深水FPSO水下系泊系統(tǒng)防腐蝕設計

徐田甜，高德歡，張美榮

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油安全技術服務有限公司，天津 300452；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）是深水油田開發(fā)的重要工程設施。FPSO系泊系統(tǒng)主要包括甲板機械、導鏈裝置、錨鏈、錨纜、海底定位錨和監(jiān)測設施等，是事關FPSO安全的關鍵系統(tǒng)之一［1］。海洋環(huán)境中的各種腐蝕因素都會不同程度地引起FPSO系泊系統(tǒng)的腐蝕，其中錨鏈、錨纜的腐蝕速率較快，已誘發(fā)了多次深水FPSO服役早期的系泊線斷裂事故［2］。西非、巴西、中國南海等熱帶海域FPSO實測到的飛濺區(qū)錨鏈最大腐蝕速率超過了美國石油學會API-RP-2SK規(guī)范的推薦設計值；錨纜發(fā)生了鋼絲松股、鋼絲腐蝕后直徑減小或斷絲；水下掣鏈器因防腐蝕設計缺陷造成轉(zhuǎn)軸部件局部嚴重坑蝕、點蝕；故錨鏈、錨纜、掣鏈器的耐腐蝕、抗疲勞性能越來越受到重視［3-5］。水下系泊系統(tǒng)與FPSO船體、海底定位錨的防腐蝕設計界面成為重要的技術界面［6-8］。

本文以一艘西非深水FPSO水下系泊系統(tǒng)為例，介紹其所屬石油公司的企業(yè)標準——《FPSO系泊設計總則》（簡稱企標Ⅰ）、《FPSO船體結構設計總則》（簡稱企標Ⅱ）、《水下裝置防腐蝕設計總則》（簡稱企標Ⅲ）、《海上浮式裝置防腐蝕涂層設計總則》（簡稱企標Ⅳ）、《海上浮式裝置陰極保護設計總則》（簡稱企標Ⅴ）和水下系泊系統(tǒng)防腐蝕設計的要點和成果，從深水海洋環(huán)境、結構選材、防腐涂層和陰極保護等方面對水下系泊系統(tǒng)防腐蝕進行總結。

1 FPSO系泊系統(tǒng)概況

深水油田位于西非幾內(nèi)亞灣，開發(fā)采用“多點系泊FPSO+水下生產(chǎn)系統(tǒng)”工程模式。FPSO船體總長×型寬×型深為330 m×61 m×33.5 m，入法國船級社（BV）級［9-11］。按照企標Ⅰ要求，F(xiàn)PSO系泊設計滿足國際標準化組織的ISO19901-7、美國石油學會的API-RP-2SK和法國船級社的BV-NR216、NR493等規(guī)范的要求［1213］。FPSO系泊設計要求服役25年不解脫，并考慮服役之前3年建設施工期間的腐蝕冗余［10］。

FPSO定位采用4組共16根系泊線，總體布置如圖1所示。每根系泊線由上部錨鏈、中部錨纜、海底錨鏈（包括錨頭鏈）及連接器（Link）組成（見圖2）。上部錨鏈由FPSO舷側(cè)的水下掣鏈器鎖緊控制，如圖3所示［10］。16個海底錨鏈出泥點為理論錨固點（圖1中的P1～P8、S1～S8），理論錨固點與FPSO水下掣鏈器之間的水平距離均為2 100 m；海底錨鏈的連接、安裝需要水下機器人（ROV）作業(yè)，如圖4所示。水下系泊系統(tǒng)主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 水下系泊系統(tǒng)主要設計參數(shù)Tab.1 Main design parameters for underwater mooring system

