基于縮比模型的導管架平臺外加電流陰極保護系統優化設計

劉福國,張國慶,張偉,尹鵬飛,韓笑晨,韓冰

(1.中國海洋石油總公司海洋石油工程股份有限公司,天津300451; 2.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司,山東青島266071;3.昆明理工大學,昆明650500)

基于縮比模型的導管架平臺外加電流陰極保護系統優化設計

劉福國1,張國慶1,張偉2,尹鵬飛2,韓笑晨3,韓冰2

(1.中國海洋石油總公司海洋石油工程股份有限公司,天津300451; 2.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司,山東青島266071;3.昆明理工大學,昆明650500)

目的研究遠地式輔助陽極發生電流單元的改變和距離平臺的相對位置對平臺電位分布及保護程度的影響。方法以位于渤海灣JZ120-1在役導管架平臺為原型,構建了一個1∶20的縮比模型。在平臺底部一定距離處放置一座遠地式輔助陽極,研究恒電流下輔助陽極與平臺底部間距和輔助陽極發生電流單元的改變對平臺電位分布及其保護程度的影響。結果單座遠地陽極即可實現對整座平臺的腐蝕控制。輔助陽極距離平臺越遠,平臺表面電位差越小,電位分布越均勻;輔助陽極距離平臺越近,單支陽極較四支陽極保護下的平臺表面電位差越大,距離越遠,電位差越小,距離相同時,4支陽極較單支陽極保護下的平臺表面電位差小,電位分布更均勻。盡管海水稀釋20倍,鈣質沉積層的沉積與覆蓋仍是影響平臺表面電位分布的重要因素。結論輔助陽極發生電流單元的數量、距離平臺的相對位置以及鈣質沉積層的覆蓋是影響平臺表面電位分布和保護程度的重要因素。

外加電流陰極保護;縮比模型;優化設計;海洋平臺

海洋石油平臺水下結構的腐蝕控制主要有犧牲陽極法和外加電流法,我國有各類海洋平臺400多座,90%以上采用犧牲陽極法。相較于外加電流法,犧牲陽極法采用陸地一次性安裝,無需后期維護,工藝可復制性強,設計和工程應用歷史久,工程經驗豐富,標準和規范完善,很好地滿足了復雜海洋環境下的腐蝕防護需求。犧牲陽極法的缺點也比較突出。

1)犧牲陽極的冶煉對資源和能源的消耗巨大,大量污染廢棄物的排放對空氣、水、土壤造成嚴重的生態污染和破壞。

2)犧牲陽極的溶解釋放大量的Al,Zn,In,Mg及其他重金屬離子,存在潛在海洋生態污染隱患[1]。

3)大量犧牲陽極的安裝對平臺的載荷能力提出了更高的要求,尤其是深水平臺,犧牲陽極用量達上千噸,增加了平臺設計和建造成本。

外加電流法盡管其一次性投入較大,全壽命期進行需要維護與保養,但并不存在上述幾個方面的問題,屬于節約資源、環境友好型技術。雖然外加電流不能像犧牲陽極那樣均勻地分布在被保護鋼結構的表面,實現保護電流的均勻分布,但是通過優化輔助陽極的數量及輔助陽極與平臺的相對位置等設計參數,亦能實現對被保護體的全面腐蝕控制。外加電流法不僅適用于新建平臺,更適用于在役平臺陰極保護系統的延壽修復[2]。

結構表面電位分布的均勻性是評價陰極保護系統設計的重要指標[3],尤其是外加電流陰極保護法。原因是外加電流系統中輔助陽極的數量較少,發生電流單元集中且發生電流大,易發生被保護物靠近輔助陽極區域過保護和較遠區域或屏蔽嚴重區域的欠保護危險[4—5]。

外加電流陰極保護系統優化設計的方法有2種:數值模擬法和縮比模型法。數值模擬法是在傳統陰極保護設計基礎上,利用計算機邊界元程序求解描述陰極保護電場的偏微分方程,進而得到陰極保護的最佳化設計,預測被保護構筑物表面電位分布[6—8]。陰極保護電位分布數值計算模型多是針對穩態分布型模型展開的,而實際的陰極保護體系狀態隨時間發生變化,如陰極極化過程中鋼表面鈣質沉積層的沉積與覆蓋是一個動態過程。因此邊界條件中陰極表面電位與電流密度函數隨時間會不斷變化,僅根據某一時刻的電位與電流密度函數關系描述整個陰極極化過程,結果的可靠性和可信度難以保證[7]。

