在役海洋石油導(dǎo)管架陰極保護(hù)評估技術(shù)研究

朱飛越，張國慶，齊江濤，劉寬祿，姚遠(yuǎn)

（海洋石油工程股份有限公司，天津，300451）

1 引言

導(dǎo)管架平臺是目前海洋工程使用最廣泛的一種海洋石油鋼結(jié)構(gòu)物平臺，由于海洋是一個(gè)嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，如果不采取有效的防腐措施，導(dǎo)管架平臺在苛刻的海洋環(huán)境中必遭受腐蝕破壞，影響平臺壽命和安全生產(chǎn)，增加平臺維護(hù)成本[1-2]。

海洋石油導(dǎo)管架平臺的全浸區(qū)腐蝕控制一般采用犧牲陽極陰極保護(hù)方法，隨著早期采用犧牲陽極保護(hù)的開采工藝的不斷提升，海洋石油平臺導(dǎo)管架服役年限會相應(yīng)增加，很多導(dǎo)管架平臺已經(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。通過對導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢測，并對檢測的結(jié)果進(jìn)行評估分析，評價(jià)導(dǎo)管架陰極保護(hù)狀態(tài)，可以為導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)使用年限提供依據(jù)，同時(shí)掌握導(dǎo)管架陰極保護(hù)評估方法，提高導(dǎo)管架的利用效率，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。通過實(shí)例對導(dǎo)管架陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等分析，采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析導(dǎo)管架犧牲陽極陰極保護(hù)效果及使用年限[3-4]。

2 評估技術(shù)基礎(chǔ)

在役海洋石油導(dǎo)管架陰極保護(hù)評估技術(shù)基礎(chǔ)包括導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、導(dǎo)管架陽極結(jié)構(gòu)示意圖如圖2、陽極結(jié)構(gòu)參數(shù)、導(dǎo)管架陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、現(xiàn)階段犧牲陽極尺寸及電位測量數(shù)據(jù)、現(xiàn)階段導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)電位測量數(shù)據(jù)等[5]。

圖1 導(dǎo)管架陽極結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)例評估分析

渤海某海洋石油平臺導(dǎo)管架主要由上部模塊、導(dǎo)管架和樁組成，平均水深5.7m。導(dǎo)管架平臺2000年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壽命20年，目前平臺及導(dǎo)管架即將到達(dá)服役年限。根據(jù)油田后期開發(fā)需要，導(dǎo)管架平臺計(jì)劃延期使用至2029年，因此需要對導(dǎo)管架平臺進(jìn)行延長使用期內(nèi)的評估，以保證進(jìn)入延長使用期時(shí)，犧牲陽極陰極保護(hù)滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文選擇渤海某實(shí)際導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，采用數(shù)學(xué)模型對導(dǎo)管架的陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極進(jìn)行檢測，主要包括陽極尺寸，導(dǎo)管架表面被保護(hù)電位等。

3.1實(shí)例評估基礎(chǔ)

陽極結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，導(dǎo)管架陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2，現(xiàn)階段犧牲陽極尺寸及電位測量數(shù)據(jù)如表3，現(xiàn)階段導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)電位測量數(shù)據(jù)如表4。

表1 陽極結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 現(xiàn)階段犧牲陽極尺寸及電位測量數(shù)據(jù)表

表4 現(xiàn)階段導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)電位測量數(shù)據(jù)表

3.1.1 小結(jié)

從表1 中陽極初始設(shè)計(jì)尺寸和表3 中陽極實(shí)測尺寸對比分析，可以看出導(dǎo)管架陽極尺寸有所減小，說明隨著使用年限的增加陽極已逐步消耗。由表3和表4可以看出陽極電位實(shí)測值在-1061mV～-1085mV之間，鋼結(jié)構(gòu)電位實(shí)測值在-1006mV～-1042mV之間滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-RP-B401的要求，說明目前導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)正常，導(dǎo)管架處在良好保護(hù)狀態(tài)。

3.2 犧牲陽極陰極保護(hù)評估數(shù)學(xué)模型

依據(jù)DNVGL-RP-B401標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和檢測陽極尺寸通過等效半徑計(jì)算、電阻計(jì)算、電流計(jì)算等公式建立數(shù)學(xué)模型評估現(xiàn)階段犧牲陽極陰極保護(hù)狀態(tài)。

