深海臥式采油樹陰極保護研究與應用*

余朋偉，任克忍，雷廣進，孫艷超，高 妍，李 晨

(1.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721001；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721001)

水下采油樹是深海油氣開發的關鍵裝備之一,由于其長期浸泡在海水中極易發生電化學腐蝕，嚴重時會導致油氣泄漏，造成巨大的海洋污染和經濟損失。在水下采油樹研制過程中，為降低海水腐蝕帶來的安全隱患，除了涂覆防腐蝕涂層之外，還采用陰極保護等防護措施。在海洋裝備陰極保護技術研究方面國外開展比較早，特別是NACE(美國腐蝕工程師協會)和DNV(挪威船級社)已經制定了這方面陰極保護相關設計標準[1]。國內企業在海洋裝備開發方面起步較晚，在陰極保護數值模擬計算等關鍵技術方面研究還涉獵較少，沒有成熟技術可供參考,因此有必要進行深入研究。

1 陰極保護技術分析

1.1 陰極保護方法

陰極保護有犧牲陽極和外加電源兩種。外加電源需要惰性陽極和外部電源，外部電源需要占用一定的空間，對于采油樹深海環境，后期的維護成本較高，實施較為困難。犧牲陽極是一次性投入，一般不需要后期維護。因此，采用犧牲陽極法抑制深海臥式采油樹的電化學腐蝕，確定了陽極塊布置的最優方案，以達到最佳的陰極保護效果[2]。

1.2 犧牲陽極材料選擇

1.2.1 犧牲陽極的電化學性能

深海臥式采油樹架體結構材料為低合金鋼Q345D，工作水深1 500 m，海水的電阻率為25 Ω·m，經測試低合金鋼Q345D作為陰極被保護的最佳電位為-870 mV。根據DNV標準RP 401—2007《海洋平臺等犧牲陽極陰極保護設計》，對Al-Zn-In-Cd,Al-Zn-In-Sn,Al-Zn-In-Si,Al-Zn-In-Mg-Ti等4種犧牲陽極進行電化學性能及自放電性能進行測試，試驗介質取自南海的海水，試驗溫度為3 ℃[3-5]。試驗時測得保護電位隨時間的變化曲線見圖1，工作電位隨時間的變化曲線見圖2，工作電流隨時間的變化曲線見圖3。

圖1 保護電位變化曲線

由圖1看出，Al-Zn-In-Sn陽極的保護電位在自放電測試初期變化較大，200 h后波動較小，并趨于穩定；Al-Zn-In-Si陽極的保護電位則在自放電測試的中期波動較大；而Al-Zn-In-Cd陽極和Al-Zn-In-Mg-Ti陽極在整個自放電測試過程中保護電位都比較穩定。Al-Zn-In-Cd陽極的保護電位最終穩定在-940 mV，Al-Zn-In-Sn陽極的保護電位最終穩定在-880 mV，Al-Zn-In-Si陽極的保護電位最終穩定在-920 mV，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極的保護電位最終穩定在-1 070 mV。

圖2 工作電位變化曲線

圖3 工作電流變化曲線

由圖1和圖2可以看出，工作電位隨時間的變化趨勢與保護電位基本相同。Al-Zn-In-Cd陽極的工作電位穩定在-940 mV，Al-Zn-In-Sn陽極的工作電位穩定在-890 mV，Al-Zn-In-Si陽極的工作電位穩定在-920 mV，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極的工作電位穩定在-1 080 mV。

由圖3可以看出，Al-Zn-In-Cd陽極和Al-Zn-In-Sn陽極在整個自放電測試中的電流值都比較穩定，只有小幅度波動，而Al-Zn-In-Si陽極和Al-Zn-In-Mg-Ti陽極則在整個測試過程中呈現出較大幅度的波動，這種波動可以用“溶解-再沉積”的機理解釋。從電流方面看，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極的工作電流在11～16 mA之間,其他3種犧牲陽極正常工作狀態下的電流在2～4 mA之間。

1.2.2 犧牲陽極自放電測試

犧牲陽極自放電是將犧牲陽極與被保護體直接耦合，利用兩種材料的電位差形成保護電流，分別測定陽極電位及電流，描繪電位-時間曲線。自放電能夠真實地反應陽極在實際介質中的溶解和活化行為，與陽極實際應用條件相同。通過工作電流的數值變化，觀察陽極的真實極化程度[6]。

在500 h的自放電測試后，4種犧牲陽極未去除表面腐蝕產物的形貌如圖4所示。由圖4可以看出,Al-Zn-In-Cd陽極和Al-Zn-In-Sn陽極表面覆蓋了較多的腐蝕產物，而Al-Zn-In-Si陽極和Al-Zn-In-Mg-Ti陽極表面覆蓋的腐蝕產物量較少。由圖5可以看出，4種犧牲陽極都能夠使低合金鋼Q345D陰極表面形成石灰質垢層，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極形成的石灰質垢層較厚，主要是由于在合金表面發生吸氧或析氫陰極反應，與溶液中的離子作用，當達到某些離子沉積的溶度積時，便開始沉淀析出，這種白色的產物主要是由CaCO3和Mg(OH)2等組成的鈣鎂沉積物。這層沉積物的存在，能夠抑制鋼材的陰極反應，阻止陰、陽離子以及反應產物的擴散，從而起到減緩鋼材腐蝕的作用[7]。