圖1 FPSO系泊總體布置示意圖Fig.1 General arrangement of FPSO spread mooring

圖2 上部錨鏈、中部錨纜、海底錨鏈及連接器Fig.2 Top chain，mooring wire，bottom chain，and link

圖3 FPSO船首左舷水下掣鏈器布置Fig.3 Arrangement of FPSO bow port side fairlead chain stopper

圖4 海底吸力錨和錨鏈Fig.4 Suction pile and bottom chain

2 FPSO系泊系統(tǒng)基本耐腐蝕性能

通常FPSO船體和水下系泊系統(tǒng)綜合采用耐腐蝕材料、腐蝕余量、防腐涂層和犧牲陽極陰極保護等方法，以滿足基本耐腐蝕性能要求。錨鏈在熱帶海域和飛濺區(qū)要求的腐蝕余量明顯高于其他部位。西非海域?qū)ι喜垮^鏈造成的坑蝕是由微生物導致的，和溫暖的氣候及富氮海水有關，硫酸鹽還原菌是造成微生物腐蝕和坑蝕的主要原因，如圖5所示［2］；錨鏈表面出現(xiàn)局部腐蝕受到鋼材中的Mn、S等夾雜質(zhì)的影響。深水的水溫和系泊線運動對海底錨鏈的磨損、腐蝕有顯著影響［4］。按照企標Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ要求，F(xiàn)PSO船體和水下系泊系統(tǒng)各部件設計了腐蝕余量和防腐涂層，如表2所示，其中系泊線各部件的腐蝕余量按28年壽命計算取值［9-11］；錨鏈、錨纜設計保證在扣除腐蝕余量后，最小破斷拉力的安全系數(shù)仍能滿足規(guī)范要求［10］。

圖5 西非幾內(nèi)亞灣FPSO上部錨鏈腐蝕（服役5年后）Fig.5 Corrosion of FPSO top chain in Gulf of Guinea，West Africa（after 5 years of service）

表2 FPSO船體和水下系泊系統(tǒng)設計腐蝕余量和防腐涂層Tab.2 Corrosion allowance and anti-corrosion paint for FPSO hull and underwater mooring system

企標V對系泊線部件的化學成分要求如表3所示。Cr和Mo元素可使不銹鋼表面在海水中形成鈍化膜；在海底錨鏈材料中加入Cu可提高材料的抗菌性能，起到抑制海底微生物腐蝕的作用；增大錨鏈連接器、錨纜端節(jié)頭材料中Ni的含量可提高材料的力學性能、延展性和耐腐蝕性［14］。

表3 系泊線部件化學成分要求Tab.3 Chemical composition requirement for mooring line elements

FPSO水下系泊系統(tǒng)及掣鏈器船體基座處鋼材具有氫脆敏感性，采用低驅(qū)動電位鋁-鋅-銦合金犧牲陽極保護，其工作電位為-800～-850 m V，可使水下系泊系統(tǒng)及掣鏈器船體基座處既得到有效保護，又不致增加其氫脆敏感性。在水深大于500 m的高壓強環(huán)境中，吸力錨和錨纜端節(jié)頭表面難以形成鈣沉積層，陽極須提供足夠的電流以保證吸力錨和錨纜端節(jié)頭充分極化［15］。

企標V要求的FPSO船體外部、掣鏈器、錨纜端節(jié)頭、海底吸力錨等處安裝的陽極化學成分要求如表4所示。陽極中的鋅含量小于3%時電流效率較高，鋅含量為4%～5%時電流效率下降，故鋅含量不宜大于5%；銦含量小于0.03%時電流效率增高，大于0.03%時電流效率下降［16-17］。企標V要求20℃溫度時，該型陽極的電化學容量不小于2 433 A·h/kg。

表4 犧牲陽極化學成分要求Tab.4 Chemical composition requirement for sacrificial anode

3 水下系泊系統(tǒng)陰極保護設計基礎

保護電位和保護電流密度是FPSO水下系泊系統(tǒng)陰極保護設計的2個重要參數(shù)。犧牲陽極方法須在FPSO掣鏈器船體基座、掣鏈器、錨纜端節(jié)頭、海底吸力錨等處安裝足量的陽極來保證保護電位和保護電流密度，而陽極輸出電流的自我調(diào)節(jié)能力有限，因此需要較為精確的設計。

水深超過500 m的深水腐蝕環(huán)境特征與表層海水顯著不同。深水環(huán)境的壓強、溫度、鹽度、溶解氧濃度、p H值、流速、微生物等因素對金屬材料的腐蝕均有影響，其中對腐蝕影響最大的是溶解氧濃度，其次是溫度和流速［8］。陰極保護設計主要環(huán)境參數(shù)如表5所示。

表5 陰極保護設計主要環(huán)境參數(shù)Tab.5 Main environmental parameters for cathodic protection design

3.1 企業(yè)標準要求

3.1.1 陰極保護電位

碳鋼結構在海水環(huán)境中采用陰極保護被極化至-800 m V（相對于Ag/AgCl海水參比電極）時，腐蝕速率可被抑制到可接受的低水平。企標V要求：陰極保護系統(tǒng)將飛濺區(qū)及以下系泊設施極化后，陰極保護電位E0c應滿足以下要求：

（1）E0c≤-800 m V。

（2）碳鋼結構屈服強度≤550 MPa時，-1 100 m V≤E0c≤-800 m V。

（3）如結構易遭受氫致應力腐蝕開裂（HCC），-1 050 m V≤E0c≤-800 m V。

（4）可能發(fā)生硫酸鹽還原菌微生物腐蝕區(qū)，E0c≤-900 m V。

FPSO船體外部、掣鏈器及基座、錨鏈、錨纜端節(jié)頭的陰極保護電位E0c為-800 m V，吸力錨的陰極保護電位E0c為-900 m V。

有若干文獻(文[1]～文[3])都討論了如何將矩形剪拼成等面積正方形，此階段我們參考文[1]中的做法，其剪拼次數(shù)相對較少.

