渤海油田平臺(tái)導(dǎo)管架犧牲陽極脫落原因淺析

趙慶凱 黃衛(wèi)國 紀(jì)蒙生 劉登輝 李風(fēng)順

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300457）

1 背景概況

2016年作業(yè)公司實(shí)施平臺(tái)定期檢驗(yàn)及海生物清理時(shí)發(fā)現(xiàn)，渤海遼東區(qū)域三座平臺(tái)導(dǎo)管架陽極脫落情況嚴(yán)重，陽極塊脫落主要集中在平臺(tái)的北側(cè)水下3米至水下7米之間，并且是與平臺(tái)樁腿焊接部分整體脫落，最高脫落比例達(dá)到11%。極大的影響了平臺(tái)導(dǎo)管架的防腐蝕效果，進(jìn)而影響了導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)安全性。

圖1 犧牲陽極脫落處

2 陽極脫落原因分析

對(duì)平臺(tái)導(dǎo)管架陽極脫落問題的研究和討論，判斷引起陽極斷裂/脫落的原因有以下幾方面：

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響

三個(gè)導(dǎo)管架陽極的連接結(jié)構(gòu)（Φ114*8.5mm陽極芯、8mm包板）和焊縫（6mm角焊縫）尺寸屬于最小的一種。在設(shè)計(jì)時(shí)間更晚的重量相近陽極的連接結(jié)構(gòu)和焊縫都得到了增強(qiáng)。由于該海域也有連接結(jié)構(gòu)規(guī)格較小的犧牲陽極的存在，因此“犧牲陽極連接結(jié)構(gòu)規(guī)格偏小”在正常荷載下不會(huì)成為陽極脫落的根本原因，但如果后期荷載情況超出正常范圍，則該因素可能成為陽極脫落的助力條件。

2.2 打樁振動(dòng)影響

通過對(duì)相關(guān)資料的統(tǒng)計(jì)、分析，以及對(duì)陽極芯/包板及連接焊縫的尺寸等技術(shù)參數(shù)的分析，并且考慮到近年來設(shè)計(jì)單位已經(jīng)開始對(duì)犧牲陽極連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行打樁荷載的分析等情況，而且調(diào)增了后續(xù)項(xiàng)目新建導(dǎo)管架犧牲陽極的連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。針對(duì)打樁的沖擊荷載對(duì)陽極連接結(jié)構(gòu)（陽極芯及焊縫、包板及焊縫）的強(qiáng)度影響進(jìn)行了初步校核，結(jié)果顯示陽極芯的焊縫、包板強(qiáng)度較弱。但由于同期或其它海域的打樁作業(yè)同樣存在，其它導(dǎo)管架并無或較少出現(xiàn)犧牲陽極斷裂/脫落的情況，因此確認(rèn)該因素不是陽極斷裂/脫落的首要條件，但打樁過程中的疲勞或損傷有可能成為助力條件。

2.3 冰激振動(dòng)影響

根據(jù)2009-2010年的《海冰管理項(xiàng)目技術(shù)總結(jié)報(bào)告》顯示，2009-2010年期間，冬季遼東灣海域冰情嚴(yán)重，其中“盛冰期”2010年1月中旬渤海海冰范圍達(dá)到上世紀(jì)八十年代開展氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)海冰以來同期最大值，該年度渤海發(fā)生了30年以來最大的冰災(zāi)。

圖2 1998-2010年內(nèi)202海域冰期趨勢(shì)圖

圖3 1998-2010年內(nèi)平均冰厚趨勢(shì)圖

基于對(duì)原型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)渤海的抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)在極值靜冰力作用下,結(jié)構(gòu)的變形比較小,安全儲(chǔ)備較大。但是在交變冰力作用下,無論是直立結(jié)構(gòu)還是錐體結(jié)構(gòu)都存在冰激共振現(xiàn)象，動(dòng)冰力引起的動(dòng)力放大顯著。平臺(tái)振動(dòng)比往年更加明顯且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)平臺(tái)導(dǎo)管架管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷尤其明顯?！?/p>

由于平臺(tái)在冰激作用下振動(dòng)主要為水平方向的振動(dòng)，而陽極均處于垂直面內(nèi)，A、B軸面內(nèi)的陽極或處于平行于A、B軸面的陽極連接結(jié)構(gòu)在遭受來自北側(cè)的水平力（該力即冰力垂直于陽極所在平面）時(shí)最容易破壞，而1、2、3軸面內(nèi)的陽極或處于平行于1、2、3軸面的陽極連接結(jié)構(gòu)由于與來自北側(cè)的冰力處于平行方向，因此不易受到破壞。

