.9節(jié)中給出的犧牲陽(yáng)極總重量的計(jì)算公式。

(1)

式中:μ為陽(yáng)極利用率；ε為陽(yáng)極電容量，Ah/kg。

FPSO常年錨泊于海上固定地點(diǎn)，并不需要長(zhǎng)時(shí)間的壓載，因此其部分艙室，尤其是壓載水艙，利用率并不高；而對(duì)于犧牲陽(yáng)極，必須要有溶液介質(zhì)，才能夠起到電化學(xué)保護(hù)作用；因此在沒(méi)有壓載水或是介質(zhì)溶液的時(shí)間周期內(nèi)，不需要考慮設(shè)置犧牲陽(yáng)極；因此，引入艙室使用率β對(duì)式(1)加以修正。

(2)

對(duì)于β的取值，壓載艙即為壓載率；油艙則為使用率，一般選擇1；污油水艙的使用率一般選擇0.5；OFF-SPEC艙的使用率一般選擇0.5；生產(chǎn)水艙的使用率一般選擇0.5；海底閥箱則一直處于浸沒(méi)狀態(tài)，所以使用率為1；外板下立管區(qū)域結(jié)構(gòu)和海水提升結(jié)構(gòu)也一直處于浸沒(méi)狀態(tài)，所以使用率也為1。

關(guān)于壓載艙壓載率的計(jì)算，根據(jù)推薦規(guī)程和FPSO的縱傾和穩(wěn)性報(bào)告，壓載艙以艙內(nèi)各平臺(tái)為依據(jù)，通常劃分為5個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖1。

圖1 壓載艙區(qū)域劃分

根據(jù)穩(wěn)性手冊(cè)找出各壓載艙的壓載率，再加上基礎(chǔ)保護(hù)周期的壓載率。對(duì)于在整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)預(yù)期不使用的壓載艙；只考慮提供基礎(chǔ)為2年的意外事故保護(hù)周期；對(duì)于在整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)預(yù)期使用的壓載艙，則在壓載率的基礎(chǔ)上，增加考慮提供基礎(chǔ)為2年的意外事故保護(hù)周期(針對(duì)區(qū)域3～5)，增加考慮提供基礎(chǔ)為3年的意外事故保護(hù)周期(針對(duì)區(qū)域1和2)；在意外事故保護(hù)周期內(nèi)，壓載率為100%。

例如，某FPSO改裝項(xiàng)目1右壓載艙在穩(wěn)性手冊(cè)中的壓載率為0+0+0.17+0.17+0.13+0.03=0.50；犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)使用壽命為21年，那么1右壓載艙區(qū)域1和區(qū)域2的最終壓載率即為0.50+1×3/21=0.64，區(qū)域3～5的最終壓載率為0.50+1×2/21=0.6。

關(guān)于Icm和Icf的計(jì)算，RP-B101中第3.8.4節(jié)中給出下式。

Ic=Ac×ic×fc

(3)

式中:Ic為電流需求，Ah；Ac為表面積，m2；ic為設(shè)計(jì)(或需求)電流密度，A/m2；fc為涂層破壞系數(shù)。其中ic·fc取值根據(jù)RP-B101的表B-6～B-12，其數(shù)值呈線性分布。因此，如果犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)使用年限與表格中所給年限不一致時(shí)，可以使用線性插值的方法進(jìn)行計(jì)算取值；這種取值方法適用于沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)值時(shí)。如果船東要求針對(duì)特定溶液中的裸鋼進(jìn)行需求電流密度進(jìn)行測(cè)定，那么ic的取值則需要在特定電位下(例如,-0.9 V)進(jìn)行測(cè)得；同時(shí)，fc的取值依據(jù)RP-B101的表B-5。

2 實(shí)船溶液下的陽(yáng)極試驗(yàn)

犧牲陽(yáng)極試驗(yàn)是通常按照DNV RPB401附錄B或NACE TM0190[5]的程序進(jìn)行。其中DNV RPB401附錄B中給出的試驗(yàn)方法是采用4 d為1個(gè)周期，每天施加不同的高電流，試樣表面積約為1 640 mm2；而NACE TM0190則采用14 d為1個(gè)周期，1個(gè)周期內(nèi)施加相同而穩(wěn)定的低電流，試樣表面積為3 900 mm2；二者對(duì)比可以看出，對(duì)于FPSO這種長(zhǎng)周期的陽(yáng)極消耗項(xiàng)目，采用NACE TM0190中的試驗(yàn)方法，更能表達(dá)陽(yáng)極性能。

以某FPSO項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)、計(jì)算、安裝布置，試驗(yàn)程序與試驗(yàn)設(shè)備以及制造采用DNV-GL標(biāo)準(zhǔn)，裸鋼和犧牲陽(yáng)極的試驗(yàn)則采用NACE TM0190標(biāo)準(zhǔn)。