縮比模型法是利用被保護物的縮比模型優化預測分析被保護物表面電場,將平臺的外形尺寸、陰極保護系統參數等物理量按一定比例縮放,同時將海水的電導率也縮比相同的比例。該方法能復制平臺復雜幾何形狀,而不依賴任何所用材料的極化曲線等電化學數據,具有節省時間、降低成本的優點,現已在船體陰極保護設計中得到應用[3,9—11]。可以看出,縮比模型法的局限性也很突出,比如1個縮比模型只能模擬1種結構,如果需要對不同結構形狀的被保護體進行優化設計,必須構建不同的與之對應的縮比模型。數值模擬法則只需在計算機中更改模型設計,即可實現對模型的優化設計,相較于縮比模型法更加便捷。

文中以渤海灣某在役采油平臺為原型,基于縮比模型理論,建立該平臺的縮比模型,通過在平臺底部海床上放置一座遠地式輔助陽極,研究遠地式輔助陽極發生電流單元的改變和距離平臺的相對位置對平臺電位分布及保護程度的影響。

1 實驗

實驗設施包括平臺縮比模型、實驗水池、外加電流系統和平臺電位分布監檢測系統等。

1.1 平臺模型

平臺模型是以渤海灣JZ120-1在役導管架平臺為原型,以1∶20比例縮小制作,模型為平臺水下結構部分,不考慮上層建筑的模擬。縮比后模型高129 cm,由Q235鋼管材焊接而成,面積為3.64 m2,如圖1所示。

圖1 導管架平臺縮比模型和參比電極分布Fig.1 The physical scale model of the Jacket platform and the reference electrode distribution

1.2 實驗水池

實驗水池建在室內,水池內部尺度為4.1 m× 3.0 m×2.1 m,池壁和池底均標有刻度線,如圖2所示。配有一套龍門吊裝裝置,實現平臺模型和輔助陽極的定位。試驗海水取自青島小麥島附近海域,按照1∶20稀釋,稀釋后電導率為2.00 ms/cm(校正到25℃)。

圖2 實驗水池Fig.2 The experimental pool

1.3 外加電流系統

外加電流陰極保護系統由一臺上海正方電子ZF-9型恒電位儀和輔助陽極組成。在一根φ3.0 mm的鈦基金屬氧化物絲上截出4段,每段的一端與銅導線連接并密封到聚四氟乙烯托架中,組成4支陽極單元,每支陽極單元鈦基金屬氧化物絲暴露長度為60.0 mm。將4支陽極分別固定到一張100 mm×100 mmPVC板的4個角上,然后將PVC板固定到混凝土底座上,成為一個遠地式輔助陽極,如圖3所示。輔助陽極的高20 cm,其中的4支陽極單元通過電線并聯到恒電位儀。

圖3 遠地式輔助陽極Fig.3 The remote auxiliary anode

1.4 電位分布監檢測系統

電位分布監檢測系統由全自動數據采集與存儲儀和參比電極組成。數據采集器為有8個電壓采集通道,輸入阻抗大于10 MΩ,電壓分辨率優于0.5 mV。參比電極為自制Ag/AgCl固溶體電極[12—13],在天然海水中放置30天,電位波動小于±5 mV,實驗過程中定期用飽和甘汞電極校正。

2 結果與討論

不管是新建平臺還是在役平臺,在進行外加電流陰極保護設計時,都需要根據平臺的結構、服役水深、海底輸油管網分布情況、服役區域海洋環境條件等因素來設計輔助陽極的結構與安裝方式。

由于導管架平臺內部結構緊湊,難有足夠的空間安裝排流量較大的輔助陽極。借鑒國外的海洋構筑物外加電流陰極保護設計經驗[2],選擇一種被稱為遠地式的輔助陽極進行優化設計。該輔助陽極被放置在平臺外側一定距離的海床上,通過平臺上部電源供電,實現對整個平臺的腐蝕控制。對于保護電流需求較大的海洋構筑物,國外的設計一般采用恒電流控制,原因是由于平臺被保護電流需求大,達到上千安培,恒電流控制較恒電位控制設備簡單,可靠性高,尤其是對于離岸較遠的海洋平臺,更換設備的運輸、安裝費用高。

在遠地式輔助陽極外加電流陰極保護設計中,輔助陽極的數量、結構和輔助陽極與平臺的相對位置是要考慮的一個重要因素。該實驗中,首先研究了在平臺周圍放置單座輔助陽極時平臺不同區域的電位分布情況;然后通過改變輔助陽極與平臺間距和輔助陽極發生電流單元數量時平臺電位分布及其變化規律。

2.1 單座輔助陽極保護

將單座輔助陽極放置于平臺安裝采油油井管束的一側,即圖1所示的平臺正前方,原因是較平臺的另外3側,油井一側結構復雜,被保護物面積大,保護電流需求大,易造成過保護和欠保護危險。

