張力腿平臺犧牲陽極陰極保護設計研究

蔡伊揚 尚世超 劉玉軍

（1. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司 深圳518000；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

張力腿平臺犧牲陽極陰極保護設計研究

蔡伊揚1尚世超2劉玉軍1

（1. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司 深圳518000；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

針對張力腿平臺下浮體的防腐設計，進行陰極保護方面的研究：首先分析了外加電流陰極保護方法和犧牲陽極陰極保護方法的特點，選擇后者作為保護措施；然后結合犧牲陽極陰極保護機理，比對國標和DNV等規范提供的相關陰極保護設計方法的異同，選擇后者作為設計準則；最后以某張力腿平臺為例進行基于DNV RP B401規范的犧牲陽極陰極保護設計。研究表明：犧牲陽極陰極保護技術成熟，DNV RP B401規范設計過程較為周詳，能應用于張力腿平臺下浮體的陰極保護設計。

張力腿平臺；陰極保護；犧牲陽極；DNV RP B401

引 言

海洋環境具有極強的腐蝕性，會直接影響海洋結構物的服役安全和使用壽命，甚至會引發安全事故［1］，是張力腿平臺需要面對的關鍵問題。張力腿平臺主要由上部組塊、下浮體、張力筋腱、錨泊基礎、鉆井設施、頂張緊立管等組成，其中下浮體是支撐上部組塊，并為平臺提供浮力的關鍵結構。為確保張力腿平臺安全運行，需要對下浮體采取可靠有效的防腐措施。陰極保護是防腐工程中常用而有效的電化學保護方法［2］，分為外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護，兩者都可以有效地減緩腐蝕進程，但適用性不完全相同［3］。各大船級社對于陰極保護系統的設計準則也不盡一致［4］，國外有 DNV RPB401［5］、NACE SP 0176［6］和 NI 423 DT R01 E［7］等，但設計內容基本相同；國內陰極保護設計主要是依據GB8841［8］，與國外設計規范差異較大。

本文針對張力腿平臺的特點，選擇適用的陰極保護方法，比較國內外陰極保護設計規范的不同，確定適用于張力腿平臺的陰極保護設計準則。

1 外加電流陰極保護與犧牲陽極陰極保護

外加電流陰極保護方法與犧牲陽極陰極保護方法基本原理相同，都使平臺極化到一定程度，降低平臺構件的腐蝕速度，達到保護目的。外加電流陰極保護是通過一套裝置將外部電流施加到平臺上，為平臺提供保護電流；犧牲陽極陰極保護則是采用自然電位負于平臺自然電位的金屬或者合金，與平臺構和海水成原電池系統，從而為平臺提供保護電流。外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護均可有效減緩腐蝕進程。二者的主要差別如下：［9］

（1）犧牲陽極在設計安裝完畢后相對固定，不需要根據環境變化進行調整；外加電流陰極保護需根據平臺的具體情況調整保護電流輸出。

（2）犧牲陽極在安裝下水后，在壽命期內基本不需要維護；外加電流陰極保護中的電源、參比電極等設備需要定期維護。

（3）犧牲陽極使用壽命是固定的，延壽施工難度大，費用高；外加電流陰極保護則可僅調控系統的參數即可實現延壽。

（4）犧牲陽極溶解產物會對海洋環境造成一定程度的污染。外加電流保護對環境基本無不良影響。

（5）犧牲陽極增加平臺質量和載荷，增加設計和建造成本；外加電流則對平臺設計以及質量和載荷的影響很小。

（6）外加電流有導致平臺結構過保護和雜散電流的風險。

相對而言，犧牲陽極保護技術成熟、性能可靠，無產生過保護的風險。從目前的應用而言，平臺上大多采用犧牲陽極陰極保護的方法［3］。因此，選用犧牲陽極陰極保護方法作為張力腿平臺下浮體的陰極保護措施。

2 國標和DNV陰極保護設計

2.1 陰極表面極化過程

犧牲陽極發生溶解并向結構物提供保護電流，使鋼質結構物表面電位從自然電位發生負向移動。在一定保護電位和海水pH值條件下，鋼質結構物表面會發生吸氧或者析氫反應，形成氫氧根。氫氧根和海水中的鈣離子、鎂離子發生反應并沉積在結構物表面，從而形成鈣鎂沉積層。只有適量較大的保護電流密度才能得到致密、結合力強的沉積層［10］。致密的鈣鎂沉積層能大大提高陰極保護的效果，這是因為它可以有效地阻礙溶解氧向金屬表面擴散和增大金屬的極化電阻，從而減小所需的保護電流密度和擴大了陰極保護的范圍［11］。隨著鈣鎂沉積層形成過程的逐漸完成，結構物表面所需的保護的電流密度值也逐漸減小，然后長期保持基本穩定。在設計壽命末期，隨著犧牲陽極輸出電流能力減弱、鈣鎂沉積層發生部分脫落，才需要較大的保護電流密度進行重新極化［5］。

