深水平臺導管架外加電流陰極保護系統改造

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(1. 中海油能源發展股份有限公司 上海環境工程技術分公司，上海 200030； 2. 中海油常州環保涂料有限公司，常州 213014)

某氣田位于南海東部海域的珠江口盆地，平臺所處海域水深約200 m。該平臺導管架均為裸鋼，僅靠犧牲陽極陰極保護來防止腐蝕破壞。導管架下水1 000 d后，在水深98 m以下導管架的電位仍未達到最低保護電位要求。為保障平臺安全生產，平臺方決定追加一套陰極保護系統，使整個導管架盡快極化至保護電位。

1 導管架陰極保護狀況

該導管架安裝有陰極保護監測系統，監測系統記錄了導管架下水189 d后導管架各節點位置的電位(相對于Ag/AgCl參比電極，下同)和犧牲陽極的輸出電流，分別見圖1和圖2。

由圖1可以看出：導管架下水后，不同水深的導管架電位差距較大；僅在水深15 m的淺水區導管架電位快速極化至保護電位，水深69 m和98 m處導管架電位達到保護電位的時間分別長達230 d和942 d，水深129 m和164 m處導管架下水1 000 d后，其電位仍然未能達到保護電位。由于該平臺所處水深約為200 m，隨著水深的增加，壓力增大，CaCO3在水中的溶解度增大，鈣質沉積層在導管架上沉積變慢[1-6]。在形成致密的鈣質沉積層之前，每塊犧牲陽極輸出電流的保護距離較短，隨著鈣質沉積層的形成，導管架的電位差逐漸減小。

圖1 不同水深處導管架電位Fig. 1 The potentials of jacket at different depthes of water

由圖2可以看出：在平臺導管架下水的初期,犧牲陽極的輸出電流較大，最高達到9 A左右，隨著水深的增加，犧牲陽極的輸出電流增大。但隨著導管架電位的負移和鈣質沉積層的形成，犧牲陽極的輸出電流又逐漸減小。

在淺海區導管架表面容易快速形成鈣質沉積層，在相對較小的陰極保護電流極化下，導管架電位能夠較快達到保護電位，犧牲陽極的輸出電流也隨之降低;但深海區CaCO3的溶解度增大，初期電流密度偏小時，鈣質沉積層在導管架上沉積緩慢，難以快速形成致密的鈣質沉積層，所以深海區導管架電位達到保護電位的時間大大延長，犧牲陽極也一直維持在較高的電流輸出狀態。

2 陰極保護改造方案選擇

追加一套陰極保護系統，以提供更大的陰極保護電流，使整個導管架電位盡快極化至保護電位，并使原安裝的陽極消耗速率降低，以達到30 a設計壽命的要求。下面就國內外常見的陰極保護改造方式進行介紹。

2.1 水下焊接犧牲陽極

該方法通過水下焊接將犧牲陽極固定在導管架上，如圖3所示。水下焊接固定犧牲陽極可以提供良好的結合強度和優異的電連接性能，但是水下焊接電弧會使其周圍水發生熱分解產生氫，導致氫溶解到焊縫中，如果焊縫中氫含量超過允許值，很容易引起裂紋，甚至導致結構的破壞。由于水下焊接價格較高以及焊接質量要求高等原因，只有在導管架直徑過大時才使用水下焊接固定安裝犧牲陽極[7]。

圖3 水下焊接式犧牲陽極Fig. 3 Sacrificial anode installed by underwater welding

2.2 卡箍固定犧牲陽極

該方法是將單個或多個犧牲陽極焊接在卡箍上，然后通過潛水員將卡箍固定安裝在導管架上，如圖4所示?？ü抗潭奚枠O適用于直徑0.8～1.8 m的管狀構件,且不需要進行水下焊接，但由于陽極質量較大，潛水員在水下需耗費大量體力才能將陽極移動至導管架的指定位置[7]。

