水下生產設施陰極保護系統設計

錢思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

水下生產設施陰極保護系統設計

錢思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

對于深水水下油氣開采，水下生產系統的開發模式已經成為主流的深海油氣開采模式，水下生產系統包含有水下采油樹、海底管匯、海管終端、水下分配單元等等眾多水下生產設施，且由于水下系統的高可靠性和不可維護性的特點，對于這些深水水下生產設施的陰極保護設計就顯得尤為重要。本文主要依據2011年版DNV RP B401陰極保護設計標準，介紹了水下生產設施陰極保護的設計理念和設計過程，同時也簡述了深水環境下陰極保護設計所需注意的主要事項。

水下生產設施；陰極保護；DNV-RP-B401

1 設計原則

水下生產設施通常結構形式復雜，包含有管線、閥門、管支架、控制系統分配單元等部件，因此可供犧牲陽極布置的空間較小，為了減少犧牲陽極用量，通常對水下設施的防腐主要采用犧牲陽極和水下防腐涂層聯合保護的方案。

水下生產設施通常不可維護和保養，因此要求水下設施必須具有較高的可靠性，出于此目的，水下生產設施的選材要求通常較常規海洋設施更高，因此對水下生產設施的陰極保護系統設計必須考慮陰極保護同不同金屬材料的匹配性問題，尤其對于某些高強鋼更應該注意陰極保護對其的影響，考慮適當的絕緣等措施，避免出現氫脆等過保護現象。

2 設計基礎

2.1 設計環境參數和工藝參數

設計環境參數主要指海水溫度、海水鹽度、pH值、海水/海泥電阻率、氧化還原電位；設計工藝參數主要包括水下設施鋼結構陰極保護部位的長度、管徑、陽極類型、陰極保護極化電位和需要的電流密度等。

2.2 水下生產設施表面積的計算

水下生產設施表面積的計算包括主體結構和附屬物，主要分為涂層覆蓋區域、裸鋼區域和海泥區域，分別計算出各個區域的鋼結構表面積。

2.3 設計過程

水下生產設施陰極保護設計的最終結果是得到合理的陽極重量和陽極塊數，這個過程中會涉及到三個陽極塊數。

2.4 根據初期需要的保護電流確定的陽極塊數

首先需要確定需要的保護電流密度，根據DNV-RP-B 401（附錄A）進行選取，該電流密度與水深和溫度有關，通常南海熱帶地區深海水下推薦的保護電流密度如表1：

表1 陰極保護所需電流密度

2.5 水下生產設施陰極保護電連續設計

水下生產設施通常存在有螺栓、鉸鏈等機械連接結構，同時針對典型的水下海管終端、水下管匯等設施，管線上通常不單獨設計陽極，依靠主結構上陽極來保護，而管線支架墊有絕緣墊板，與主體鋼結構絕緣，保護電流無法到達管線上，需額外考慮電連接。同時，對于機械連接方式，連接電阻較大，同時連接縫隙處若發生銹蝕將進一步增加連接電阻，影響影響陽極輸出電流的均勻分布，進而影響整體陰極保護效果，因此對水下生產設施的陰極保護必須考慮電連續性設計。

對于水下生產設施的電連接設計，可以采用齒形墊片和電連接導線的方式。對典型水下管匯/海管終端管線與主結構的電連接，可以在管線支架和管線上焊接帶螺栓孔的鋼制接線基板，然后采用帶齒形墊片的螺栓螺母來連接電導線，齒形墊片可以咬合進入接線板和導線耳表面，保證管線和主體鋼結構間的電連續性，保證一定的伸縮余量，以免管線位移或其他施工碰撞而將導線扯斷。

2.6 水下生產設施鋼結構上陽極的安裝布置

確定了滿足水下生產設施陰極保護所需要的陽極數量之后，需要進行陽極的安裝布置設計，具體的原則如下：①陽極的安裝應盡量保證均勻分布；②陽極應焊接在結構物內側，防止下水安裝時將陽極損壞；③陽極應安裝在結構物保護面積集中的部位；④在后續的涂敷涂層作業過程中，已安裝好的陽極必須被很好的保護起來以保證陽極表面干凈清潔。

3 結論和建議

1）根據水下生產設施陰極保護系統設計過程，得出了三個陽極塊數：根據初期需要的保護電流確定的陽極塊數；根據設計壽命得到的陽極塊數；根據末期需要保護電流得到的陽極塊數。選取三者當中最多的陽極塊數進行校核，分別校核初期/末期保護電流和設計壽命是否滿足需要。

2）因水下生產設施和周邊海管等其他結構的陰極保護都是獨立設計，所以要保證各自陰極保護計算的陽極數量足夠并且布置合理，互不干擾。

3）水下生產設施的陰極保護設計必須考慮電連續性設計。

4）陽極的安裝布置應結合現場實際情況酌情處理，應盡量保證均勻分布在水下生產設施保護面積集中的區域。

[1] 利軍，王春升，郭宏.水下生產系統清管方案研究[J].化工設備與管道，2013，50（S2）：79-80.

Design of Cathodic Protection System for Underwater Production Facilities

Qian Si-cheng

At present，the development model of underwater oil and gas exploitation and underwater production system has become the mainstream deep-sea oil and gas exploration mode.Underwater production system includes underwater oil production tree，submarine manifold，sea pipe terminal，underwater distribution unit And many other underwater production facilities，and because of the underwater system of high reliability and non-maintainability of the characteristics of the deepwater underwater production facilities for the cathodic protection design is particularly important.Based on the design of DNV RP B401 cathodic protection design in 2011，this paper introduces the design concept and design process of cathodic protection in underwater production facilities.At the same time，it also highlights the main issues needing attention in cathodic protection design in deep water environment.

underwater production facility；cathodic protection；DNV-RP-B401

TG174.41

A

1003–6490（2017）05–0046–01

2017–04–20

錢思成（1981—），男，天津人，工程師，主要從事海洋石油工程水下系統與產品研究設計工作。