, ,

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 上海環(huán)境工程技術(shù)分公司，上海 200030； 2. 中海油常州環(huán)保涂料有限公司，常州 213014)

某氣田位于南海東部海域的珠江口盆地，平臺(tái)所處海域水深約200 m。該平臺(tái)導(dǎo)管架均為裸鋼，僅靠犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)來(lái)防止腐蝕破壞。導(dǎo)管架下水1 000 d后，在水深98 m以下導(dǎo)管架的電位仍未達(dá)到最低保護(hù)電位要求。為保障平臺(tái)安全生產(chǎn)，平臺(tái)方?jīng)Q定追加一套陰極保護(hù)系統(tǒng)，使整個(gè)導(dǎo)管架盡快極化至保護(hù)電位。

1 導(dǎo)管架陰極保護(hù)狀況

該導(dǎo)管架安裝有陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄了導(dǎo)管架下水189 d后導(dǎo)管架各節(jié)點(diǎn)位置的電位(相對(duì)于Ag/AgCl參比電極，下同)和犧牲陽(yáng)極的輸出電流，分別見(jiàn)圖1和圖2。

由圖1可以看出：導(dǎo)管架下水后，不同水深的導(dǎo)管架電位差距較大；僅在水深15 m的淺水區(qū)導(dǎo)管架電位快速極化至保護(hù)電位，水深69 m和98 m處導(dǎo)管架電位達(dá)到保護(hù)電位的時(shí)間分別長(zhǎng)達(dá)230 d和942 d，水深129 m和164 m處導(dǎo)管架下水1 000 d后，其電位仍然未能達(dá)到保護(hù)電位。由于該平臺(tái)所處水深約為200 m，隨著水深的增加，壓力增大，CaCO3在水中的溶解度增大，鈣質(zhì)沉積層在導(dǎo)管架上沉積變慢[1-6]。在形成致密的鈣質(zhì)沉積層之前，每塊犧牲陽(yáng)極輸出電流的保護(hù)距離較短，隨著鈣質(zhì)沉積層的形成，導(dǎo)管架的電位差逐漸減小。

圖1 不同水深處導(dǎo)管架電位Fig. 1 The potentials of jacket at different depthes of water

由圖2可以看出：在平臺(tái)導(dǎo)管架下水的初期,犧牲陽(yáng)極的輸出電流較大，最高達(dá)到9 A左右，隨著水深的增加，犧牲陽(yáng)極的輸出電流增大。但隨著導(dǎo)管架電位的負(fù)移和鈣質(zhì)沉積層的形成，犧牲陽(yáng)極的輸出電流又逐漸減小。

在淺海區(qū)導(dǎo)管架表面容易快速形成鈣質(zhì)沉積層，在相對(duì)較小的陰極保護(hù)電流極化下，導(dǎo)管架電位能夠較快達(dá)到保護(hù)電位，犧牲陽(yáng)極的輸出電流也隨之降低;但深海區(qū)CaCO3的溶解度增大，初期電流密度偏小時(shí)，鈣質(zhì)沉積層在導(dǎo)管架上沉積緩慢，難以快速形成致密的鈣質(zhì)沉積層，所以深海區(qū)導(dǎo)管架電位達(dá)到保護(hù)電位的時(shí)間大大延長(zhǎng)，犧牲陽(yáng)極也一直維持在較高的電流輸出狀態(tài)。

2 陰極保護(hù)改造方案選擇

追加一套陰極保護(hù)系統(tǒng)，以提供更大的陰極保護(hù)電流，使整個(gè)導(dǎo)管架電位盡快極化至保護(hù)電位，并使原安裝的陽(yáng)極消耗速率降低，以達(dá)到30 a設(shè)計(jì)壽命的要求。下面就國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的陰極保護(hù)改造方式進(jìn)行介紹。

2.1 水下焊接犧牲陽(yáng)極

該方法通過(guò)水下焊接將犧牲陽(yáng)極固定在導(dǎo)管架上，如圖3所示。水下焊接固定犧牲陽(yáng)極可以提供良好的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)異的電連接性能，但是水下焊接電弧會(huì)使其周圍水發(fā)生熱分解產(chǎn)生氫，導(dǎo)致氫溶解到焊縫中，如果焊縫中氫含量超過(guò)允許值，很容易引起裂紋，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。由于水下焊接價(jià)格較高以及焊接質(zhì)量要求高等原因，只有在導(dǎo)管架直徑過(guò)大時(shí)才使用水下焊接固定安裝犧牲陽(yáng)極[7]。

