自升式平臺樁體ICCP技術(shù)的應(yīng)用

王 海 閆則明 李風(fēng)順 莊則敬 紀(jì)蒙生 張修武 劉登輝 李文言

（1. 中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海鎧防腐工程技術(shù)分公司，上海 200131；2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；3. 青島鋼研納克檢測防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；4. 天津瑞洋海洋工程有限公司，天津 300450）

0 引言

自升式平臺是移動式海洋平臺的其中一類。自升式平臺配備了動力裝置、居住設(shè)備、鉆井機(jī)械和船體的支撐用可升降樁腿，作業(yè)時樁腿著地，船體平臺升至海面上一定高度，需要移動時則把平臺降至水面，收起樁腿由拖船拖至指定位置。因為平臺的工作環(huán)境處于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中，所以必須采取有效的防腐蝕措施從而減少環(huán)境對平臺的破壞，延長設(shè)備的服務(wù)壽命。由于防腐涂層特別是水下的涂層的耐久性和維護(hù)難度，平臺的防腐涂料并不能對平臺樁腿起到徹底的防護(hù)作用，因此有必要對樁腿進(jìn)行陰極保護(hù)，樁腿的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且與平臺結(jié)合緊密、空間狹小，并不適宜犧牲陽極陰極保護(hù)法。本文介紹了一種應(yīng)對自升式平臺腐蝕的陰極保護(hù)技術(shù)。

1 自升式平臺外加電流陰極保護(hù)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)簡介

自升式平臺外加電流腐蝕控制系統(tǒng)是用來保護(hù)平臺樁體不受海水腐蝕的專用裝置。外加電流陰極保護(hù)裝置的工作原理是通過控制電源提供直流電流，電源正極接輔助陽極，負(fù)極接樁體，在海水構(gòu)成的回路中，通過參比電極對極化的樁體進(jìn)行電極監(jiān)控，從而根據(jù)電位動態(tài)調(diào)節(jié)所需保護(hù)電流，以達(dá)到最佳保護(hù)電位范圍。

1.2 外加電流陰極保護(hù)設(shè)計

1.2.1 概述

平臺作為在天津渤海海域工作的自升式鉆井平臺。平臺水下部位主要包括三根?3200×75m樁腿和?9200×1.65樁靴。整個樁腿吃水深度40米，入泥10m。

保護(hù)方式：ICCP系統(tǒng)與涂層聯(lián)合保護(hù)。

1.2.2 設(shè)計計算

1）設(shè)計參數(shù)[1]

保護(hù)壽命：≥10年

最小保護(hù)電流密度：平臺水下部位鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電流密度取35mA/m2。平臺海泥中部位鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電流密度取20mA/m2。

技術(shù)指標(biāo)：最小保護(hù)電位E保，min（高純鋅參比電極）＝0.25V。

最大保護(hù)電位E保，max（高純鋅參比電極）＝0.05V。

在有效保護(hù)期內(nèi)，系統(tǒng)回路電阻不會增加；平臺水下及泥中部位鋼結(jié)構(gòu)得到有效保護(hù)，腐蝕得到減緩或抑制，平臺水下及泥中部位鋼結(jié)構(gòu)外壁沒有明顯減薄。

2）陰極保護(hù)設(shè)計計算

（1） 樁腿和樁靴保護(hù)面積計算

計算單只樁腿最大入水保護(hù)面積：（樁體最大入水40m）：

計算單只樁靴及樁腿入泥的保護(hù)面積：（樁體最大入泥10m）：

（2）保護(hù)電流計算

根據(jù)設(shè)計規(guī)范[7,8]，陰極保護(hù)總電流應(yīng)不小于按下式計算所得值：

式中：

Sz為陰極保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)的面積；

iz為陰極保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)的保護(hù)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)；

K為裕量系數(shù)，取1.2。

考慮到投入運(yùn)行后對涂層的破壞,結(jié)合平臺工作海域的環(huán)境條件和同類平臺的保護(hù)經(jīng)驗，平臺水下部位鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電流密度取35mA/m2。平臺海泥中部位鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電流密度取20mA/m2。

則需要的總保護(hù)電流為：

1.2.3 設(shè)計結(jié)果

設(shè)計壽命≥10年，根據(jù)設(shè)計計算和平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，陰極保護(hù)系統(tǒng)選用1臺型號為HFSF-200型恒電位儀，6支HFPY-1型輔助陽極和3支HFPZ-2型參比電極進(jìn)行控制。恒電位儀額定輸出電流為100A，額定輸出電壓為24V；輔助陽極電極材料為MMO，安裝于每個樁靴各2支，每支陽極額定輸出電流為15A。參比電極為高純鋅參比電極，安裝于每個樁靴各1支。

2 安裝工藝

2.1 恒電位儀的安裝

恒電位儀安裝在平臺生活樓第四層升降控制室內(nèi)，或其它便于監(jiān)控和用電的位置。將恒電位儀安裝在固定于船體上的陽極架上。恒電位儀工作釋放的熱量較低，機(jī)柜外殼為常溫，變壓器約為50℃，工作噪音低于42dB。工作時，陰極接樁體，陽極接輔助陽極，不可接反[2]。

2.2 輔助陽極的安裝

輔助陽極的主體確保與平臺樁體絕緣，干燥狀態(tài)下（即沒有下水前）絕緣電阻應(yīng)大于1MΩ[3]，同時，陽極結(jié)構(gòu)應(yīng)確保其水密性能及能耐受大于0.7MPa的壓力。輔助陽極安裝在樁靴上，每支樁靴安裝2支輔助陽極，對稱分布在樁靴上表面。輔助陽極采用附板式安裝，首先在樁靴外板開安裝孔，將附板焊接在樁靴外板上，然后將陽極體采用螺栓方式固定在陽極體的附板上（如圖1所示），最后將電纜引入樁靴內(nèi)。輔助陽極周圍涂刷陽極屏[5,6]。

