海洋石油平臺導管架陰極保護監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與討論

張亮，宋積文，陳勝利，王秀通，王潤，臧寅

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海洋石油平臺導管架陰極保護監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與討論

張亮1，宋積文1，陳勝利1，王秀通2，王潤1，臧寅1

（1. 中海油信息科技有限公司 北京分公司，北京 100029；2. 中國科學院海洋研究所，山東 青島 266100）

研究海洋石油平臺腐蝕現(xiàn)狀，確保導管架處于陰極保護狀態(tài)。對近3年導管架陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行討論，根據(jù)不同位置的電位電流傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進行各個觀測點位的腐蝕狀態(tài)對比分析。通過對數(shù)據(jù)研究表明，該系統(tǒng)電位電流傳感器所采集的數(shù)據(jù)翔實可靠，所收集到的導管架節(jié)點電極電位均在保護范圍內。就現(xiàn)階段而言，導管架犧牲陽極輸出電流基本趨于穩(wěn)定。該平臺陰極保護監(jiān)測設備運行良好，所測點位均處于陰極保護狀態(tài)，且基本達到完全極化，對該海域新建平臺防腐設計具有重要的參考價值。

海洋石油平臺；海洋腐蝕；陰極保護；腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

目前，隨著海洋石油平臺的大規(guī)模開發(fā)建設，鑒于其所處自然環(huán)境條件的苛刻，人們對于平臺導管架鋼結構的腐蝕問題已經(jīng)越來越關注。陰極保護是對平臺導管架最常見的腐蝕保護方法，陰極保護可分為外加電流法和犧牲陽極法兩種，考慮到外加電流法的施工與維護在海上平臺這一特殊環(huán)境下有一定的困難，所以犧牲陽極法成為導管架防腐的最有效手段。傳統(tǒng)的陰極保護監(jiān)測如潛水員檢測和ROV檢測等不僅成本高，而且無法實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測。導管架陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)克服了這些缺陷，目前已成功地應用到多個海洋石油平臺，收到了良好的成效[1-8]。

陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)是對施加陰極保護的導管架進行實時監(jiān)測，對犧牲陽極的剩余壽命作出及時評估，是全壽命的監(jiān)測系統(tǒng)，但目前對于該系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行分析整理還鮮有報道。相較于類似文獻材料[9-12]，文中對南海石油平臺陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)進行了詳細闡述，根據(jù)該系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)對該平臺進行腐蝕狀態(tài)的分析討論。

1 陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)概述

海上平臺陰極保護系統(tǒng)分為水上部分和水下部分，水下部分主要包括犧牲陽極、雙電極電位探頭和電流探頭，水上部分主要為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。兩部分由信號傳輸電纜連接。

1.1 犧牲陽極

一般應用于海洋構筑物陰極保護的材料為鋅合金犧牲陽極和鋁合金犧牲陽極。鑒于對成本費用和保護效果的綜合考慮，海洋石油平臺的犧牲陽極多選為鋁合金犧牲陽極[13]。

1.2 雙電極電位探頭

Ag/AgCl參比電極和純Zn參比電極組成雙電極電位的測量探頭，兩個參比電極相互校對。該探頭主要特點是參比電位穩(wěn)定，且重現(xiàn)性好，同時還具有溫度系數(shù)小，制備、使用和維護簡單方便等優(yōu)點。其中，Ag/AgCl參比電極測量精度為±5 mV，純Zn參比電極電位測量精度為±15 mV，電位監(jiān)測范圍為-0.4～-1.4 V。電位監(jiān)測點的具體位置將通過電位分布薄弱點原則、監(jiān)測位置的代表性原則和監(jiān)測結構的代表性原則等布置原則來確定。考慮到水下鋼結構的節(jié)點是陰極保護較為薄弱的部位，也是水下鋼結構的關鍵部位，因此，電位監(jiān)測將重點關注節(jié)點部位，以便準確全面地反映導管架的保護情況。安裝位置的水平投影方向要考慮避讓水流的方向，應優(yōu)先采用順流或頂流，避免側流[14-16]。

