外加電流系統(tǒng)在自安裝采油平臺上的應(yīng)用

楊太年，趙準(zhǔn)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中海油電氣儀表自動控制技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452）

1 概述

本文所介紹的自安裝式采油平臺是一艘基于插銷式液壓升降的四樁腿自升式采油平臺，鋼質(zhì)非自航，適用于渤海灣海域進(jìn)行原油的生產(chǎn)、處理、儲存和外輸。平臺結(jié)構(gòu)終年處于海水及海洋大氣環(huán)境中，長期遭受腐蝕，盡管平臺已整體進(jìn)行涂裝防腐，但為確保樁腿水下部分結(jié)構(gòu)的安全性和使用年限，還須對平臺水下部分進(jìn)行陰極保護(hù)。由于樁腿需定期提升，樁腿水下部分不適宜采用犧牲陽極法保護(hù)。本工程采用外加電流陰極保護(hù)的方式對樁腿水下部分進(jìn)行陰極保護(hù)，以確保在其設(shè)計使用年限內(nèi)的安全及正常使用。

2 平臺介紹

2.1 樁腿及樁靴結(jié)構(gòu)

平臺主要由平臺主體、工藝處理系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)和樁腿組成，平臺主體采用了重防腐涂料和犧牲陽極聯(lián)合的保護(hù)形式。由于樁腿需要定期進(jìn)行提升，所以樁腿與平臺之間有30 mm的空隙，致使樁腿不能與平臺良好地接觸，平臺的陰極保護(hù)系統(tǒng)并不能對樁腿進(jìn)行保護(hù)，所以對樁腿考慮采用單獨的陰極保護(hù)系統(tǒng)。樁腿和樁靴的具體情況見表1。

表1 樁腿和樁靴情況 mm

2.2 平臺使用環(huán)境

作業(yè)水深：5～30 m（含天文潮和風(fēng)暴潮）；設(shè)計溫度：大氣設(shè)計溫度-15～40℃，最低海水設(shè)計溫度-2℃，最大相對濕度95%（+20℃時）；正常作業(yè)情況：設(shè)計風(fēng)速36 m/s，設(shè)計波高6.1 m，周期8.5 s；風(fēng)暴自存：設(shè)計風(fēng)速51.5 m/s，設(shè)計波高8.9 m，周期8.9 s；海流：1.23 m/s。

3 陰極保護(hù)防腐設(shè)計

3.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)的選擇

陰極保護(hù)系統(tǒng)分犧牲陽極和外加電流兩種保護(hù)形式，都能達(dá)到保護(hù)的效果，但是由于樁腿要定期進(jìn)行提升，且樁腿與固樁板之間的縫隙很小，陽極塊會阻礙樁腿的提升，所以考慮采用外加電流系統(tǒng)，經(jīng)過參考國際平臺的經(jīng)驗和專家的論證，最后選用斜拉式串裝輔助陽極保護(hù)形式，自動提升系統(tǒng)，既不影響樁腿的自動提升，又能對樁腿進(jìn)行有效的保護(hù)。

3.2 系統(tǒng)組成

本工程外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽極、恒電位儀、鋅鋁硅參比電極、自動提升系統(tǒng)等組成。

通過在平臺側(cè)面懸掛重塊，將輔助陽極通過專用電纜固定在水中，陽極通過海水介質(zhì)對樁腿水下部分形成有效保護(hù)。

3.3 外加電流系統(tǒng)計算

3.3.1 保護(hù)面積計算

自安裝式采油平臺位置處水深24.1 m，樁靴入泥深度9.3 m，海水電阻率28Ω·cm，極端高水位（50年一遇）+2.70 m，極端低水位（50年一遇）-1.2 m，樁腿內(nèi)部不進(jìn)水進(jìn)行設(shè)計計算，見表2。