圖3 水下焊接式犧牲陽(yáng)極Fig. 3 Sacrificial anode installed by underwater welding

2.2 卡箍固定犧牲陽(yáng)極

該方法是將單個(gè)或多個(gè)犧牲陽(yáng)極焊接在卡箍上，然后通過(guò)潛水員將卡箍固定安裝在導(dǎo)管架上，如圖4所示。卡箍固定犧牲陽(yáng)極適用于直徑0.8～1.8 m的管狀構(gòu)件,且不需要進(jìn)行水下焊接，但由于陽(yáng)極質(zhì)量較大，潛水員在水下需耗費(fèi)大量體力才能將陽(yáng)極移動(dòng)至導(dǎo)管架的指定位置[7]。

圖4 卡箍固定式犧牲陽(yáng)極Fig. 4 Sacrificial anode installed by hinged bracelet

2.3 犧牲陽(yáng)極串

采用該方法時(shí)，先將犧牲陽(yáng)極每隔一段距離鑄造在一根鋼絲繩上制成犧牲陽(yáng)極串，然后將陽(yáng)極串頂端固定在水上區(qū)域，并做好電連接，為保證安裝的犧牲陽(yáng)極串在海水中的穩(wěn)定性，至少要將陽(yáng)極串上的2支陽(yáng)極埋在海泥中，如圖5所示。陽(yáng)極串的安裝不需要水下作業(yè)，施工非常方便，安裝費(fèi)用低。犧牲陽(yáng)極串的平均壽命為3～5 a，適用于淺水平臺(tái)的短期延壽。

圖5 犧牲陽(yáng)極串Fig. 5 Sacrificial anode string

2.4 犧牲陽(yáng)極架

采用該方法時(shí)，首先將4支犧牲陽(yáng)極固定在一個(gè)陽(yáng)極架上，陽(yáng)極架底部的混凝土負(fù)重可保證陽(yáng)極架在海底的穩(wěn)定性,然后采用吊車將整個(gè)陽(yáng)極架吊裝放置到海底，如圖6所示。安裝過(guò)程中不需要潛水員在海底耗費(fèi)大量體力移動(dòng)陽(yáng)極，施工安全性大大提高。潛水員只需在海底將與犧牲陽(yáng)極架連接的電纜夾具固定在導(dǎo)管架上，然后擰緊電連接的螺栓即可。這種安裝方式施工時(shí)間短、費(fèi)用低，且不會(huì)給導(dǎo)管架增加額外負(fù)重[8]。

圖6 犧牲陽(yáng)極架Fig. 6 Sacrificial anode pod

2.5 拉伸輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)

采用該方法時(shí)，首先將多個(gè)陽(yáng)極固定在一條機(jī)械支撐作用的繩索上制成拉伸輔助陽(yáng)極，繩索的上端固定在平臺(tái)上部，繩索的下端由負(fù)重固定在海底[9-10]，并通過(guò)電纜供電為導(dǎo)管架提供外加電流。該方法有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是將拉伸輔助陽(yáng)極的機(jī)械支撐部分和供電部分完全分離(即支撐繩和電纜分離)，這就確保作用于系統(tǒng)中的機(jī)械力都集中在起支撐作用的鋼繩上，如意大利DE NORA公司的LIDA系統(tǒng)，如圖7所示；另一種是將支撐部分和電纜芯設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，電纜既起到供電作用，又起到支撐作用，如美國(guó)Galvotec公司的VTA系統(tǒng)，如圖8所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是安裝靈活，易于檢查修理；缺點(diǎn)是陽(yáng)極系統(tǒng)易受風(fēng)暴等外界因素破壞失效。

圖7 拉伸輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)(LIDA系統(tǒng))Fig. 7 ICCP system with tensioned auxiliary anode strings (LIDA system)

圖8 拉伸輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)(VTA系統(tǒng))Fig. 8 ICCP system with tensioned auxiliary anode strings (VTA system)

2.6 遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)