3.2.1 犧牲陽極發(fā)出電流數(shù)學(xué)模型

通過陽極尺寸計(jì)算犧牲陽極接水電阻，根據(jù)歐姆定律、陰極保護(hù)電位差計(jì)算每個(gè)陽極發(fā)出電流。對比分析導(dǎo)管架陽極發(fā)出總電流與導(dǎo)管架需求總電流之間的關(guān)聯(lián)，評價(jià)導(dǎo)管架犧牲陽極陰極保護(hù)狀態(tài)。

DNVGL-RP-B401規(guī)范，計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 陰極保護(hù)電阻電流計(jì)算

本案例中的導(dǎo)管架共有154塊犧牲陽極，本次共檢測有代表性的陽極16塊，。未測量陽極發(fā)出電流取16塊陽極發(fā)出電流的平均值（表中列出平均值），得到導(dǎo)管架陽極發(fā)出總電流為612A。

由計(jì)算結(jié)果可以看出所有犧牲陽極可發(fā)出電流（612A）大于導(dǎo)管架陰極保護(hù)末期所需電流（399.8A），可知目前犧牲陽極能夠很好地保護(hù)導(dǎo)管架，不存欠保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 犧牲陽極剩余使用年限數(shù)學(xué)模型

通過對犧牲陽極的消耗速率計(jì)算，等效犧牲陽極未來的消耗速率，計(jì)算分析犧牲陽極剩余使用年限。從而建立犧牲陽極使用年限的數(shù)學(xué)模型

基于2021年導(dǎo)管架延長設(shè)計(jì)使用年限特檢及海生物清理檢驗(yàn)報(bào)告，計(jì)算檢測期到陰極保護(hù)末期陽極質(zhì)量消耗，計(jì)算結(jié)果如表6。

表6 陽極質(zhì)量消耗計(jì)算表

08 182 86 188.69 25.56 163.13 09 189 91 214.1 25.56 188.54 10 187 90 227.98 25.56 202.42 11 191 95 238.56 25.56 213 12 189 93 225.97 25.56 200.41 13 189 93 223.98 25.56 198.42 14 190 93 225.16 25.56 199.6 15 192 92 223.5 25.56 197.94 16 183 88 192.37 25.56 166.81

由于本次陽極尺寸共檢驗(yàn)了16塊有代表性陽極，未檢測陽極按已檢測16塊陽極檢測質(zhì)量的平均值215.3kg考慮。未檢測陽極按已檢測16塊陽極末期可消耗質(zhì)量的平均值189.74kg考慮

因此，根據(jù)2021年的檢測，陽極剩余總質(zhì)量如下：

215.3×154=33156.21 (kg)

末期可消耗質(zhì)量總和如下：

189.74×154=29219.96 (kg)

導(dǎo)管架從開始服役（2000年6月）到檢測階段（2021年6月）質(zhì)量消耗如下：

255.6×154-33156.21=6206.19(kg)

陽極年平均消耗量如下：

6206.19÷19=295.54(kg/a)

剩余使用年限為：

29219.97÷295.54=98(a)

根據(jù)犧牲陽極消耗速率計(jì)算結(jié)果可知，本導(dǎo)管架犧牲陽極可以再繼續(xù)使用98年，因此在2029年之前，導(dǎo)管架犧牲陽極陰極保護(hù)能夠正常發(fā)揮作用。

3.2.3 結(jié)果校驗(yàn)數(shù)學(xué)模型

依據(jù)目前DNVGL-RP-B401規(guī)范，渤海區(qū)域?qū)Ч芗芡垦b區(qū)，全浸區(qū)，泥面以下部分中期電流密度分別為30mA/m2，70mA/m2，20mA/m2，渤海區(qū)域井口電流密度2A/井。由此，計(jì)算平臺陰極保護(hù)系統(tǒng)中期電流需求見表7。

表7 中期電流需求計(jì)算表

從表7可以得出，導(dǎo)管架需要中期電流為346.8A。

導(dǎo)管架剩余使用年限為：

T=17.3 (年)

本次評估依據(jù)的檢測報(bào)告中陽極檢測日期為2021年5月，從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，導(dǎo)管架犧牲陽極還可安全運(yùn)行17.3年，可以滿足使用至2029年的要求。

4 結(jié)論

（1）通過對實(shí)例分析，掌握了一種在役海洋石油導(dǎo)管架陰極保護(hù)評估方法。

（2）從目前的檢測結(jié)果可知，目前的導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)滿足原設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）實(shí)例中的在役導(dǎo)管架使用年限可以滿足到2029年使用要求。