圖1 輔陽極助安裝圖（方形）

2.3 參比電極的安裝

參比電極的主體確保與平臺樁體絕緣，干燥狀態(tài)下（即沒有下水前）絕緣電阻應(yīng)大于1MΩ[4]，同時，電極結(jié)構(gòu)應(yīng)確保其水密性能并且能耐受大于0.7MPa的壓力。參比電極安裝在樁靴上，每支樁靴安裝1支參比電極，分布在與輔助陽極成120°角的同一水平面上。采用附板式安裝（如圖2所示）。參比電極在安裝過程中應(yīng)保護(hù)好電極體，防止碰傷、燒傷及涂料和其它物質(zhì)的污染。

圖2 參比電極安裝圖（圓形）

2.4 電纜的連接

輔助陽極和陰極連接電纜應(yīng)選用船用電纜，參比電極電纜應(yīng)選用屏蔽電纜。電纜連接應(yīng)符合艦船電纜連接要求，電纜傳輸中不允許有接頭，若有應(yīng)裝置防爆裝置。每支升降樁電纜應(yīng)編號標(biāo)明。陽極電纜要與樁體絕緣，要求絕緣電阻大于1MΩ。穿過艙室應(yīng)做好密封。

2.5 電纜敷設(shè)方案

輔助陽極和參比電極安裝后，其電纜接點(diǎn)在樁靴內(nèi)的水密罩內(nèi)，將電纜連接好從水密罩電纜出口穿出后，用螺栓將水密罩密封。電纜在樁腿內(nèi)匯總共同走線，從樁腿內(nèi)部引到平臺上，再從上部的相應(yīng)出口引出，引到主控制室。穿過艙室應(yīng)做好密封。電纜布置如圖3所示。

圖3 電纜布置圖

3 設(shè)備現(xiàn)狀及前景

3.1 設(shè)備運(yùn)行效果

圖4 電極電纜安裝（樁頂敷設(shè)）

通過對平臺ICCP使用效果的回訪了解到平臺外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，輔助陽極和參比電極運(yùn)行良好，設(shè)備自動運(yùn)行時參比電極監(jiān)測平臺樁腿電位處于0～250mV保護(hù)電位范圍內(nèi)[8]，保護(hù)效果良好。使用便攜式參比電極檢測了平臺樁腿上部和船體的電位，測得樁腿上部電位為-916mV，船體電位為-913mV，說明整個樁腿都達(dá)到了保護(hù)狀態(tài)。平臺已投產(chǎn)工作4年后水下檢查時發(fā)現(xiàn)平臺的樁靴和樁腿表面狀態(tài)良好，無明顯銹蝕現(xiàn)象。說明整套外加電流陰極保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，大大降低了平臺的腐蝕速度，保證采油平臺長壽命的安全運(yùn)營。下面以其中一平臺的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和平臺的保護(hù)效果。

圖5為某平臺運(yùn)行52個月的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。腐蝕控制建成系統(tǒng)采用自動控制運(yùn)行，調(diào)試運(yùn)行時自動控制給定電位為150mV（相對于高純鋅電極）。由于平臺的樁腿和平臺船體都做了涂層防腐，因此初始時需要保護(hù)電流較小。從圖5可以看出，隨著平臺服役時間的增加，陰極保護(hù)需要的保護(hù)電流也逐漸增加，這是由于隨著平臺服役年限的增加，涂層破損率逐漸增大。圖中第32個月參比電極的電位下降是由于平臺工作人員調(diào)節(jié)了給定電位。從圖5還可以看出在自動控制狀態(tài)下，外加電流腐蝕控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，平臺的3個樁腿的保護(hù)電位始終處于被保護(hù)范圍。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)圖

3.2 應(yīng)用前景

現(xiàn)在海洋工程中的半潛式平臺和導(dǎo)管架平臺仍然普遍使用犧牲陽極的方式進(jìn)行陰極保護(hù)[9]。但是隨著海洋開發(fā)的進(jìn)一步加快，擁有資源節(jié)約和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)的自升式平臺外加電流陰極保護(hù)技術(shù)也可在進(jìn)一步改進(jìn)后應(yīng)用于半潛式平臺和導(dǎo)管架平臺。此技術(shù)在可以實現(xiàn)對新建平臺進(jìn)行陰極保護(hù)的同時，也可實現(xiàn)對老舊平臺的延壽修復(fù)，因而具備廣闊的市場前景。我國目前尚且欠缺深水平臺外接電流尤其是超200m水深的平臺的設(shè)備設(shè)計、制造、安裝經(jīng)驗，設(shè)備安全性和可靠性都需要進(jìn)一步驗證。對此既需要在設(shè)計生產(chǎn)的過程中嚴(yán)格要求，并結(jié)合實際工程進(jìn)行改進(jìn)，同時也要學(xué)習(xí)借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)和科研成果。為我國藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

（1）自升式平臺外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計上進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到簡潔方便的效果的同時，陰極保護(hù)效果同樣良好，是平臺的腐蝕控制的優(yōu)秀解決方案；

（2）該技術(shù)經(jīng)改進(jìn)和優(yōu)化可應(yīng)用于半潛式平臺、導(dǎo)管架平臺等其它海洋平臺的腐蝕控制中，為我國藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)。