南海某導管架平臺的陰極保護延壽修復技術方案探討

尹鵬飛，劉福國，張國慶，韓 冰，張 偉，杜翠薇，李向陽，李金梅，趙 剛

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；3.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，青島266071；4.中山大學化學工程與技術學院，珠海519000；5.北京科技大學 腐蝕與防護中心教育部腐蝕與防護重點實驗室，北京100831；6.大慶油田工程有限公司，大慶163712）

置身于海洋環境的各類石油鉆采平臺投資巨大，其苛刻的服役環境要求鉆采平臺必須承受颶風、極地風暴、潮流、地震以及浮冰的沖擊。隨著服役海域越來越深，海洋平臺的結構設計越來越大，越來越復雜，投資也越來越高。為了避免因腐蝕引起的平臺坍塌損毀帶來的巨大經濟損失和海洋環境污染災難，海洋平臺的水下結構均采取了腐蝕控制措施。

相較于外加電流陰極保護（ICCP）法，犧牲陽極保護法具有犧牲陽極在陸地一次性安裝，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，標準和規范完善等優點，可以很好地滿足結構在復雜海洋環境中的腐蝕防護需求。目前，全世界范圍內有各類海洋石油平臺約6 000座，90%以上采取了犧牲陽極陰極保護［1-2］。

我國從上世紀80年代開始自主設計并建造了各類海洋石油平臺，隨著平臺服役年限的增加，越來越多的海洋石油平臺已經接近甚至超出了當初陰極保護設計的使用年限。由于已超出服役年限的石油平臺的服役區域油氣依然充足，而再造一座新的石油平臺投資巨大，因此，采取必要的措施對在役平臺的犧牲陽極陰極保護系統進行延壽修復就變得尤為重要［3-6］。

某服役于南海150 m水深的導管架平臺，犧牲陽極設計壽命20 a，服役15 a后，水下檢測發現，50 m以淺（水深小于50 m，下同）的犧牲陽極消耗較少，而50 m以深（水深大于50 m，下同）的犧牲陽極消耗嚴重，部分區域陽極剩余質量不足20%。該平臺作業區域油氣仍較充足，經評估，導管架到達服役年限后，仍需繼續服役15 a。而檢測結果顯示該平臺剩余犧牲陽極不能保護平臺導管架延壽服役15 a。因此，須采取陰極保護延壽修復措施以保證其安全服役。

本工作通過深入分析該在役導管架平臺的陰極保護現狀，結合平臺結構特征和國內外陰極保護延壽修復技術，從技術和經濟兩方面對比了犧牲陽極和外加電流延壽修復的可行性，以期為在役海洋工程設施的陰極保護系統延壽設計與施工提供參考。

1 導管架平臺

1.1 平臺基本情況

南海某導管架為四樁腿結構，服役水深150 m，共有12口油井，設計壽命20 a。導管架水下結構采用犧牲陽極陰保系統，服役初期、平均和末期的設計保護電流密度分別是130，70，90 mA／m2。該平臺共設計犧牲陽極390支，單支陽極設計初期發生電流5.0 A，按照每個油井5 A保護電流計算，設計初期的保護電流為2 010 A。

1.2 平臺的陰極保護現狀

2 導管架平臺的延壽修復方案

2.1 犧牲陽極延壽修復技術

按照陽極的結構和安裝方式，犧牲陽極延壽修復主要分為單體焊接式、卡箍式和支架式三種［7-10］。

2.1.1 單體焊接式犧牲陽極

單支陽極水下焊接可實現平臺不同深度和位置陽極的逐一更換或補裝和精確修復欠保護區域。此外，采用水下濕法焊接，若方法得當，可實現與水上干法焊接相近的效果，無需通過電纜實現陽極與被保護鋼結構的電連接，無需后期維護，可靠性高。

該導管架原設計的犧牲陽極總數基本滿足原設計壽命預期，據此估算延壽15 a需加裝犧牲陽極293支，其中50 m以淺區域加裝105支，50 m以深區域加裝188支。導管架在役加裝犧牲陽極需要潛水員進行水下焊接，50 m以深區域必須要采取飽和潛水，或者借助工作級ROV才能完成，焊接設備復雜、昂貴，條件苛刻，施工周期長、費用高，并且需要施工船舶進行支持。初步測算，陽極和焊接材料費用約300萬元，50 m以淺區域的陽極安裝工期約為10 d，50 m以深區域的陽極安裝工期約為40 d，動復原10 d，飽和潛水支持船和ROV費用約3 000萬元，潛水施工費用約2 000萬元，工程總造價超過5 300萬。

