海洋平臺(tái)水下磁力強(qiáng)吸附陽(yáng)極應(yīng)用

許海峰,蒙占彬,張愛(ài)恩

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452;2.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院,廣西 欽州 535011;3.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東 東營(yíng) 257000)

目前主要采用涂裝法和陰極保護(hù)法進(jìn)行海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù),犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是應(yīng)用最為廣泛的陰極保護(hù)方法,它采用還原性較強(qiáng)的金屬作為保護(hù)極,與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池,還原性較強(qiáng)的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗,被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕,而這種自身被腐蝕的金屬或合金,稱為犧牲陽(yáng)極[1-3]。海洋平臺(tái)通常采用焊接式陽(yáng)極[4]。下水之前按設(shè)計(jì)將鋁陽(yáng)極塊焊接固定,然后進(jìn)行海上平臺(tái)安裝施工。平臺(tái)陽(yáng)極塊的大小、數(shù)量、長(zhǎng)度等的布置按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。犧牲陽(yáng)極材料消蝕到一定程度后,即失去了對(duì)平臺(tái)的保護(hù)作用,需要更換。在更換新?tīng)奚?yáng)極塊時(shí),需進(jìn)行水下焊接及電極聯(lián)接,過(guò)程繁雜。由于是水下施工,必需選擇平流時(shí)施工,而海上平流換向時(shí)間很短,一般只有幾十分鐘左右[5-6],這給陽(yáng)極塊更換帶來(lái)極大的困難,水下施工存在不確定性,施工質(zhì)量難以保證。因此尋求一種既快速又簡(jiǎn)單的水下陽(yáng)極塊更換方法,是迫切需要研究和解決的問(wèn)題。為此,介紹一種水下強(qiáng)磁力吸附陽(yáng)極技術(shù),可以極大縮短水下陽(yáng)極拆裝時(shí)間。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

水下強(qiáng)磁力吸附陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1,由犧牲陽(yáng)極、吸附穴、切割導(dǎo)向頭、屏蔽涂層、磁性體、螺旋機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)手柄、彈簧、導(dǎo)向套、密封圈和陰極組成。

圖1 水下強(qiáng)磁力吸附陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意

其主要工作原理:犧牲陽(yáng)極內(nèi)側(cè)有吸附穴,吸附穴內(nèi)裝有磁性體,螺旋機(jī)構(gòu)與吸附穴內(nèi)的磁性體相連接。在進(jìn)行安裝時(shí),通過(guò)調(diào)整螺旋機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)吸附穴內(nèi)磁性體與陰極在磁力作用下相貼合,保證犧牲陽(yáng)極快速地固定在安裝位置;為實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極和陰極之間形成環(huán)路電流保護(hù)陰極的目的,轉(zhuǎn)動(dòng)中部的旋轉(zhuǎn)手柄帶動(dòng)切割導(dǎo)向頭割除管壁涂層、銹層和附著海生物層。在進(jìn)行拆除時(shí),通過(guò)調(diào)整螺旋機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)磁性體與陰極脫離收縮回吸附穴內(nèi),保證整個(gè)犧牲陽(yáng)極體快速拆下。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)

2.1 強(qiáng)磁力吸附連接系統(tǒng)

1)陽(yáng)極屏涂料。為達(dá)到附著力強(qiáng)、耐沖擊、耐陰極剝離的效果,系統(tǒng)選用8702-4環(huán)氧膩?zhàn)有完?yáng)極屏涂料,其附著力為2.64 MPa,耐沖擊(3J),無(wú)開(kāi)裂、無(wú)剝落、耐鹽霧(I級(jí)),耐電位(30D,-3.5 V),無(wú)起泡、無(wú)粉化。

2)吸附材料選擇。為保證制成的產(chǎn)品具有永磁體體積小、吸力大且平穩(wěn)等特性,經(jīng)分析對(duì)比,選用磁性能穩(wěn)定、高矯頑力、高磁能積的永磁體新型釹鐵硼材料作為吸附材料。

3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。強(qiáng)磁力吸附連接系統(tǒng)是強(qiáng)磁力吸附陽(yáng)極的關(guān)鍵部分,通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定永磁體在犧牲陽(yáng)極塊結(jié)構(gòu)內(nèi)的布置位置,根據(jù)上述吸附原理設(shè)計(jì)的吸附連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 吸附連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