3.1.2 陰極保護電流密度

企標V要求：FPSO船體和水下系泊系統(tǒng)陰極保護電流密度應取為1.1倍的DNVGL-RPB401 2017《陰極保護設計》（以下簡稱DNV規(guī)范）要求值。水下系泊設施對保護電流密度設計需求如表6所示。

表6 FPSO船體和水下系泊設施保護電流密度Tab.6 Design requirements for protection current density of underwater mooring facilities

電阻率是計算陰極保護電流密度的重要影響因素。按企標V要求和DNV規(guī)范計算的陰極保護設計電阻率如表7所示。

表7 陰極保護設計電阻率Tab.7 Resistivity for cathodic protection design

3.2 犧牲陽極用量計算方法

FPSO水下系泊系統(tǒng)及掣鏈器船體基座處犧牲陽極用量按DNV規(guī)范計算確定。FPSO船體和系泊系統(tǒng)設計要求服役25年不解脫，并考慮服役之前3年建設施工期間的腐蝕冗余。FPSO船體出塢下水前，掣鏈器及基座即安裝在船體舷外，故船體、掣鏈器及基座陽極設計壽命tf為28年。為了縮短FPSO海上安裝工期，吸力錨和系泊線在FPSO海上安裝前1年預先安裝、鋪設在海底，故吸力錨、錨纜端節(jié)頭陽極設計壽命tf為26年［18］。吸力錨筒內(nèi)陽極利用率取0.8，其他部位陽極利用率均取0.9。陽極理論電化學容量為2 433 A·h/kg（溫度為20℃時）。表層海水中的陽極材料電化學容量按海水平均溫度28℃修正后為2 217 A·h/kg，陽極消耗率為3.95 kg/（A·a）。海底陽極材料電化學容量為2 433 A·h/kg，陽極消耗率為3.6 kg/（A·a）。FPSO和水下系泊系統(tǒng)防腐涂層破損率fc計算結果如表8所示。

表8 防腐涂層破損率fc計算結果Tab.8 Result of anti-corrosion coating damage rate fc

4 水下系泊系統(tǒng)犧牲陽極設計結果

4.1 船體基座犧牲陽極

企標V要求：除非FPSO船體和舷外懸掛設施采用了外加電流保護，F(xiàn)PSO船體外部的犧牲陽極設計還須考慮水下系泊線等懸掛設施50%外表面積的保護電流密度需求［19］。上部錨鏈的出鏈長度（掣鏈器以下長度）約為121.3 m，故掣鏈器船體基座陽極設計考慮60 m長上部錨鏈保護電流密度需求。FPSO掣鏈器船體基座犧牲陽極設計結果如表9所示，即要求在掣鏈器船體基座附近再加密布置70塊船體外部陽極，如圖6所示。

表9 FPSO掣鏈器船體基座犧牲陽極設計結果Tab.9 Design result of FPSO fairlead chain stopper hull foundation sacrificial anode

圖6 FPSO掣鏈器船體基座附近陽極Fig.6 Sacrificial anode near the hull foundation of FPSO fairlead chain stopper

4.2 掣鏈器犧牲陽極

掣鏈器設計保證始終有4個上部錨鏈的鏈環(huán)與主臂身內(nèi)的彎曲筒接觸，確保錨鏈和掣鏈器之間有良好的導電連續(xù)性。根據(jù)工程經(jīng)驗，掣鏈器陽極設計應考慮20 m長上部錨鏈的保護電流密度需求。單個掣鏈器犧牲陽極設計結果如表10所示。陽極布置位置避開了掣鏈器主臂身結構的高應力區(qū)和塑性變形區(qū)，如圖7所示。掣鏈器頂部鎖緊頭、底部鐘形嘴處的陽極安裝空間受限，故采用了小塊的陽極。20 m上部錨鏈所需陽極用量約占擎鏈器上陽極總用量的24.7%。

表10 單個掣鏈器犧牲陽極設計結果Tab.10 Design result of single fairlead chain stopper sacrificial anode