2.1.2 卡箍式犧牲陽極

卡箍式犧牲陽極是指單支或多支陽極通過螺栓或澆鑄方法制作成半圓形卡箍，兩個卡箍組成一個手鐲式陽極單元，將陽極單元卡到需保護的鋼管上，通過電纜實現卡箍與被保護結構的電連接。

卡箍式結構是將犧牲陽極澆鑄于半圓形的卡箍上，兩個半圓形卡一組，構成一個卡箍式犧牲陽。借助吊環將兩個半圓形卡箍吊放到安裝位置，通過卡箍上預先安裝的折頁和（或）螺栓固定卡緊到鋼管樁上［9］。在卡箍上預先安裝導電電纜，將電纜沿樁腿固定并牽引到水面上，在上部實現電纜與鋼管樁的電連接。

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可以看出，盡管卡箍陽極無需水下焊接陽極支架，但是依然需要采取飽和潛水或者借助工作級ROV才能完成安裝。同時，陽極電纜需要沿導管架樁腿鋪設并牽引到水面上，施工費用較單體焊接式犧牲陽極的更高。

2.2 外加電流延壽修復技術

對于大型深水在役平臺的延壽修復，國內外普遍采用外加電流陰極保護技術［6，11］。外加電流延壽修復系統主要包括輔助陽極和電源，電源置于平臺上部模塊，可實現對輔助陽極的電源供給。根據外加電流輔助陽極的結構和安裝方式的不同，可將外加電流延壽修復系統分為拉伸式和遠地式兩種［12-17］。

2.2.1 拉伸式外加電流延壽修復系統

拉伸式外加電流延壽修復系統的拉伸輔助陽極由發生電流單元、電纜和承重鋼纜組成。用電纜將多個輔助陽極發生電流單元串聯在一起，實現電連接，隨后將串聯有陽極單元的電纜固定到一根主要起機械支撐作用的承重鋼纜上，將鋼纜的下端懸掛重載固定在導管架平臺底部的海床上，上端固定到導管架水上支撐結構上，見圖1。陽極電纜由水上引出，電連接到供電單元上，通過輔助陽極將保護電流施加到導管架平臺水下結構上，實現對水下結構的腐蝕控制［7-8，17］，見圖1。

圖1 拉伸式外加地電流延壽修復系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile external current extension life repair system

拉伸式延壽修復方式的優點如下：（1）水上可實現整套系統的安裝。（2）從上到下，電流分布均勻。（3）可在導管架平臺的內部、外側等多個區域安裝拉伸陽極。其缺點是：（1）安裝在平臺外側的拉伸陽極，給其他輔助工程船舶的停靠與拋錨工作帶來困難，易發生碰撞損壞。（2）拉伸式輔助陽極電纜從上到下穿于飛濺、潮差、全浸等多個區帶，時刻受到紫外光照、海流沖擊、浮冰甚至海水暴風等極端惡劣天氣的影響，因此電纜易因老化、斷裂而失效，電纜破斷后可能會對導管架構成安全威脅。（3）安裝時仍需要ROV輔助。

表1為導管架陰極保護電流密度設計值，表2為導管架的陰極保護面積設計值，根據保護面積和保護電流計算，導管架需要的保護電流如表3所示。

由表3可見：要維持導管架的陰極保護，至少需要1 090.3 A電流。取20%的設計裕量則保護電流需求約為1 363 A。單套拉伸陽極可以提供保護電流500 A，需要安裝3套該系統，設備費約1 200萬元。由于該導管架結構從上到下一共有6層水平結構，底部配重有混凝土重坨的拉伸陽極需要穿越6個水平層。由于倒掛架較高，內部空間狹小，因此，對重坨和拉伸陽極的安裝精度要求非常高。受水流作用，重坨和電纜易因碰撞導管架結構而損壞，因此，需要工作級ROV輔助安裝才能完成，安裝周期長，費用高，預計安裝費約為500萬元。因此，采用拉伸式外加電流延壽修復系統的工程總造價約為1 700萬元。