采用該方法時(shí)，遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極安裝在海底，距離導(dǎo)管架有一定距離，陰極保護(hù)電流會(huì)以均勻分布的方式分散到導(dǎo)管架表面，如圖9所示。該輔助陽(yáng)極的電纜可安裝在導(dǎo)管架預(yù)留的“J”型管內(nèi)，避免了輔助陽(yáng)極電纜被臺(tái)風(fēng)破壞失效。在海底，陽(yáng)極容易受重力作用被海泥掩埋，從而增加整個(gè)回路的電阻，同時(shí)陽(yáng)極也可能因海底的海泥或碎石而遭到損傷。為此，將輔助陽(yáng)極安裝在浮體內(nèi)，用足夠的負(fù)重把浮體錨固在海底，以保證陽(yáng)極浮在海底上方[10]。

3 陰極保護(hù)改造方案設(shè)計(jì)及安裝

由于導(dǎo)管架欠保護(hù)區(qū)域水深超過(guò)100 m，潛水員水下安裝需要采用飽和潛水，而飽和潛水的費(fèi)用高昂，所以不適宜采用水下焊接或卡箍固定安裝犧牲陽(yáng)極進(jìn)行深水陰極保護(hù)改造。犧牲陽(yáng)極串適用于淺水平臺(tái)陰極保護(hù)改造，但犧牲陽(yáng)極架的保護(hù)距離較短，適用于改造僅底部存在陰極保護(hù)不足的導(dǎo)管架，而該導(dǎo)管架在較大范圍內(nèi)(水深98 m以下)都處于欠保護(hù)狀態(tài)，因此也不適用該方法。南海海域臺(tái)風(fēng)較多，采用拉伸輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)時(shí)，電纜易受臺(tái)風(fēng)等外界因素破壞失效，因此該方法也不理想。遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)，具有陽(yáng)極安裝方便、平臺(tái)上電流分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，且輔助陽(yáng)極電纜安裝在"J"型管內(nèi)，可防止臺(tái)風(fēng)對(duì)電纜的破壞造成陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，故本次改造采用遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱ICCP系統(tǒng))。

圖9 遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)Fig. 9 ICCP system with remote auxiliary anodes

3.1 海水電阻率選取

海水電阻率是海水鹽度和溫度的函數(shù)。該氣田所處海域表面海水最高溫度為34.8 ℃，海底最低溫度為14.3 ℃，依據(jù)DNV-RP-B401-2011《海上構(gòu)筑物犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)》，海水鹽度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在3%～40%時(shí)，海水電阻率為18～23.5 Ω·cm。本工作中選取海水電阻率ρ為23.5 Ω·cm進(jìn)行計(jì)算。

3.2 保護(hù)電流計(jì)算

導(dǎo)管架在下水1 000 d后，水深小于98 m處導(dǎo)管架電位均達(dá)到保護(hù)電位，而水深超過(guò)98 m處導(dǎo)管架仍處于欠保護(hù)狀態(tài)。將導(dǎo)管架劃分為3個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的面積見(jiàn)表1。水深小于98 m處導(dǎo)管架電位已經(jīng)極化至保護(hù)電位，故新安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)僅需為水深超過(guò)98 m處導(dǎo)管架提供電流進(jìn)行極化，導(dǎo)管架初期極化所需的陰極保護(hù)電流見(jiàn)表2。

表1 導(dǎo)管架各區(qū)域的面積Tab. 1 The region areas in the jacket

表2 導(dǎo)管架初期需求電流Tab. 2 The initial current requirements for the jacket

導(dǎo)管架上原安裝了968塊鋁合金陽(yáng)極，其中區(qū)域1安裝了408塊、區(qū)域2安裝了560塊。鋁陽(yáng)極尺寸為2 825 mm×(260+280) mm×260 mm。

陽(yáng)極長(zhǎng)度L為282.5 cm，陽(yáng)極等效半徑r為16.9 cm，根據(jù)式(1)計(jì)算得單塊鋁陽(yáng)極的接水電阻R為0.042 Ω。再根據(jù)式(2)計(jì)算得目前區(qū)域2犧牲陽(yáng)極的初期輸出總電流為3 333 A，但區(qū)域2和區(qū)域3極化至保護(hù)電位共需要電流為4 866 A，因此，需安裝一套新的陰極保護(hù)系統(tǒng)，并提供1 532 A電流使區(qū)域2和區(qū)域3的導(dǎo)管架極化至保護(hù)電位。