表2 保護(hù)面積計算 m2

3.3.2 電流計算

根據(jù)樁腿、樁靴已經(jīng)整體涂裝的實際情況，DOC-JUGEN-01《自安裝采油平臺總說明書》中規(guī)定：“最小保護(hù)電流密度根據(jù)船東提供的平臺工作環(huán)境參數(shù)，樁腿電流密度海水中取60 mA/m2，海泥區(qū)取25 mA/m2。”

由此，本陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)電流總計為：I總=S1×J1+（S2+S3）×J2=78.8 A。

3.4 主要設(shè)備和材料選型

3.4.1 鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽極

考慮到外海的水流較大，且在海底附近有泥沙的沖刷，故選用鈦基金屬氧化物（MMO） 管狀陽極，規(guī)格為φ25 mm，L1 000 mm，額定輸出電流25 A，在輔助陽極外安裝一個非金屬多孔防護(hù)罩，用以減小海水沖刷，同時由于是多孔護(hù)罩，并不影響陰極保護(hù)電流的正常發(fā)散。陽極技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽極技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《自安裝式采油平臺外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)計算書》，整個系統(tǒng)需要總保護(hù)電流為78.8 A，所以共采用4支管狀陽極即可滿足電流需求。

陽極電纜采用耐海水腐蝕且具有一定強度的CJY93/SC交聯(lián)聚乙烯船用SC型電力電纜。該電纜內(nèi)部含有抗拉伸鋼絲，具有一定的強度，外部采用耐海水性能較好的絕緣皮，能夠承受較大的拉力，使重塊順利提升。且此電纜已經(jīng)在國外深、淺海平臺應(yīng)用。如圖1。

圖1 陽極電纜

3.4.2 恒電位儀

用作直流電源的恒電位儀，具有技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，環(huán)境適應(yīng)性強等特點，其外殼應(yīng)采用防干擾的金屬外殼，并進(jìn)行妥善的防腐處理，其性能指標(biāo)、適應(yīng)環(huán)境的能力應(yīng)滿足GB/T 3220—1984《船用恒電位儀技術(shù)條件》的規(guī)定。

3.4.3 參比電極

由于本工程的特殊性，參比電極應(yīng)具有極化小，穩(wěn)定性好，不易損壞，使用壽命長等特性，并應(yīng)適用所處的環(huán)境介質(zhì)，其規(guī)格、型號、技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)滿足GB/T 7387—1999《船用參比電極技術(shù)條件》的規(guī)定。

選用的Zn參比電極測量鋼樁相對于電解質(zhì)的電位，作為本工程檢測、監(jiān)控用電極，其性能符合GB/T 7387—1999規(guī)定。本工程采用2個參比電極，參比電極固定在樁腿上。安裝圖見圖2，參比電極電化學(xué)性能見表4。

圖2 參比電極安裝圖

表4 鋅鋁硅參比電極電化學(xué)性能

3.4.4 提升系統(tǒng)的選取

由于外加電流系統(tǒng)需要定期提起，而且沉塊為100 kg，在提升時又有淤泥的吸力，采用人工操作非常困難，所以設(shè)計中采用了電動提升裝置，選取設(shè)備規(guī)格如下：額定拉力10 kN；速度5～10 m/min；承載力1.5 t（沉塊為100 kg，沉塊放在船甲板上，向上拉起時瞬時拉力較大，可增大承載力）；電機(jī)功率2.2 kW。

4 陰極保護(hù)系統(tǒng)的安裝

4.1 輔助陽極的安裝

輔助陽極與陽極電纜采用密封連接，然后通過船用電纜承重，使陽極按設(shè)計標(biāo)高固定于水中，對鋼樁進(jìn)行保護(hù)。陽極電纜與輔助陽極、沉塊連接示意如圖3。