表1 導管架的陰極保護電流密度Tab.1 Current density of jacket protection

表2 導管架保護面積Tab.2 Jacket protection area

表3 導管架的保護電流Tab.3 Jacket protection current

2.2.2 遠地式外加電流延壽修復技術

遠地式輔助陽極系統是將輔助陽極放置在導管架外側一定距離的海床上，通過電纜電連接到平臺上部的電源模塊實現對導管架水下結構的腐蝕控制［6，8，15-16，18-19］，見圖2。由于輔助陽極遠離導管架結構，因此，單座輔助陽極可以設計較大的電流輸出，前文所述導管架平臺的設計保護電流為1 363 A，安裝兩座單座發生電流700 A的輔助陽極單元即可滿足要求。

圖2 遠地式外加電流延壽修復系統的示意圖Fig.2 Schematic diagram of remote installation ICCP system

遠地式外加電流延壽修復技術的優點是：（1）單套輔助陽極發生電流大，可達700 A。（2）輔助陽極固定于海底，最大程度規避了海流、浮冰、海上風暴等環境因素的破壞作用。（3）由于輔助陽極遠離導管架和其他海底結構物，因此，輔助陽極的損壞不會對平臺構成安全威脅。（4）輔助陽極電纜從上到下由護管防護，避免了光照、波浪、海流、廢棄漁網等對電纜的破壞。其缺點是：（1）單座輔助陽極的發生電流大，且位置集中，對大型復雜導管架結構，容易導致保護程度不均勻。（2）電纜沿護管安裝，需借助工作級ROV完成操作，安裝費用高。

對于本文中需要延壽的導管架平臺，安裝2套700 A／套遠地式外加電流系統即可滿足保護電流需求，設備費約800萬元。遠地式外加電流延壽修復系統的陽極電纜在導管架上的固定安裝受海況條件影響較大，安裝周期長，費用高，預測安裝費用約為700萬元，因此，遠地式式外加電流延壽修復系統的工程總造價約為1 500萬元。

2.3 幾種陰極保護延壽修復方案的對比

綜上所述，幾種陰極保護延壽修復方案各有優缺點，為了對比幾種方法的優劣，以上文南海某平臺為例，從技術上、經濟上、施工可行性、預期效果以及環境影響等方面進行了對比分析，見表4。

由表4可見：平臺50 m以深區域采用犧牲陽極進行陰極保護延壽修復的工程造價極高，施工十分困難，可行性較差。拉伸式和遠地式外加電流延壽修復系統各有優缺點，是目前國際主流的兩種延壽修復技術。遠地式延壽修復系統電纜和輔助陽極的布置方式相對安全，工程造價最低，但其安裝費用所占比例仍相對較高。為此，通過借鑒拉伸式延壽修復系統的安裝優點，對遠地式延壽修復系統的電纜安裝方式進行了改進，設計了一種拉伸式電纜結構，將遠地式陽極電纜采用拉伸的方式進行安裝固定：即將懸掛有陽極電纜的承重鋼纜上端固定在最低潮位線以下的導管架結構上，下端用混凝土配重砣將其牽引固定到海床上，實現對遠地式輔助陽極的電力供給。

表4 幾種陰極保護延壽修復方案的對比Tab.4 Comparison of cathodic protection retrofit schemes

這種拉伸式陽極電纜的安裝方式具有如下優點：（1）陽極電纜在穿越潮差區時，采用護管保護，避免了紫外老化、漂浮物、海流沖擊、風暴潮等惡劣天氣對結構的破壞。（2）電纜上部懸掛點選擇在最低潮位線以下，不影響其他輔助工程船舶的停靠。（3）相較于將陽極電纜固定到導管架樁腿上的安裝方式，安裝費用可大幅度降低，約為原來的1／2。

3 結論

（1）相較于采用犧牲陽極法延壽修復，對于服役水深超出50 m的導管架平臺，外加電流延壽修復方式更加經濟便捷，且導管架所處海域水越深，延壽修復面積越大，外加電流延壽修復越經濟。

（2）拉伸式和遠地式外加電流延壽修復技術各有優缺點，與拉伸式延壽修復系統相比，遠地式延壽修復系統的電纜和輔助陽極布置方式更安全，但安裝費用高。

（3）通過對遠地式系統的電纜安裝方式進行調整，設計了一種拉伸式電纜結構，相較于遠地式電纜的固定方式，可有效降低安裝費用；電纜穿越潮差和飛濺區時，電纜采用護管防護，相較于拉伸式結構更加安全。