1.3 電流探頭

電流探頭用于測量導管架犧牲陽極的輸出電流，其主要基于歐姆定律設計而成。通過該探頭里邊的額定電阻，以及電位探頭所測得的電位，可以計算出該點的電流輸出大小。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多通道數(shù)據(jù)采集器，獲取各個電位電流探頭的數(shù)據(jù)，通過信號調理器和A/D轉換板實現(xiàn)在陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序中的記錄與顯示。

2 陰極保護數(shù)據(jù)分析

該海洋石油平臺導管架于2014年年初下水，陰極保護系統(tǒng)調試完成開始運行于2015年初。電位電流探頭安裝于導管架編號為A2，A3的兩平行樁腿上，以達到相互對比校準效果。其中電位探頭記作VT，共16個，電流探頭記作AT，共8個，分別布放于不同水深環(huán)境下。相比于之前報道的平臺陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)多個電極探頭損壞問題，該系統(tǒng)所處平臺目前所有電流探頭全部正常，雙電極電位探頭中僅有一個Ag/AgCl參比電極出現(xiàn)電位不穩(wěn)定現(xiàn)象，其他一切正常。該研究以半年為一個時間節(jié)點，選取2015年4月16日、2015年10月16日、2016年4月16日、2016年10月16日、2017年4月16日和2017年10月16日等6個具有代表性的點進行數(shù)據(jù)分析討論。

2.1 導管架極化電位

由于導管架的電位監(jiān)測點眾多，該次僅選擇處于導管架節(jié)點位置的VT3，VT5，VT7，VT11，VT13和VT15等6個電位探頭數(shù)據(jù)。以上位置能有效反應導管架整體的保護程度，腐蝕狀態(tài)最具代表性，故選取該數(shù)據(jù)進行分析。

該次電位探頭為雙參比電極，故每一個探頭均獲得兩組數(shù)據(jù)，將每個探頭的兩組數(shù)據(jù)轉換成甘汞參比電極數(shù)值后，取平均值得到該探頭所監(jiān)測位置的電極電位。選取的導管架節(jié)點電極電位數(shù)據(jù)見表1。

表1 導管架節(jié)點電位數(shù)據(jù)

其中VT3，VT5和VT7位于A2樁腿上，VT11，VT13和VT15位于A3樁腿上，VT3與VT11位于水下-11 m，VT5與VT13位于水下-50 m，VT7與VT15位于水下-92.6 m。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，以上所有節(jié)點位置均獲得良好的陰極保護效果。在不同水下深度，陰極保護數(shù)值有一定差異。A2樁腿上三個節(jié)點位置的電位隨時間的連續(xù)變化曲線如圖1所示，由于該次監(jiān)測數(shù)據(jù)波動較大，因此對各個點位進行擬合。可以看出，從2015年4月—2017年10月，所有的電位數(shù)據(jù)均達到陰極保護水平標準，隨著極化反應的進行，各點的保護電位也均有降低的趨勢。另外，在同一個樁腿上，三個點的電位隨深度的增加，數(shù)值也有所變化，由于所選取節(jié)點所處位置的犧牲陽極距離和數(shù)量均相同，根據(jù)水下-50 m位置的電位相比于其他兩個點略高，可以推斷出在這個位置上的腐蝕相較于其他兩個點較為嚴重。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是多方面的：在水下-11 m左右的位置，由于海洋生物生長比較活躍，對結構有附著作用，在一定程度上減輕了腐蝕作用；在-92.6 m的水深處，由于含氧量較低，使得結構的氧化反應速度減小；而位于水深-50 m左右的層面上，氧氣充足，加之水流沖刷作用，使得結構的氧化反應不斷進行，造成該位置的腐蝕較為嚴重。隨著時間的推移，極化反應趨于穩(wěn)定，這種差異將逐漸變小。同樣的情況在A3樁腿上得以驗證，如圖2所示，在導管架中間位置，保護電位比其他點位要高，但仍保持在被保護狀態(tài)。