綜上所述，鋼質海洋結構物在陰極保護作用下表面會形成具有一定保護作用的鈣鎂沉積層，為能夠得到致密、結合力強的鈣鎂沉積層，初期極化階段需要足夠大的保護電流密度；然后隨著鈣鎂沉積層形成基本完成，只需要較小的保護電流密度即可；在壽命末期，又需要較大的保護電流密度。

2.2 GB8841和DNV RP B401設計方法

DNV RPB401、NACE SP 0176和 NI 423 DT R01 E等設計思路基本一致，故僅以DNV RP B401為例與GB8841進行比較。GB8841和DNV RP B401的設計流程如下頁圖1和圖2所示。

圖1 GB8841設計流程圖

圖2 DNV RP B401設計流程圖

比較GB8841和DNV RP B401的設計流程圖，可以發現兩者在確定保護電流密度和計算保護電流、計算單塊犧牲陽極發生電流、計算所需犧牲陽極數量［4］以及估算設計壽命方面具有較大差異。

DNV RP B401的保護電流密度是按照水深和水溫來確定的，且分為初期、平均和終期三個保護電流密度與陰極表面極化過程相對應，從而能夠促進結構物表面在初期生成狀態較好的鈣鎂沉積層，保障終期具有足夠的重新極化電流。海水中的含氧量隨水深變化而不同，靠近表面的含氧量較高。海水的溫度也影響海水中的含氧量［12］。因此，按照水深和水溫選取初期、平均和終期保護電流密度的方法與腐蝕發生和陰極極化的機理相契合。在計算保護面積時，DNV RP B401規范考慮到涂層的保護作用，并且基于不同的涂層種類和質量給出線性的涂層退化計算公式。而GB8841只是根據相對于水流的速度給出不同區域的保護電流密度，既沒有體現陰極極化的特性也沒有考慮到涂層等的影響。

DNV RP B401根據修正的Dwight公式計算犧牲陽極的輸出電流量。犧牲陽極的幾何形狀影響犧牲陽極的接水電阻，且犧牲陽極在初期和終期的形狀差異較大，故DNV RP B401分別計算初期和終期的犧牲陽極電阻和犧牲陽極輸出電流量，更細致反映犧牲陽極消耗對其發生電流的影響；而GB8841僅給出單塊犧牲陽極的發生電流量，未體現犧牲陽極形狀變化。

DNV RP B401將服役壽命劃分為初期、平均和終期，通過初期和終期的極化要求以及平均的犧牲陽極材料消耗要求計算所需犧牲陽極數量。DNV RP B401通過犧牲陽極材料消耗要求來保證整個陰極保護系統的使用壽命，而并未校核單塊犧牲陽極的使用壽命。單塊犧牲陽極的壽命很大程度上取決于所保護結構物的面積大小［6］，因此，在不能確定單塊犧牲陽極平均保護面積的情況下，校核單塊犧牲陽極壽命的做法值得商榷。而GB8841則是基于假定犧牲陽極利用系數進行單塊犧牲陽極壽命估算，而且計算犧牲陽極數量時也沒有考慮初期極化和終期極化的不同。

DNV RP B401更能體現陰極極化特性、涂層退化和犧牲陽極消耗等因素的影響，計算假設條件也更為合理。因此，選擇DNV RP B401作為TLP平臺的犧牲陽極陰極保護設計準則。

3 基于DNV RP B401的設計

現以某張力腿平臺為例，使用DNV RP B401方法對其下浮體進行犧牲陽極陰極保護設計。該張力腿平臺的基礎設計參數如表1所示。犧牲陽極的尺寸為2 440 mm×（229 mm×248 mm）×248 mm，凈質量為329 kg。