各艙室的操作溫度和最大設(shè)計(jì)溫度見(jiàn)表1，艙室液體中包含的各鐘離子濃度范圍見(jiàn)表2，含氧量要盡可能地趨于0。

表1 各艙室溫度表 ℃

表2 艙室溶液成分

需要注意的是，采用氮?dú)獬鹾?，需要在試?yàn)箱內(nèi)放置低亞硫酸鈉除去箱內(nèi)的氧，以便保證溶液的含氧量在試驗(yàn)過(guò)程中始終趨于0，不會(huì)由于外界環(huán)境中的氧溶于溶液中而增加含氧量；另外需要定期檢測(cè)輸入電流值，防止電流漂移。

試驗(yàn)中所涉及的關(guān)鍵影響因素是溶液的鹽度、溫度和pH值[6]，通常的析氫反應(yīng)在酸性環(huán)境中會(huì)更強(qiáng)烈，試驗(yàn)的目的也是測(cè)得相對(duì)極端狀態(tài)下陽(yáng)極的實(shí)際電容量，pH值為8.0時(shí)，溶液呈現(xiàn)弱堿性，析氫反應(yīng)不明顯。因此，選擇pH值5.5作為試驗(yàn)條件。對(duì)于溫度的選擇，無(wú)需考慮最高溫度，最高溫度只是用于測(cè)試陽(yáng)極溶解情況。鹽度的取值范圍則變化很大,單獨(dú)取35 000 mg/L或240 000 mg/L作為試驗(yàn)條件難以評(píng)估真實(shí)的電容量，而如果按每20 000 mg/L進(jìn)行劃分，將會(huì)多達(dá)11種溶液，即便按50 000 mg/L進(jìn)行劃分，也多達(dá)5種溶液，按單次試驗(yàn)14 d的周期計(jì)算，耗時(shí)約70 d，試驗(yàn)周期太長(zhǎng)，與項(xiàng)目推進(jìn)矛盾。因此，取中間值137 500和35 000、240 000 mg/L，三種溶液進(jìn)行試驗(yàn)；如果最終得出的數(shù)值明顯不相關(guān)，則再取其他鹽度值進(jìn)行試驗(yàn)。

鋁合金陽(yáng)極各元素含量見(jiàn)表3，理論電容量為2 892.54 A·h/kg。

表3 鋁陽(yáng)極元素含量

鋅合金陽(yáng)極元素含量見(jiàn)表4，理論電容量為830.1 A·h/kg。

表4 鋅陽(yáng)極元素含量

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、6。

表5 鋁合金陽(yáng)極試驗(yàn)結(jié)果

表6 鋅合金陽(yáng)極試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，鋅合金陽(yáng)極在不同鹽度下電化學(xué)效率損失很低，在高鹽度下仍然能夠保持自身的性能；鋁合金陽(yáng)極隨著鹽度的上升，電化學(xué)效率逐步降低，損失較高，且在初始鹽度時(shí)，電化學(xué)效率就有較大損失，在高鹽度下，其電化學(xué)效率僅為理論值的39.41%，性能損失極大。

裸鋼的試驗(yàn)則采用控制電位法測(cè)定裸鋼在不同鹽度溶液中的極化情況。增加在25 ℃也就是理論海水溫度(FPSO營(yíng)運(yùn)水域海水平均溫度)；測(cè)量時(shí)將魯金毛細(xì)管盡量靠近電極表面5 mm以內(nèi)，并保證不能擾動(dòng)電極表面的腐蝕產(chǎn)物，記錄開(kāi)路電位，保持整個(gè)電解池不變，設(shè)定極化曲線從開(kāi)路電位至-1.2 V自動(dòng)掃描，掃描間隔5 mV，掃描時(shí)間30 s，記錄電流值變化，見(jiàn)圖2。

圖2 不同溶液中的裸鋼的極化變化

裸鋼在-0.9 V電位下的保護(hù)電流密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 裸鋼的需求保護(hù)電流密度

最終取值也是按照鹽度中間值進(jìn)行選取，即45 ℃時(shí)，裸鋼的保護(hù)電流密度為446 mA/m2；25 ℃時(shí)，裸鋼的保護(hù)電流密度為330 mA/m2。

DNV-GL RPB401給出的裸鋼理論需求平均保護(hù)電流為100 mA/m2，實(shí)際試驗(yàn)得出的結(jié)果是理論需求的3.3～4.5倍，實(shí)際陽(yáng)極使用量成倍數(shù)增加。

3 基于試驗(yàn)數(shù)值的計(jì)算結(jié)果分析

某FPSO改裝項(xiàng)目為便于現(xiàn)場(chǎng)施工，貨油艙選擇了凈重12kg的鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極，通過(guò)試驗(yàn)，貨油艙裸鋼所需電流密度為330 mA/m2，計(jì)算各貨油艙所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量見(jiàn)表8。