圖4 平臺(tái)導(dǎo)管架受損陽極分布圖（藍(lán)色犧牲陽極已脫落）

由于冰在撞擊北側(cè)導(dǎo)管腿后發(fā)生破碎，因此南側(cè)導(dǎo)管腿受到的冰力比北側(cè)導(dǎo)管腿明顯下降，由此產(chǎn)生的冰激振動(dòng)對(duì)陽極連接結(jié)構(gòu)的破壞影響很小，因此三個(gè)導(dǎo)管架的陽極斷裂/脫落主要集中在北側(cè)，而南側(cè)只有一個(gè)陽極發(fā)生脫落。

2.4 導(dǎo)管架獨(dú)立過冬影響

導(dǎo)管架安裝后當(dāng)年未安裝上部組塊，導(dǎo)管架在沒有上部組塊的情況下獨(dú)立過冬時(shí)，由于沒有上部組塊對(duì)導(dǎo)管架頂部的約束，獨(dú)立越冬導(dǎo)管架的冰激振動(dòng)比完整平臺(tái)的冰激振動(dòng)更加劇烈，這也解釋了為什么上述3個(gè)導(dǎo)管架發(fā)生陽極斷裂/脫落的情況而鄰近的帶有上部組塊的導(dǎo)管架沒有發(fā)生陽極斷裂/脫落的情況。由于導(dǎo)管架北側(cè)為迎冰面，其受到的冰激振動(dòng)比南側(cè)更劇烈，因此受損陽極主要集中在這一側(cè)，同時(shí)由于導(dǎo)管架上各部位的振動(dòng)幅度從泥面到水面逐漸增加越來越大，因此受損陽極在導(dǎo)管架上的部位主要集中在水下3米（水下3米以上無陽極）至7米。三座脫落陽極的導(dǎo)管架共同的特點(diǎn)是均為適應(yīng)組塊吊裝就位、獨(dú)立越冬、平臺(tái)北側(cè)水下3米至水下7米陽極受損。因此推測(cè)，如果組塊在當(dāng)年就安裝完畢，則非獨(dú)立越冬有上部約束的導(dǎo)管架就可能不會(huì)產(chǎn)生更為劇烈的冰激振動(dòng)，陽極的連接結(jié)構(gòu)就可能不被破壞；如果陽極的連接結(jié)構(gòu)更強(qiáng)一些，可能會(huì)增加抵抗打樁沖擊及冰激振動(dòng)的能力；如果當(dāng)年冬季冰情不嚴(yán)重，冰激振動(dòng)的影響可能會(huì)降低。

3 總結(jié)和建議

綜上所述，本次陽極脫落的原因是多方面的，主要包括陽極連接結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)偏小（相對(duì)）、打樁作業(yè)對(duì)陽極連接結(jié)構(gòu)的沖擊、導(dǎo)管架獨(dú)立越冬情況下冰激振動(dòng)對(duì)陽極連接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞等，其中導(dǎo)管架獨(dú)立越冬情況下的冰激振動(dòng)是導(dǎo)致陽極脫落的觸發(fā)條件。

由于導(dǎo)管架北側(cè)為迎冰面，其受到的冰激振動(dòng)比南側(cè)更劇烈，因此受損陽極主要集中在這一側(cè)，同時(shí)由于導(dǎo)管架上各部位的振動(dòng)幅度從泥面到水面逐漸增加越來越大，因此受損陽極在導(dǎo)管架上的部位主要集中在水下3米（水下3米以上無陽極）至7米，水下7米以下因振動(dòng)幅度越來越小，因此沒有陽極斷裂/脫落的情況發(fā)生。因此推測(cè)，本次陽極脫落的主要原因是導(dǎo)管架獨(dú)立越冬情況下產(chǎn)生更為劇烈的冰激振動(dòng)從而導(dǎo)致陽極的連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

隨著我國海洋石油行業(yè)的發(fā)展，作為一種經(jīng)濟(jì)有效的金屬防腐方法，犧牲陽極在工程防腐的應(yīng)用日趨廣泛。為了避免類似事件的發(fā)生，提出建議如下：

1）、對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行打樁振動(dòng)分析并據(jù)此確定犧牲陽極連接結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)；

2）、盡量避免遼東區(qū)域新安裝的導(dǎo)管架獨(dú)立海上越冬，如有必要的話需進(jìn)行針對(duì)獨(dú)立越冬導(dǎo)管架的冰激振動(dòng)分析；

3）、增加導(dǎo)管架、組塊安裝后的水下調(diào)查，細(xì)化要求并留存資料。

4）、增加水下檢測(cè)范圍，對(duì)遼東區(qū)域平臺(tái)導(dǎo)管架陽極狀況及防腐壽命進(jìn)行全面評(píng)估。