3.1 單塊犧牲陽極發生電流計算

單塊犧牲陽極的初期接水電阻由式（1）求得。

式中：Ra為犧牲陽極接水電阻，Ω；ρ為海水電阻率，m·Ω；L為犧牲陽極長度，m；r為犧牲陽極等效半徑，m。

犧牲陽極消耗至利用系數時，重新計算其幾何尺寸。單塊犧牲陽極的終期接水電阻由式（2）求得。

表1 基礎設計參數

因此，單塊犧牲陽極的初期和終期發生電流由式（3）和式（4）求得。

式中：Ia為犧牲陽極發生電流，A；ΔE為驅動電壓，一般取為0.25 V。

3.2 所需保護電流計算

所需保護電流計算由式（5）求得。

式中：Ic為保護電流，A；Ac為保護面積，m2；ic為保護電流密度，A/m2；fc為涂層破損率。

因此，平臺所需的初期、平均和終期保護電流分別為14 770 A、725 A和1 007 A。

3.3 所需犧牲陽極數量計算

根據極化要求，犧牲陽極數量需分別滿足式（6）和式（7）的要求。

根據犧牲陽極材料消耗要求，犧牲陽極數量需滿足式（8）和式（9）的要求。

式中：Ma為犧牲陽極材料總質量，kg；tf為設計壽命，年；u為犧牲陽極利用系數；ε為犧牲陽極電化學效率，（A·y） /kg。

綜上所述，計算求得該張力腿平臺需要243塊犧牲陽極。

4 結 論

文章通過選擇陰極保護方法、確定計算準則和列舉基于規范的詳細計算過程，順利完成針對張力腿平臺的犧牲陽極陰極保護設計研究。與外加電流陰極保護方法相比，犧牲陽極陰極保護方法更具有高可靠性和無過保護風險等優點，可應用于張力腿平臺下浮體的陰極保護。以DNV RP B401為代表的犧牲陽極陰極保護設計方法，能夠體現環境要素影響、陰極極化過程、犧牲陽極消耗和涂層作用等，可作為犧牲陽極陰極保護的設計準則。

［ 1 ］ 許立坤，馬力，邢少華，等. 海洋工程陰極保護技術評述［J］. 中國材料進展， 2014（2）： 106-110.

［ 2 ］ 孫吉星. 海洋結構物陰極保護優化模型及數值計算［D］. 青島 ： 中國海洋大學， 2006 ： 5-28.

［ 3 ］ 李妍， 劉忠斌. 海洋平臺的陰極保護［J］. 中國造船，2002， 43 ： 162-164.

［ 4 ］ 齊榮彪. 海船陰極保護設計標準與DVN規范的對比分析［J］.中國修船， 2010（5）： 28-31.

［ 5 ］ DNV. Cathodic Protection Design［S］. 2007.

［ 6 ］ NACE. Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Offshore Structures Associated with Petroleum Production［S］. 2007.

［ 7 ］ BV. Corrosion Protection of Steel Offshore Units and Instatllations［S］. 2006.

［ 8 ］ GB 8841-88， 海船犧牲陽極陰極保護設計和安裝［S］.

［ 9 ］ 尹鵬飛，張偉，許征凱，等. 導管架平臺外加電流陰極保護技術［J］. 腐蝕與防護，2012（2）： 18-21.

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［11］ 曹振宇. 模擬深海環境陰極保護初期鈣鎂沉積層的研究［D］. 青島 ： 中國海洋大學， 2010 ： 9-10.

［12］ 胡士信， 陰極保護工程手冊［M］. 北京： 化學工業出版社， 1999.

On sacrificial anode cathodic protection for TLP platform

CAI Yi-yang1SHANG Shi-chao2LIU Yu-jun1
(1. CNOOC China Ltd., Shenzhen, Shenzhen 518000, China;2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This article studies the cathodic protection for the anticorrosion design of the TLP platform. Firstly,the sacrificial anode cathodic protection (SACP) method is selected as protection measure in view of the analysis of the characteristics of the impressed current cathodic protection (ICCP) method and SACP method. Secondly,the relevant cathodic protection design method in DNV code is selected as design criteria by comparison with the design method in GB document based on the SACP principle. Finally, SACP for a TLP platform is designed according to the DNV RP B401. It shows that the reliable SACP technology and the elaborate design procedure in the DNV RP B401 can ensure the application of the SACP on the floating body of the TLP platform.

TLP platform; cathodic protection; sacrificial anode; DNV RP B401

U672.7+2

A

1001-9855（2017）06-0079-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.079

“500米水深油田生產裝備TLP自主研發”專項經費資助（工信部聯裝［2014］503號）。

2017-05-25；

2017-05-31

蔡伊揚（1984-），男，工程師，研究方向：油氣開發。

尚世超（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設計。

劉玉軍（1968-），男，高級工程師。研究方向：海洋工程結構。