實驗采用恒電流控制。將單座輔助陽極放置于平臺采油管束的一側中心線上,陽極中心距離平臺底部外側0.4 m,如圖4所示。4支陽極單元并聯到恒電位儀的正極,負極連接到平臺上,給平臺施加150 mA的保護電流,保護電流密度為44.21 mA/m2,平臺表面不同區域被快速極化,電位迅速負移,5 h以后負移速度明顯減慢,到45 h時趨于穩定,如圖5所示。從圖1可以看出,5#和8#參比電極距離輔助陽極最近,因此該處極化最快,達到了-720 mV(相對飽和甘汞參比電極,下同),而2#參比電極處距離輔助陽極最遠,極化電位最正,為-680 mV,整座平臺并未達到保護電位范圍[4—5]。45 h時,將陽極保護電流調整為300 mA,保護電流密度88.42 mA/m2。此時,平臺整體電位再次快速負移,到70 h時,5#參比電極處電位最負,達到-960 mV,2#參比電極處電位最正,為-816 mV,整座平臺電位差約150 mV,平臺各個區域均處于保護電位區間,整個平臺達到了全面腐蝕控制,如圖5所示。

圖4 試驗水池俯視圖Fig.4 Top view of the experimental pool

圖5 輔助陽極距離平臺0.4 m保護電流150 mA和300 mA時的導管架電位分布Fig.5 The potential distribution at 150 and 300 mA protective current and 0.4m apart from the platform

需要指出的是,試驗開始時在平臺對稱位置放置了10處參比電極,數據采集器采集并存儲了其中1#～9#處的平臺電位,10#參比電極連接到恒電位儀上,以便實時監測平臺電位變化情況。另外,試驗開始的10 h內,7#參比電極電位波動較大,15 h后保持穩定,這也是圖5中7#參比電極處平臺電位數據缺失的原因。

由試驗結果可知,對于裸鋼平臺,在靜態海水中,單座遠地式陽極即可將平臺不同區域據極化到保護電位區間,實現對整座平臺的腐蝕控制。

2.2 保護距離和輔助陽極單元數對平臺電位分布的影響

將輔助陽極放置于采油管束一側平臺正前方池底,調整輔助陽極與平臺的間距和發生電流為整座(4支)陽極和單支陽極,研究平臺不同區域的電位分布及其變化規律。

保護電流為200 mA時,不同距離和不同陽極單元數平臺各個區域電位分布如圖6所示。圖6中 1和4分別指的是單支陽極和整座4支陽極發出相同保護電流時平臺不同位置的電位分布。可以看出,200 mA保護電流時,輔助陽極底座與平臺間距為0.2～0.8 m(相當于實際距離4.0～16.0 m)時,平臺不同區域電位均在保護電位區間內,達到對整個平臺的腐蝕控制。在同一保護電流和保護距離條件下,輔助陽極單元由1支變為4支時,平臺表面電位分布呈“收縮”態勢,即平臺表面最高保護電位和最低保護電位差值減小,平臺電位分布更加均勻。

施加200 mA保護電流時,輔助陽極與平臺不同距離下,發生電流為單支和4支陽極單元時平臺表面最低電位與最高電位的差值如圖7所示。可以看出,輔助陽極與平臺間距從0.2～0.8 m變化時,對單支陽極,平臺表面電位差分別為152.9,107.3, 79.3,63.3 mV,陽極距離平臺越遠,表面電位差越小,即電位分布愈加均勻;對4支陽極單元,平臺電位差分別為140.7,99.3,71.5,58.9 mV,與單支陽極的變化規律相同,即距離越遠,電位差愈小,電位分布越均勻,這與數值模擬的結果相一致[6]。在同一距離下,4支陽極單元時表面電位差均小于單支陽極,可見4支陽極較單支陽極保護更加均勻。陽極與平臺距離從0.2～0.8 m時,單支與4支陽極引起的整座平臺電位差的差值依次為12.2,8.0,7.8, 4.4 mV,即陽極與平臺越近,單支與4支陽極引起的平臺電位差越大,陽極與平臺越遠,平臺電位差別愈小,平臺電位分布愈加均勻。可以想象,當輔助陽極與平臺間距達到一定距離時,單支與4支陽極的區別可以忽略。