磁體固定架與連接螺桿之間為焊接連接,釹鐵硼磁體通過(guò)磁力與2片導(dǎo)磁片固定,并通過(guò)磁體固定架與連接螺桿形成一個(gè)整體;利用專用模具將整體結(jié)構(gòu)使用聚氨酯澆注在一起,形成單個(gè)吸附模塊。

單個(gè)吸附模塊與犧牲陽(yáng)極體之間利用固定螺母及墊片連接,由于犧牲陽(yáng)極體上加工的孔略大于單個(gè)磁吸附模塊的對(duì)應(yīng)尺寸,因此,單個(gè)磁吸附模塊在犧牲陽(yáng)極體內(nèi)可以進(jìn)行小范圍位置和方向調(diào)整,以利于整體安裝固定。

在犧牲陽(yáng)極體上裝入4只單體磁吸附模塊,進(jìn)行水下安裝時(shí),犧牲陽(yáng)極體由水面吊放至相應(yīng)位置后,潛水員推動(dòng)犧牲陽(yáng)極體與海洋平臺(tái)樁管外壁貼合,使4只單個(gè)磁吸附模塊與樁管外壁良好吸合,并利用專用工具適當(dāng)擰緊4只固定螺母,使?fàn)奚?yáng)極體固定在所安裝的位置。進(jìn)行拆除時(shí),潛水員在水下利用工具盡量擰松4只固定螺母,使4只單個(gè)磁吸附模塊與樁管外壁分別脫離,整個(gè)犧牲陽(yáng)極體即可拆下。

加工的強(qiáng)磁力吸附系統(tǒng)實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 吸附系統(tǒng)實(shí)物

4)陽(yáng)極塊受力分析。

(1)計(jì)算條件。最大作業(yè)水深20 m(含天文潮和風(fēng)暴潮),設(shè)計(jì)波高5.5 m,波浪周期7.6 s,海流2.5 kn。

(2)波流載荷計(jì)算。陽(yáng)極塊為小尺度構(gòu)件,當(dāng)D/L≤0.2時(shí),波浪載荷采用Morison公式進(jìn)行計(jì)算:

Fw=FD+FI

(1)

式中:Fw為垂直作用于單位長(zhǎng)度構(gòu)件上的波浪力;FD為單位長(zhǎng)度上的拖曳力;FI為單位長(zhǎng)度上的慣性力。

(2)

式中:ρ為海水密度;CD為拖曳力系數(shù);A為單位長(zhǎng)度構(gòu)件在垂直于矢量un方向上的投影面積;un為與構(gòu)件軸向垂直的相對(duì)速度矢量。

(3)

海流載荷為

(4)

式中:us為流速。

實(shí)際工況中,因波浪與海流載荷同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上,因此在計(jì)算中需要考慮波流的耦合作用,拖曳力計(jì)算如下。

(5)

式中:Fd為垂直作用于單位長(zhǎng)度構(gòu)件上的拖曳力。

根據(jù)工作水深、波流參數(shù)及陽(yáng)極尺寸,選用斯托克斯五階波理論進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)模擬計(jì)算,作用在陽(yáng)極塊上的最大波浪力為5.52 kN。

(3)陽(yáng)極塊強(qiáng)度分析。利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)陽(yáng)極塊受力情況進(jìn)行分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建模中采用SOLID45單元用于模擬導(dǎo)管架立管和陽(yáng)極塊結(jié)構(gòu)。陽(yáng)極塊與導(dǎo)管架立管之間依靠磁鐵進(jìn)行連接,模型中根據(jù)兩者實(shí)際連接位置通過(guò)設(shè)定主從節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬二者之間的約束關(guān)系,計(jì)算時(shí)將導(dǎo)管架立管底部全約束進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 計(jì)算模型

陽(yáng)極塊采用鋁合金,屈服強(qiáng)度為85 MPa,安全系數(shù)取為0.8,許用應(yīng)力為68 MPa。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5,陽(yáng)極塊最大計(jì)算應(yīng)力為5.831 MPa,小于許用應(yīng)力,強(qiáng)度滿足要求。

圖5 計(jì)算結(jié)果

2.2 陽(yáng)極與鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電形式

1)導(dǎo)電極材料選擇。導(dǎo)電電極一般采用銅鎳合金和鈦基合金,在經(jīng)過(guò)比較和性能指標(biāo)對(duì)比之后選擇鈦基合金材料制作導(dǎo)電電極,鈦及其合金在飛濺區(qū)如潮汐區(qū)具有優(yōu)越的耐蝕性,在飛濺區(qū)、潮汐區(qū)雖鈦上有沉積物,但能有充分的氧使鈦維持純化,在飛濺區(qū)、潮汐區(qū)鈦沒(méi)有腐蝕。