3.3 ICCP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選取了美國(guó)Deepwater公司RetroBuoy ICCP系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)改造。共安裝4套ICCP系統(tǒng)，每套輸出電流500 A，可滿足導(dǎo)管架初期極化電流要求。每套ICCP系統(tǒng)包括1臺(tái)變壓整流器、1套R(shí)etroBuoy輔助陽(yáng)極、陽(yáng)極電纜和陰極電纜等。4套ICCP系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極安裝于海底，分別距離4個(gè)樁腿85 m，如圖10所示。

每套ICCP系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極包含12支MMO(mixed metal oxide)輔助陽(yáng)極，輔助陽(yáng)極安裝于4個(gè)浮筒內(nèi)，每個(gè)浮筒內(nèi)安裝3支MMO輔助陽(yáng)極，每支MMO輔助陽(yáng)極長(zhǎng)度L為116.8 cm，陽(yáng)極半徑r為1.6 cm，按式(1)計(jì)算得單支MMO陽(yáng)極的接水電阻R0為0.15 Ω，按式(3)計(jì)算得每套ICCP系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極接水電阻R1為0.035 7 Ω。

圖10 RetroBuoy遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極的安裝位置Fig. 10 Installation site of RetroBuoy auxiliary anode

式中：F為輔助陽(yáng)極接水電阻修正系數(shù)，取2.856。

每套ICCP系統(tǒng)的陽(yáng)極電纜和陰極電纜總長(zhǎng)度Le為500 m，每米電纜電阻Rm為55 μΩ/m，按式(4)計(jì)算得到電纜電阻R2為0.027 5 Ω。

R2=Le·Rm(4)

按式(5)計(jì)算得每套ICCP系統(tǒng)回路總電阻Rtot為0.063 2 Ω。

Rtot=R1+R2=0.063 2 Ω(5)

再按式(6)計(jì)算得變壓整流器最小輸出電壓為33.6 V。

Vtot=Itot·Rtot+2(6)

最終選取4臺(tái)直流輸出40 V/500 A的變壓整流器為導(dǎo)管架提供陰極保護(hù)電流。

3.4 ICCP系統(tǒng)安裝

RetroBuoy輔助陽(yáng)極海底安裝以及海底輔助陽(yáng)極電纜鋪設(shè)至平臺(tái)上，是ICCP系統(tǒng)安裝的難點(diǎn)。

在安裝輔助陽(yáng)極前，需對(duì)RetroBuoy輔助陽(yáng)極與陽(yáng)極電纜接頭的電連續(xù)性和密封性等進(jìn)行測(cè)試。并采用ROV(水下機(jī)器人)水下檢測(cè)輔助陽(yáng)極安裝區(qū)域是否存在碎石或凹坑等潛在隱患。

在工作船上，將4根輔助陽(yáng)極電纜卷在同一個(gè)電纜卷筒上，采用4根電纜同時(shí)收放的方式安裝，以避免電纜在海底出現(xiàn)纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，平臺(tái)人員將鋼絲繩從平臺(tái)預(yù)留的“J”型管頂部下放至海底，ROV在海底將輔助陽(yáng)極電纜和鋼絲繩進(jìn)行連接，平臺(tái)人員通過(guò)鋼絲繩牽引，將輔助陽(yáng)極電纜拉上平臺(tái)。然后采用電纜固定法蘭將4根輔助陽(yáng)極電纜固定在“J”型管頂部，電纜固定法蘭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

圖11 電纜固定法蘭結(jié)構(gòu)圖Fig. 11 The structure of cable fixing flange

將RetroBuoy輔助陽(yáng)極吊裝至指定位置時(shí)，為防止吊裝過(guò)程中電纜過(guò)度彎曲，采用了限彎器和鋼絲繩同時(shí)限位的方式進(jìn)行吊裝。在整個(gè)吊裝過(guò)程中，需要ROV全程監(jiān)控，以防輔助陽(yáng)極發(fā)生碰撞或者電纜出現(xiàn)異常情況。一旦出現(xiàn)異常情況，立即將輔助陽(yáng)極吊至甲板進(jìn)行維修。輔助陽(yáng)極放置完成后，通過(guò)ROV將多余的電纜在海底按照“S”型路線分布，并放置混凝土穩(wěn)定墊固定。