保護電流為40 mA時,不同距離和不同陽極單元下平臺電位分布和電位差的變化如圖8和圖9所示。與保護電流為200 mA一樣,保護電流為40 mA時,輔助陽極底座與平臺間距0.2～0.8 m,整個平臺得到全面的腐蝕控制。從0.2～0.8 m,單支陽極平臺表面電位差分別為46.0,32.0,26.0,23.1 mV,距離越遠,電位差越小,電位分布越均勻;對4支陽極,電位差分別為40.0,28.5,25.0,22.4 mV,亦即距離越遠,電位差愈小,電位分布越均勻。在同一距離下,4支陽極單元時表面電位差均小于單支陽極, 4支陽極較單支陽極保護更加均勻,單支與4支陽極平臺表面電位差的差值依次為6.0,3.5,1.0,0.7 mV。亦即陽極與平臺越近,單支與4支陽極引起的平臺電位差越大,陽極與平臺越遠,平臺電位差別愈小,平臺電位分布愈加均勻。

圖8 保護電流40 mA輔助陽極與平臺不同間距的平臺電位分布Fig.8 The potential distributions at 40 mA protective current and different distances

圖9 保護電流40 mA不同間距時單支和4支陽極平臺表面電位差Fig.9 The potential differences of one and four anode units at 40 mA protective current and different distances

需要指出的是,盡管后期保護電流調整為40 mA,相當于前期保護電流200 mA的1/5,但后期平臺表面電位整體負移程度卻超過前期。不管是單支陽極還是4支陽極,后期同一距離的平臺表面電位和電位差的差值均亦遠低于前期,電位分布較前期亦更加均勻。出現這種現象的原因是金屬表面形成鈣質沉積層的緣故,鈣質沉積層在鋼結構表面的沉積與覆蓋,阻礙了氧的擴散,從而降低了對電流的需求。同時,沉積層的覆蓋延展了陰極保護范圍,也使得金屬表面的電流分布更加均勻[14—15]。

金屬表面鈣質沉積層的沉積與覆蓋是陰極保護優化設計中重要的影響因素之一,盡管本實驗中海水被稀釋了20倍,試驗后期該因素的影響卻逐漸顯現,因此,在縮比模型優化設計中應予以考慮。

3 結論

1)靜態條件下,對26 m水深的導管架平臺,單座遠地式輔助陽極即可實現對整座平臺的腐蝕控制。

2)不管是單支陽極還是4支陽極,陽極距離平臺越遠,平臺電位差愈小,平臺電位分布越均勻;輔助陽極距離平臺越遠,平臺表面電位差越小,電位分布越均勻;輔助陽極距離平臺越近,單支陽極較4支陽極保護下的平臺表面電位差越大,距離越遠,電位差越小,距離相同時,4支陽極較單支陽極保護下的平臺表面電位差小,電位分布更均勻。

3)盡管海水稀釋20倍,鈣質沉積層的沉積與覆蓋仍是影響平臺表面電位分布的重要因素。

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Design Optimization of ICCP System for Jacket Platform Based on Physical Scale Model

LIU Fu-guo1,ZHANG Guo-qing1,ZHANG Wei2,YIN Peng-fei2,HAN Xiao-chen3,HAN Bing2

(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China;2.Qingdao Research Institute for Marine Corrosion, Qingdao 266071,China;3.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Objective To Study the effects of the change in current unit of the remote auxiliary anode and the spacing between the platform and the auxiliary anode on the distribution and protection of platform potential.Methods Based on the JZ120-1 jacket platform in the Bohai Bay,a 1∶20 physical scale model was built.At the bottom of the experimental pool,a remote auxiliary anode was placed at a certain distance apart from the scale model.Under a certain protection current, the effects of the spacing between the platform and the auxiliary anode as well as the change in current unit of the remote auxiliary anode on the distribution and protection of platform potential were studied.Results The corrosion control of the whole platform can be realized by a single-seat remote anode.The farther the distance between the auxiliary anode and the scale model,the smaller the platform surface potential diffference,and the more even the potential distribution.The closer the distance between the auxiliary anode and the scale model,the greater the potential difference between one anode unit and four anode units,while the farther the distance,the smaller the potential difference.Comparing with the one unit,the four anode units showed a smaller platform surface potential difference and a more even potential distribution at the same distance.Although the experimental seawater was diluted 20 times by running water,the calcareous sediments and covering were still important factors affecting the potential distribution on the platform surface.Conclusion The current unit amount of the auxiliary anode,the spacing of the platform and the auxiliary anode,and the covering of calcareous sediments were important factors affecting the distribution and protection of the platform surface potential.

ICCP;physical scale model;design optimization;offshore platform

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.024

TG174.41

:A

1672-9242(2014)05-0125-07

2014-06-18;

2014-07-02

Received:2014-06-18;Revised:2014-07-02

劉福國(1979—),男,天津人,博士,高級工程師,主要研究方向為材料腐蝕與防護。

Biography:LIU Fu-guo(1979—),Male,from Tianjin,Ph.D.,Senior engineer,Research focus:corrosion and protection of material.