圖4 犧牲陽極腐蝕產物的形貌

圖5 低合金鋼Q345d形貌

通過幾種陽極的電化學性能分析和自放電測試比較可知，Al-Zn-In-Sn作為犧牲陽極時工作電位與Q345D較近，且在其放電測試中的表現證明此陽極能很好發揮陰極保護作用。

1.3 陰極保護參數模擬

利用軟件建立水下采油樹模型來模擬陰極保護參數計算，并對金屬構筑物的表面進行離散化，通過電流源參數和極化曲線參數計算整體結構的電場方程,了解金屬結構各個表面上的電位分布[8]。

為了保證模擬計算結果的準確性，使用了BEASY軟件進行建模和模擬計算[9]，采用了“標準設計+計算機模擬”的研究思路。完成設計后，由計算機進行設計條件下的保護電位分布模擬計算，并進行全壽命保護期內的電位分布驗算，根據計算結果再進行設計方案的調整和優化。

1.3.1 模型建立

根據水下采油樹三維模型圖(圖6)建立模型，對于管道采用常用的管單元，對需要陰極保護的表面采用面單元。在建立數值模型的基礎上，按照陰極保護設計方案，完成陽極材料的3種布置方案設計。

圖6 整體模型

1.3.2 模擬計算分析

開展了陽極材料3種布置方案的數值模擬分析，采用平均擊穿系數下的單只陽極輸出電流1.69 A，進行數值模擬計算，得到電位分布結果。其中方案一：6頂部+8立柱陽極，電位分布為最低-1.301 21 V，最高電位為-1.014 57 V。方案二：2頂部+8立柱+4底部陽極電位分布為最低-1.301 1V,最高-1.013 7 V。方案三見圖7，方案三電位分布見圖8。

為達到降低應力腐蝕的目的，根據DNV標準，采用降低電流輸出進行重新數值模擬。

單根陽極按照25%的電流輸出，針對涂層平均擊穿系數，以單根陽極輸出1.69 A電流為基數，減少后的單根陽極輸出電流為422.5 mA，再次進行數值模擬后的結果表明，方案三在25%的單根陽極輸出電流下最負電位為-891 mV，已經非常接近-880 mV。在方案三的情況下，各個部件也處于陰極保護范圍內，既處于陰極保護狀態下，又不會超出-880 mV的保護上限[10-11]。同時，由于采油樹頂部和后支撐柱(與面板接觸)不推薦安裝犧牲陽極，所以，第三種安裝方案最佳。

圖7 方案三立柱(3+2)陽極+4底部陽極

圖8 方案三電位分布

2 現場應用情況

在深海臥式采油樹樣機上以最佳方案安裝了陰極保護裝置，并進行了通路檢查，確認各零部件均處于受保護狀態。在廠內試驗完成后，最終在煙臺附近海域進行了水下作業試驗。

該次海試，水下臥式采油樹在海底浸放32 d(見圖9)。

圖9 水下臥式采油樹出海后情況

由圖9可以看出,出海后采油樹架體外觀良好，未見明顯腐蝕,陽極塊表面發生明顯化學變化(見圖10)。由圖10可知,陽極表面形成石灰質垢層2 mm左右，該陰極保護系統能有效保護設備不被腐蝕，且自身消減速度合理，滿足了設計要求。

圖10 陽極塊表面情況

3 結論和建議

通過深海臥式采油樹犧牲陽極的陰極保護技術研究，試驗分析了4種犧牲陽極合金材料電化學性能，結合水下臥式采油樹材料和結構特征,通過數值模擬計算分析和海試驗證，達到比較滿意的試驗效果。

(1)自放電測試結果表明:犧牲陽極連接不同的陰極材料，保護電位基本相同；不同犧牲陽極所能達到的保護電位不同。分析對比了4種不同材質陽極材料的工作電位范圍，發現Al-Zn-In-Sn提供的保護電位(-880 mV)最接近水下采油樹材料的陰極保護范圍，故選擇Al-Zn-In-Sn作為犧牲陽極的材料。

(2)采取犧牲陽極限流和降低電流密度的方法，選取14支22 kg，規格為500×(115+135)×130(尺寸單位mm)的鋁合金犧牲陽極，按照方案三方法安裝，滿足了設計要求，使各個部件既處于陰極保護狀態下，又不會超出-880 mV保護上限。

(3)雖然該水下采油樹進行的海水防腐蝕試驗表明陰極保護布置效果尚佳，但該次試驗時間與采油樹的水下工作壽命相差甚遠，為了充分驗證犧牲陽極安裝的合理性，后期應通過工程化應用來驗證初期與末期保護電流和設計壽命是否滿足實際需要。