圖1 A2樁腿節(jié)點電位

圖2 A3樁腿節(jié)點電位

2.2 犧牲陽極輸出電流

該平臺安裝了8個電流探頭，各個探頭所獲得的犧牲陽極輸出電流數(shù)據(jù)見表2。

從表2中可以看出，在監(jiān)測初期，犧牲陽極的輸出電流都明顯偏大，所測點位的電流密度相對較大。隨著時間的推移，每個點的電流密度都大幅下降，并在最后都基本達到平穩(wěn)。這一現(xiàn)象跟理論相符合：當導管架下水后，立刻形成回路電流，導管架和犧牲陽極發(fā)生極化反應。這時兩個電極的電位差值最大，故反應驅動力最大，輸出電流密度也達到最大值。隨著反應的進行，兩個電極的電位差逐漸減小，極化反應的驅動力也隨之減小，反應基本趨于平穩(wěn)。相比較反應初始，輸出電流密度明顯下降。當反應接近平衡時，基本趨于穩(wěn)定。其中AT1在同一時期的電流密度均高于其他點，犧牲陽極消耗較大，可能由于平臺進行鉆井等海上作業(yè)，影響了該位置的極化反應。從表2中還可以看出，個別電流探頭所采集的數(shù)據(jù)發(fā)生了一定的偏移，其中有AT3于2017年10月16日監(jiān)測到的-0.841 A和AT7于2017年4月16日監(jiān)測到的0 A。相較于整體的數(shù)據(jù)而言，以上問題并不影響到數(shù)據(jù)的總趨勢。另外，從采集的數(shù)據(jù)質量上來看，電流探頭運行相對正常。

表2 犧牲陽極輸出電流數(shù)據(jù)

3 結論與建議

1）通過對南海平臺陰極保護系統(tǒng)所采集到近3年的數(shù)據(jù)進行研究，發(fā)現(xiàn)該平臺的陰極保護系統(tǒng)整體運行正常，陰極保護電位均達到保護狀態(tài)。

2）根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)可以看出，在這期間，導管架電流電位基本趨于穩(wěn)定，達到完全極化狀態(tài)。個別數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，但此后數(shù)據(jù)又恢復正常。從相同布局位置不同水深的點位研究發(fā)現(xiàn)，隨著水深的增加，腐蝕程度有先增大后減小的趨勢，但該現(xiàn)象還需要長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行支持。另外，由于海上石油平臺會經(jīng)常進行生產(chǎn)作業(yè)，會對離海面較近的觀測點有一定影響。

3）由于該監(jiān)測平臺下水時間較短，該次監(jiān)測數(shù)據(jù)量還是略顯單薄，建議以后收集長周期數(shù)據(jù)進行分析整理。

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Analysis and Discussion on Cathodic Protection Monitoring Data of Offshore Oil Platform Jacket

ZHANG Liang, SONG Ji-wen, CHEN Sheng-li, WANG Xiu-tong, WANG Run, ZANG Yin

(1.China National Offshore Oil Informtion Technology Beijing Branch, Beijing 100029, China;2.Institutes of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266100, China)

To study corrosion state of offshore oil jacket platform and ensure that the jacket is in the cathodic protection state.The data in nearly three years obtained by the corrosion monitoring system were discussed. According to data obtained by the potential current sensor in the different places, corrosion state of each observation point was compared and analyzed.As the data research showed, the data collected by the potential current sensor this system was accurate and reliable. All electrode potential at node of jacket was in the range of protection. The output current of the sacrificial anode was stable in the current state.The cathodic protection and monitoring system of the platform runs well. All of the measured points are protected and almost completely polarized. This result has an important reference value on the design and construction of offshore oil jacket platform.

offshore oil jacket platform; marine corrosion; cathodic protection; corrosion monitoring system

TJ07；TG172.5

A

1672-9242(2018)03-0020-04

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.004

2017-11-14；

2017-12-04

張亮（1989—），男，山東青島人，碩士，工程師，主要研究方向為金屬的腐蝕與防護。