由表8可以看出，貨油艙實(shí)際所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量過(guò)大，每塊陽(yáng)極的保護(hù)面積僅為1.48 m2，陽(yáng)極在貨油艙內(nèi)布置極密，顯然所選取的犧牲陽(yáng)極重量不合理。而且通常的維修操作，也會(huì)考慮單塊陽(yáng)極的重量，以及陽(yáng)極的總數(shù)量，一方面要保證陽(yáng)極更換時(shí)的人員操作安全；另一方面也需要考慮操作的時(shí)間周期；通常在艙內(nèi)單人搬運(yùn)重物是要求25 kg以下，雙人搬抬則是在40 kg以下，因此，考慮改型國(guó)標(biāo)GB/T4948—2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極》中的標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)極，設(shè)計(jì)一種凈重量在38 kg左右的陽(yáng)極[7-9]，尺寸為900 mm×(12+13.5)mm×12，通過(guò)代入計(jì)算，各貨油艙所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量見(jiàn)表9。

表8 艙室犧牲陽(yáng)極數(shù)量

表9 化后各艙室犧牲陽(yáng)極數(shù)量

可以看出，增加犧牲陽(yáng)極單塊重量，所需數(shù)量隨之減少，單塊陽(yáng)極保護(hù)面積擴(kuò)大到4.66 m2，從而降低了艙內(nèi)陽(yáng)極布置和安裝難度。但是，由于陽(yáng)極總體尺寸增大了，在實(shí)際操作安裝維修過(guò)程中，會(huì)引起諸多不便，安裝維修比較困難。

同一FPSO生產(chǎn)水艙選擇了凈重58 kg的鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極，艙內(nèi)裸鋼所需電流密度也為330 mA/m3；通過(guò)計(jì)算，本艙室總計(jì)需要1 221塊陽(yáng)極才能滿足21年的設(shè)計(jì)使用壽命，整個(gè)艙室布置后，如圖3所示，陽(yáng)極幾乎占滿了整個(gè)艙室，無(wú)論是布置還是安裝，都將非常困難和復(fù)雜。

圖3 FPSO生產(chǎn)水艙陽(yáng)極實(shí)際布置

而由于計(jì)算方法對(duì)于犧牲陽(yáng)極總重量的限制，以及艙內(nèi)空間的實(shí)際限制，目前沒(méi)有很好的解決方案；可行的方案就是減少第一階段的陽(yáng)極安裝數(shù)量，這樣就無(wú)法保證足夠長(zhǎng)時(shí)間的犧牲陽(yáng)極使用年限，需要增加第二階段的犧牲陽(yáng)極安裝，也就是在FPSO運(yùn)營(yíng)期間再次安裝一批次或數(shù)批次陽(yáng)極，保證艙內(nèi)所需的腐蝕電流量，此方案一般不推薦，需與業(yè)主協(xié)商。

所述FPSO的生產(chǎn)水艙最終根據(jù)業(yè)主要求，僅提供了總設(shè)計(jì)使用年限二分之一的犧牲陽(yáng)極，預(yù)留了總設(shè)計(jì)使用年限1/2的陽(yáng)極支架；這也就意味著到了1/2使用年限后，需要重新安裝一整批次的犧牲陽(yáng)極。

4 結(jié)論

1)犧牲陽(yáng)極用量計(jì)算時(shí)，需要考慮艙室的浸沒(méi)使用率，并根據(jù)實(shí)際壓載計(jì)劃對(duì)艙室內(nèi)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)劃分，從而有利于犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)與布置。

2)DNV-GL規(guī)程中給出的犧牲陽(yáng)極計(jì)算方法以及給出的建議值，僅適用于普通海水作為溶液介質(zhì)的艙室，實(shí)際艙室由于介質(zhì)溶液的不同，裸鋼的需求保護(hù)電流和犧牲陽(yáng)極的實(shí)際電容量與理論值相差很大。采用試驗(yàn)值計(jì)算后的犧牲陽(yáng)極使用量，在某些高鹽度艙室數(shù)量過(guò)多，極難布置與安裝，也直接影響了FPSO的建造成本；設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以根據(jù)初始計(jì)算值在允許范圍內(nèi)調(diào)整陽(yáng)極的凈重和外形尺寸，減少陽(yáng)極安裝數(shù)量，降低布置和安裝難度。

3)建議特殊艙室與業(yè)主協(xié)商，減小陽(yáng)極設(shè)計(jì)使用年限，采用運(yùn)營(yíng)中二次加裝的方式降低初始陽(yáng)極數(shù)量，降低布置和安裝難度；同時(shí)，建議特殊艙室采用特殊組分的犧牲陽(yáng)極，并采用適宜的重量和尺寸，降低整體艙室陽(yáng)極使用量，降低布置和安裝難度，從而降低FPSO的建造成本。