圖4 卡箍固定式犧牲陽極Fig. 4 Sacrificial anode installed by hinged bracelet

2.3 犧牲陽極串

采用該方法時，先將犧牲陽極每隔一段距離鑄造在一根鋼絲繩上制成犧牲陽極串，然后將陽極串頂端固定在水上區域，并做好電連接，為保證安裝的犧牲陽極串在海水中的穩定性，至少要將陽極串上的2支陽極埋在海泥中，如圖5所示。陽極串的安裝不需要水下作業，施工非常方便，安裝費用低。犧牲陽極串的平均壽命為3～5 a，適用于淺水平臺的短期延壽。

圖5 犧牲陽極串Fig. 5 Sacrificial anode string

2.4 犧牲陽極架

采用該方法時，首先將4支犧牲陽極固定在一個陽極架上，陽極架底部的混凝土負重可保證陽極架在海底的穩定性,然后采用吊車將整個陽極架吊裝放置到海底，如圖6所示。安裝過程中不需要潛水員在海底耗費大量體力移動陽極，施工安全性大大提高。潛水員只需在海底將與犧牲陽極架連接的電纜夾具固定在導管架上，然后擰緊電連接的螺栓即可。這種安裝方式施工時間短、費用低，且不會給導管架增加額外負重[8]。

圖6 犧牲陽極架Fig. 6 Sacrificial anode pod

2.5 拉伸輔助陽極外加電流陰極保護

采用該方法時，首先將多個陽極固定在一條機械支撐作用的繩索上制成拉伸輔助陽極，繩索的上端固定在平臺上部，繩索的下端由負重固定在海底[9-10]，并通過電纜供電為導管架提供外加電流。該方法有兩種設計方案：一種是將拉伸輔助陽極的機械支撐部分和供電部分完全分離(即支撐繩和電纜分離)，這就確保作用于系統中的機械力都集中在起支撐作用的鋼繩上，如意大利DE NORA公司的LIDA系統，如圖7所示；另一種是將支撐部分和電纜芯設計成一體結構，電纜既起到供電作用，又起到支撐作用，如美國Galvotec公司的VTA系統，如圖8所示。該方法的優點是安裝靈活，易于檢查修理；缺點是陽極系統易受風暴等外界因素破壞失效。

圖7 拉伸輔助陽極外加電流陰極保護(LIDA系統)Fig. 7 ICCP system with tensioned auxiliary anode strings (LIDA system)

圖8 拉伸輔助陽極外加電流陰極保護(VTA系統)Fig. 8 ICCP system with tensioned auxiliary anode strings (VTA system)

2.6 遠地式輔助陽極外加電流陰極保護

采用該方法時，遠地式輔助陽極安裝在海底，距離導管架有一定距離，陰極保護電流會以均勻分布的方式分散到導管架表面，如圖9所示。該輔助陽極的電纜可安裝在導管架預留的“J”型管內，避免了輔助陽極電纜被臺風破壞失效。在海底，陽極容易受重力作用被海泥掩埋，從而增加整個回路的電阻，同時陽極也可能因海底的海泥或碎石而遭到損傷。為此，將輔助陽極安裝在浮體內，用足夠的負重把浮體錨固在海底，以保證陽極浮在海底上方[10]。

3 陰極保護改造方案設計及安裝

由于導管架欠保護區域水深超過100 m，潛水員水下安裝需要采用飽和潛水，而飽和潛水的費用高昂，所以不適宜采用水下焊接或卡箍固定安裝犧牲陽極進行深水陰極保護改造。犧牲陽極串適用于淺水平臺陰極保護改造，但犧牲陽極架的保護距離較短，適用于改造僅底部存在陰極保護不足的導管架，而該導管架在較大范圍內(水深98 m以下)都處于欠保護狀態，因此也不適用該方法。南海海域臺風較多，采用拉伸輔助陽極外加電流陰極保護時，電纜易受臺風等外界因素破壞失效，因此該方法也不理想。遠地式輔助陽極外加電流陰極保護，具有陽極安裝方便、平臺上電流分布均勻等優點，且輔助陽極電纜安裝在"J"型管內，可防止臺風對電纜的破壞造成陰極保護系統失效，故本次改造采用遠地式輔助陽極外加電流陰極保護系統(以下簡稱ICCP系統)。