圖3 沉塊連接圖

4.2 電纜布置

供電電纜根據(jù)總設(shè)計方的要求進(jìn)行布線，關(guān)鍵是參比電極電纜的布置，由于參比電極嵌套在樁腿內(nèi)，電纜只能從樁腿內(nèi)部引出至平臺，考慮到樁腿提升對電纜的影響，采用如下方式對電纜進(jìn)行固定。

1） 固定用的鋼絲繩采用直徑為10 mm的不銹鋼鋼絲繩；

2） 在固樁室頂部、樁腿頂部焊接固定鋼絲繩的支架并做防腐處理；

3） 利用拆卸方便的花籃螺絲拉緊鋼絲繩；

4） 為了防止電纜在樁腿頂部處磨損，在可能磨損到的部位增加膠皮套。

4.3 電纜的連接

電纜的約束會影響系統(tǒng)的提升，所以在供電電纜與提升系統(tǒng)的連接點和參比電極電纜與樁腿出現(xiàn)口采用航空插拔式密封接頭，這樣在系統(tǒng)需要提升的時候，就可以把電纜分開，使系統(tǒng)能夠順利地進(jìn)行提升。

5 調(diào)試

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝檢測完畢，樁腿下水后需進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，具體步驟如下：

1） 調(diào)試之前，確認(rèn)所有電纜連接正確、保險絲安裝正確、螺絲安裝牢固。

2）系統(tǒng)通電調(diào)試之前，記錄參比電極初始電位。

3）以恒電位儀額定輸出電流的20%供電，分別記錄恒電位儀輸出電流（Current）、輸出電壓（Voltage）以及參比電極電位（R1，R2）。穩(wěn)定30 min后，再次記錄。

4）依次將恒電位儀加載到額定輸出電流的40%、60%、80%、100%，記錄恒電位儀輸出電流、輸出電壓以及參比電極電位。每次調(diào)整前均需穩(wěn)定30 min，并記錄輸出電流，輸出電壓以及參比電極電位。

5） 以上調(diào)試過程中，若樁腿保護(hù)電位達(dá)到0～0.25 V（相對于鋅參比電極）范圍，則保持現(xiàn)有電流輸出，將控制方式改為恒電位控制，2 h后記錄輸出電流，輸出電位，參比電極電位。保持現(xiàn)有的恒電位控制方式，24 h和48 h后分別記錄輸出電流，輸出電位，參比電極電位。

6） 如果樁腿一直未達(dá)到0～0.25 V（相對于鋅參比電極）保護(hù)電位范圍，需再次檢查所有電纜連接是否正確。

7） 如果在使用過程中參比電極失效，應(yīng)將恒電位儀調(diào)整為手動模式，并采用便攜式Ag/AgCl參比電極測量樁腿電位，作為恒電位儀輸出電流調(diào)整依據(jù)。若樁腿保護(hù)電位達(dá)到-0.8～-1.05 V（相對于便攜式Ag/AgCl參比電極），則保持現(xiàn)有電流輸出。

6 結(jié)語

在經(jīng)過一段時間的調(diào)試后，陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電位達(dá)到了規(guī)范要求，并能穩(wěn)定地運行。

本工程在實際應(yīng)用中，采用了國際上先進(jìn)的串裝陽極技術(shù)，并且在原有基礎(chǔ)上增加了自動提升系統(tǒng)，既保證了樁腿得到良好的保護(hù)，又不影響樁腿的自由提升。本技術(shù)為國內(nèi)自動提升式平臺上陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并可以推廣應(yīng)用到深海平臺的陰極保護(hù)系統(tǒng)改造工程，為深海平臺的陰極保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)提供技術(shù)參考。

[1]GB/T 3108—1999，船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)[S].

[2]JTS153-3—2007，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB/T 7387—1999，船用參比電極技術(shù)條件[S].

[4]BSEN 12495：2000，近海固定式鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)[S].

[5]GB/T 7388—1999，船用輔助陽極技術(shù)條件[S].

[6]GB/T 3220—1984，船用恒電位儀技術(shù)條件[S].