圖7 FPSO掣鏈器上的陽極Fig.7 Sacrificial anode on FPSO fairlead chain stopper

按照企標Ⅰ、Ⅴ要求，F(xiàn)PSO在4組掣鏈器附近船體舷外均安裝1套陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)裝置，監(jiān)測掣鏈器及附近船體的陰極保護電勢。監(jiān)測電位探頭由Ag/AgCl海水參比電極和高純Zn參比電極組成，可測量電位范圍為-1 400～1 400 m V，電位分辨率為1 m V，電位阻抗大于1 MΩ。監(jiān)測系統(tǒng)主面板可輸出電位數(shù)據(jù)和模擬圖，具備人機交互和自動報警功能。

4.3 錨纜端節(jié)頭犧牲陽極

錨纜的鋼絲經(jīng)過熱鍍鋅表面處理，每層鋼絲上涂抹潤滑油脂，錨纜外部采用11.25 mm厚的中密度聚乙烯護套保護。錨纜端節(jié)頭處采用wirelock樹脂膠水和TLMM型復合材質(zhì)的襯套、密封圈將鋼絲端頭密封（見圖8），并在每根錨纜的2個端節(jié)頭處各安裝1塊可拆卸式犧牲陽極（見圖9），對端節(jié)頭進行陰極保護［20］。單根錨纜端節(jié)頭犧牲陽極設計結果如表11所示。

表11 單根錨纜端節(jié)頭犧牲陽極設計結果Tab.11 Design result of single mooring wire socket sacrificial anode

圖8 向錨纜端節(jié)頭中澆鑄wirelock樹脂膠水Fig.8 Re-socketing wirelock resin glue into wire socket

圖9 錨纜端節(jié)頭上的可拆卸式陽極Fig.9 Removable sacrificial anode on wire socket

4.4 吸力錨犧牲陽極

為保證吸力錨與土體之間的摩擦力和土的吸附力，按照企業(yè)標準《板裙基礎和吸力錨設計、安裝總則》要求，吸力錨在泥面以下結構的表面不能設防腐涂層。吸力錨僅在泥面以上的外表面有防腐涂層，其他部位均為裸鋼表面，對所有結構表面均計算保護電流密度需求。根據(jù)工程經(jīng)驗，吸力錨陽極設計應考慮30 m長海底錨鏈的保護電流密度需求。單個吸力錨犧牲陽極設計結果如表12所示。30 m海底錨鏈所需陽極用量約占吸力錨上陽極總用量的3.2%。吸力錨內(nèi)部的陽極均安裝在頂部梁的側(cè)面。

表12 單個吸力錨犧牲陽極設計結果Tab.12 Design result of single suction pile sacrificial anode

為便于ROV檢測吸力錨和海底錨鏈的陰極保護電勢，按照企標Ⅲ要求，在每個吸力錨上至少設一處電勢檢測點（電觸點）；檢測點由100 mm×100 mm鋼板制成，對鋼板表面噴砂除銹并涂上臨時防腐漆。電勢檢測點鋼板與海水直接接觸，應位于ROV攜帶的檢測儀易于觸碰到的位置。為避免系泊線海上安裝時錨頭鏈刮碰到安裝在吸力錨側(cè)面的陽極，在可能受刮碰的陽極上、下方安裝了防碰架。

5 結 語

圖10 吸力錨頂外部陽極布置Fig.10 Layout of external sacrificial anode on suction pile top

圖11 吸力錨頂內(nèi)部陽極布置Fig.11 Layout of sacrificial anode inside suction pile top

西非深水FPSO系泊系統(tǒng)設計要求25年壽命期內(nèi)不解脫，且吸力錨和系泊線在FPSO海上安裝前1年預先安裝、鋪設在海底，給FPSO船體和水下系泊系統(tǒng)的防腐蝕設計提出了較高的要求。水下系泊系統(tǒng)根據(jù)熱帶深水海域的腐蝕環(huán)境特點，對錨鏈、錨纜、掣鏈器及基座、連接器和吸力錨等進行了耐腐蝕材料選型設計，并按規(guī)范和石油公司企業(yè)標準要求設計了FPSO船體和水下系泊系統(tǒng)各部件處的腐蝕余量和防腐涂層。

水下系泊系統(tǒng)的陰極保護采用可靠性較高的犧牲陽極方法，考慮了16根系泊線上的60 m上部錨鏈和30 m海底錨鏈的保護電流密度需求；全壽命期內(nèi)所需的鋁-鋅-銦合金犧牲陽極總凈質(zhì)量達105.9 t。FPSO和吸力錨設計還考慮了陰極保護監(jiān)測的需要，滿足了水下系泊系統(tǒng)結構防腐蝕完整性管理的要求。