圖9 遠地式輔助陽極外加電流陰極保護Fig. 9 ICCP system with remote auxiliary anodes

3.1 海水電阻率選取

海水電阻率是海水鹽度和溫度的函數。該氣田所處海域表面海水最高溫度為34.8 ℃，海底最低溫度為14.3 ℃，依據DNV-RP-B401-2011《海上構筑物犧牲陽極陰極保護設計》，海水鹽度(質量分數)在3%～40%時，海水電阻率為18～23.5 Ω·cm。本工作中選取海水電阻率ρ為23.5 Ω·cm進行計算。

3.2 保護電流計算

導管架在下水1 000 d后，水深小于98 m處導管架電位均達到保護電位，而水深超過98 m處導管架仍處于欠保護狀態。將導管架劃分為3個區域，各區域的面積見表1。水深小于98 m處導管架電位已經極化至保護電位，故新安裝陰極保護系統僅需為水深超過98 m處導管架提供電流進行極化，導管架初期極化所需的陰極保護電流見表2。

表1 導管架各區域的面積Tab. 1 The region areas in the jacket

表2 導管架初期需求電流Tab. 2 The initial current requirements for the jacket

導管架上原安裝了968塊鋁合金陽極，其中區域1安裝了408塊、區域2安裝了560塊。鋁陽極尺寸為2 825 mm×(260+280) mm×260 mm。

陽極長度L為282.5 cm，陽極等效半徑r為16.9 cm，根據式(1)計算得單塊鋁陽極的接水電阻R為0.042 Ω。再根據式(2)計算得目前區域2犧牲陽極的初期輸出總電流為3 333 A，但區域2和區域3極化至保護電位共需要電流為4 866 A，因此，需安裝一套新的陰極保護系統，并提供1 532 A電流使區域2和區域3的導管架極化至保護電位。

3.3 ICCP系統設計

選取了美國Deepwater公司RetroBuoy ICCP系統進行平臺導管架陰極保護改造。共安裝4套ICCP系統，每套輸出電流500 A，可滿足導管架初期極化電流要求。每套ICCP系統包括1臺變壓整流器、1套RetroBuoy輔助陽極、陽極電纜和陰極電纜等。4套ICCP系統的輔助陽極安裝于海底，分別距離4個樁腿85 m，如圖10所示。

每套ICCP系統的輔助陽極包含12支MMO(mixed metal oxide)輔助陽極，輔助陽極安裝于4個浮筒內，每個浮筒內安裝3支MMO輔助陽極，每支MMO輔助陽極長度L為116.8 cm，陽極半徑r為1.6 cm，按式(1)計算得單支MMO陽極的接水電阻R0為0.15 Ω，按式(3)計算得每套ICCP系統的輔助陽極接水電阻R1為0.035 7 Ω。

圖10 RetroBuoy遠地式輔助陽極的安裝位置Fig. 10 Installation site of RetroBuoy auxiliary anode

式中：F為輔助陽極接水電阻修正系數，取2.856。

每套ICCP系統的陽極電纜和陰極電纜總長度Le為500 m，每米電纜電阻Rm為55 μΩ/m，按式(4)計算得到電纜電阻R2為0.027 5 Ω。

R2=Le·Rm(4)

按式(5)計算得每套ICCP系統回路總電阻Rtot為0.063 2 Ω。

Rtot=R1+R2=0.063 2 Ω(5)

再按式(6)計算得變壓整流器最小輸出電壓為33.6 V。

Vtot=Itot·Rtot+2(6)

最終選取4臺直流輸出40 V/500 A的變壓整流器為導管架提供陰極保護電流。

3.4 ICCP系統安裝

RetroBuoy輔助陽極海底安裝以及海底輔助陽極電纜鋪設至平臺上，是ICCP系統安裝的難點。

在安裝輔助陽極前，需對RetroBuoy輔助陽極與陽極電纜接頭的電連續性和密封性等進行測試。并采用ROV(水下機器人)水下檢測輔助陽極安裝區域是否存在碎石或凹坑等潛在隱患。