4 陰極保護(hù)改造效果

2016年6月6日，經(jīng)ICCP系統(tǒng)改造運(yùn)行3 a后，對(duì)導(dǎo)管架陰極保護(hù)狀況進(jìn)行檢測(cè)。表3為ICCP系統(tǒng)的變壓整流器輸出電壓和輸出電流數(shù)據(jù)，目前ICCP系統(tǒng)輸出電壓約為17 V，輸出總電流為767 A。

表3 變壓整流器輸出電壓和輸出電流Tab. 3 The output of transformer rectifiers

由表4可以看出:在運(yùn)行ICCP系統(tǒng)3 a后，導(dǎo)管架表面形成了良好的鈣質(zhì)沉積層，整個(gè)導(dǎo)管架電位非常均勻，在停用ICCP系統(tǒng)1 d后，導(dǎo)管架依然處于良好的保護(hù)狀態(tài)，犧牲陽(yáng)極的輸出電流已經(jīng)能滿足導(dǎo)管架達(dá)到保護(hù)電位所需要的電流。

由表5可以看出:ICCP系統(tǒng)運(yùn)行了3 a后,犧牲陽(yáng)極輸出的電流較導(dǎo)管架下水初期的大幅減小，大部分犧牲陽(yáng)極的輸出電流已小于1 A，這說(shuō)明導(dǎo)管架表面已經(jīng)形成了致密的鈣質(zhì)沉積層。用ICCP系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)架管原有陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造后,犧牲陽(yáng)極的輸出電流減小，犧牲陽(yáng)極的壽命將大大延長(zhǎng)。

表4 不同水深處導(dǎo)管架的電位Tab. 4 Potentials of jacket at different depths of water mV

表5 不同水深處犧牲陽(yáng)極的輸出電流Tab. 5 Output currents of anodes at different depths of water A

在關(guān)閉外加電流單獨(dú)運(yùn)行犧牲陽(yáng)極時(shí)，導(dǎo)管架依然能處于良好的保護(hù)狀態(tài)。說(shuō)明犧牲陽(yáng)極初期輸出的總電流雖然不足以使整個(gè)導(dǎo)管架快速極化至保護(hù)電位，但一旦形成致密的鈣質(zhì)沉積層，導(dǎo)管架所需的電流量大大降低，犧牲陽(yáng)極輸出的電流能夠滿足導(dǎo)管架中期維持電流要求。裸鋼在海水中所需的初期電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中期維持電流和末期電流，較大的初期電流下可快速形成致密的鈣質(zhì)沉積層。鎂鋁復(fù)合陽(yáng)極由于生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，應(yīng)用較少。質(zhì)量相同的翼型陽(yáng)極相比于傳統(tǒng)梯形陽(yáng)極，初期能輸出更大的電流，可大大減少導(dǎo)管架所需陽(yáng)極質(zhì)量，降低成本并減輕導(dǎo)管架負(fù)載，已成功安裝于墾利10-1平臺(tái)導(dǎo)管架上，并取得了理想的應(yīng)用效果[11]。

5 結(jié)論

(1) 當(dāng)初期電流偏小時(shí)，鈣質(zhì)沉積層在導(dǎo)管架上沉積較慢，難以快速形成致密的鈣質(zhì)沉積層，深海區(qū)導(dǎo)管架電位達(dá)到保護(hù)電位的時(shí)間大大延長(zhǎng)，犧牲陽(yáng)極也一直維持在較高的電流輸出狀態(tài)。

(2) 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)改造適合于淺水導(dǎo)管架的陰極保護(hù)改造，對(duì)于深水導(dǎo)管架陰極保護(hù)改造，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)具有安裝方便的特點(diǎn)。遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極電纜可安裝于導(dǎo)管架的“J”型管中，大大降低了臺(tái)風(fēng)損壞陽(yáng)極電纜造成陰極保護(hù)系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，適宜于臺(tái)風(fēng)較多的深水導(dǎo)管架陰極保護(hù)改造。

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