因?yàn)殁伒臉O化特性,鈦與鋼組成的電極對(duì)所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕要比銅低,鋼-銅電極對(duì)中鋼的失量要比鋼-鈦電極對(duì)中大7倍?；谏鲜隹紤],選擇鈦基合金作為導(dǎo)電電極材料。

2)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要使?fàn)奚?yáng)極塊與被保護(hù)水下鋼鐵結(jié)構(gòu)物之間形成完整的回路,就要保證導(dǎo)電極與樁管外壁良好接觸,導(dǎo)電極需要穿透管壁涂層、銹層和附著海生物層,為此進(jìn)行導(dǎo)電極結(jié)構(gòu)和與犧牲陽(yáng)極材料之間嵌入結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì),研發(fā)導(dǎo)電極的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 導(dǎo)電極結(jié)構(gòu)示意

導(dǎo)電極的頂部設(shè)計(jì)參考鉆頭形式,為了便于刮除接觸點(diǎn)附著物,將彈簧裝在密封結(jié)構(gòu)中是避免彈簧在海水中浸泡銹蝕。

在陸上準(zhǔn)備時(shí),將導(dǎo)電極安裝在犧牲陽(yáng)極體上相應(yīng)的位置,轉(zhuǎn)動(dòng)操縱桿檢驗(yàn)導(dǎo)電極的轉(zhuǎn)動(dòng)情況后就可以進(jìn)行水下安裝。

3 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹闄z驗(yàn)在磁吸附狀態(tài)下,強(qiáng)磁力吸附陽(yáng)極針式電極的導(dǎo)電效果及耐腐蝕情況,同時(shí)檢驗(yàn)經(jīng)防腐蝕處理后的吸附磁鐵耐腐蝕情況和消退磁情況,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2)實(shí)驗(yàn)方法。參照GB/T 17848-1999《犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行。

3)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括直流電源、電量計(jì)、電流表、可調(diào)電阻、容器、輔助陰極、模擬結(jié)構(gòu)、犧牲陽(yáng)極、海水等。磁吸附犧牲陽(yáng)極效能實(shí)驗(yàn)框圖見(jiàn)圖7。

圖7 磁吸附犧牲陽(yáng)極效能實(shí)驗(yàn)

模擬結(jié)構(gòu)鋼管見(jiàn)圖8,一半用于貼附犧牲陽(yáng)極,一半無(wú)犧牲陽(yáng)極。每半面的下部留有裸露面,其余部分涂絕緣漆進(jìn)行防護(hù),目的是增加實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)前稱重,并檢查裸露部分的表面平整情況,實(shí)驗(yàn)稱重,并觀察表面腐蝕程度。

圖8 模擬結(jié)構(gòu)件

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖9。

圖9 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。按標(biāo)準(zhǔn),每天測(cè)量一次陽(yáng)極試樣的工作電位。10 d后的結(jié)果見(jiàn)圖10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水下強(qiáng)磁力吸附陽(yáng)極在結(jié)構(gòu)形式和吸附材料上加以改進(jìn),對(duì)犧牲陽(yáng)極的工作電位沒(méi)有影響。

圖10 犧牲陽(yáng)極工作電位隨時(shí)間的變化

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上,加工了針對(duì)海洋平臺(tái)直徑分別為1 200 mm和600 mm桿件的水下快速防護(hù)犧牲陽(yáng)極,并于埕北1A平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖11)。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

現(xiàn)場(chǎng)安裝前后共耗時(shí)55 min,比焊接陽(yáng)極安裝方式在效率上提高了6倍。安裝后于2個(gè)月后在海試現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作電流密度和工作電位的測(cè)量,實(shí)測(cè)電位1.1 V,工作電流密度0.7 mA/cm2,與原陽(yáng)極效果一致。

5 結(jié)論

1)永磁吸附式犧牲陽(yáng)極與常規(guī)水下焊接陽(yáng)極相比,安裝設(shè)備與方式更為簡(jiǎn)化,可大大減少水下安裝更換時(shí)間,提升施工安全性。

2)新型結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)電極具有導(dǎo)通性穩(wěn)定和水下施工便利的特點(diǎn)。

3)新型強(qiáng)磁力吸附陽(yáng)極可以推廣應(yīng)用到有相同條件的其他海洋工程結(jié)構(gòu)物上。