在工作船上，將4根輔助陽極電纜卷在同一個電纜卷筒上，采用4根電纜同時收放的方式安裝，以避免電纜在海底出現纏繞的風險。同時，平臺人員將鋼絲繩從平臺預留的“J”型管頂部下放至海底，ROV在海底將輔助陽極電纜和鋼絲繩進行連接，平臺人員通過鋼絲繩牽引，將輔助陽極電纜拉上平臺。然后采用電纜固定法蘭將4根輔助陽極電纜固定在“J”型管頂部，電纜固定法蘭結構見圖11。

圖11 電纜固定法蘭結構圖Fig. 11 The structure of cable fixing flange

將RetroBuoy輔助陽極吊裝至指定位置時，為防止吊裝過程中電纜過度彎曲，采用了限彎器和鋼絲繩同時限位的方式進行吊裝。在整個吊裝過程中，需要ROV全程監控，以防輔助陽極發生碰撞或者電纜出現異常情況。一旦出現異常情況，立即將輔助陽極吊至甲板進行維修。輔助陽極放置完成后，通過ROV將多余的電纜在海底按照“S”型路線分布，并放置混凝土穩定墊固定。

4 陰極保護改造效果

2016年6月6日，經ICCP系統改造運行3 a后，對導管架陰極保護狀況進行檢測。表3為ICCP系統的變壓整流器輸出電壓和輸出電流數據，目前ICCP系統輸出電壓約為17 V，輸出總電流為767 A。

表3 變壓整流器輸出電壓和輸出電流Tab. 3 The output of transformer rectifiers

由表4可以看出:在運行ICCP系統3 a后，導管架表面形成了良好的鈣質沉積層，整個導管架電位非常均勻，在停用ICCP系統1 d后，導管架依然處于良好的保護狀態，犧牲陽極的輸出電流已經能滿足導管架達到保護電位所需要的電流。

由表5可以看出:ICCP系統運行了3 a后,犧牲陽極輸出的電流較導管架下水初期的大幅減小，大部分犧牲陽極的輸出電流已小于1 A，這說明導管架表面已經形成了致密的鈣質沉積層。用ICCP系統對導架管原有陰極保護系統進行改造后,犧牲陽極的輸出電流減小，犧牲陽極的壽命將大大延長。

表4 不同水深處導管架的電位Tab. 4 Potentials of jacket at different depths of water mV

表5 不同水深處犧牲陽極的輸出電流Tab. 5 Output currents of anodes at different depths of water A

在關閉外加電流單獨運行犧牲陽極時，導管架依然能處于良好的保護狀態。說明犧牲陽極初期輸出的總電流雖然不足以使整個導管架快速極化至保護電位，但一旦形成致密的鈣質沉積層，導管架所需的電流量大大降低，犧牲陽極輸出的電流能夠滿足導管架中期維持電流要求。裸鋼在海水中所需的初期電流遠遠大于中期維持電流和末期電流，較大的初期電流下可快速形成致密的鈣質沉積層。鎂鋁復合陽極由于生產工藝較為復雜，應用較少。質量相同的翼型陽極相比于傳統梯形陽極，初期能輸出更大的電流，可大大減少導管架所需陽極質量，降低成本并減輕導管架負載，已成功安裝于墾利10-1平臺導管架上，并取得了理想的應用效果[11]。

5 結論

(1) 當初期電流偏小時，鈣質沉積層在導管架上沉積較慢，難以快速形成致密的鈣質沉積層，深海區導管架電位達到保護電位的時間大大延長，犧牲陽極也一直維持在較高的電流輸出狀態。

(2) 犧牲陽極陰極保護改造適合于淺水導管架的陰極保護改造，對于深水導管架陰極保護改造，外加電流陰極保護系統具有安裝方便的特點。遠地式輔助陽極外加電流陰極保護系統的陽極電纜可安裝于導管架的“J”型管中，大大降低了臺風損壞陽極電纜造成陰極保護系統失效的風險，適宜于臺風較多的深水導管架陰極保護改造。

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