基于縮比模型的海底管道外加電流陰極保護系統延壽技術研究

賈 旭 胡麗華 宣超杰 常 煒 鞠孝行 宋世德

（1. 大連理工大學，遼寧 大連 116024；2. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

隨著油氣資源需求的日益增加，海底油氣管道也迅速在海底蔓延開來。海底管道因其使用壽命長、制造成本相對低廉等原因，鋪設距離逐年增加。截至2017年，全球在役油氣管道數量達3800條，總里程約196萬公里，在海上能源輸送中發揮著重要作用[1]。由于長期處在高壓、低溫的復雜海洋環境下，海底管道在投入運行之前需進行合理的陰極保護系統設計，目前普遍采用的是犧牲陽極和外防腐涂層結合的方法[2]。但隨著服役年限的增加，管道防腐涂層不斷降解惡化，外加水下外力對管道的剮蹭或者導管架平臺等連接結構短接的原因，造成犧牲陽極的丟失或過度消耗，導致管道直接與海水接觸，陰極保護系統提前進入中后期階段[3]。為了保證海洋油氣開發的持續性和安全性，在檢測到管道缺陷的情況下，選擇經濟合理的腐蝕防護方式延長在役海底管道陰極保護系統服役壽命的工作勢在必行。

目前海洋結構的陰極保護延壽技術包括犧牲陽極陰極保護（SACP）技術和外加電流陰極保護（ICCP）技術。犧牲陽極陰極保護的設計相對簡單，但其制造和使用過程中會伴隨生態污染，水下施工量大，工程投資和維修費用相對較高。而外加電流陰極保護是通過外加直流電源和輔助陽極向被保護結構物施加陰極電流，使被保護結構物達到保護狀態，其保護電流可調，水下施工量小，是一種環境友好型產品，尤其隨著油氣的開采范圍逐漸向深海區域發展，外加電流延壽的經濟性則逐漸凸顯[4-6]。但目前，外加電流陰極保護在海洋導管架平臺陰極保護中被廣泛使用，在海底管道延壽方面的研究和報道幾乎為零。目前的外加電流陰極保護系統有遠地式、拉伸式和固定式三種，僅遠地式可適用于海底管道，因此提出一種針對海底海底管道的遠地式外加電流陰極保護延壽方法[7,8]。圖1為遠地外加電流方法示意圖。

圖1 遠地外加電流方法示意圖

外加電流陰極保護系統的設計方法有數值模擬和縮比實驗方法2種[9]。縮比實驗是將被保護結構物的外形尺寸和海水電導率等參數進行一定比例的縮放，分析被保護結構物表面電位的方法。此種方法的局限性是一種模型只能進行一種結構的研究，但可以更實際的評估陰極保護系統的設計。因此，本文基于縮比模型理論，建立實驗室實驗物理模型和相應的外加電流陰極保護系統，對遠地外加電流陰極保護延壽技術的有效性進行實驗室層面的驗證，并研究其相應規律。

1 實驗部分

海底管道外加電流陰極保護室內模擬模型包括：模擬實驗水池、海底管道縮比模型、外加電流陰保護系統、電位檢測系統和相關配套組件等[10]。

1.1 模擬實驗水池

模擬實驗水池選取大連理工大學船舶拖曳實驗水池，該水池尺寸為160×7×3.7m。池水電導率為505μs/cm，大連小平島海域海水電導率為31846μs/cm，因此確定縮尺比例為1:63，并按照此縮尺比例建立管道模型，圖2為實驗水池。

圖2 實驗水池

1.2 管道縮比模型

圖3為管道模型，管道縮比模型以外徑為762mm的管道為原型，按照確定的縮尺比例，選取外徑為12mm的Q345鋼質管道模型，管道模型通過若干管段連接而成，每段管段長度在3～4m不等，兩管段之間通過焊接螺絲公頭和母頭進行連接，同時在管段連接處兩端通過銅線連接以降低螺紋連接電阻的影響，連接總長度為50m，可用于模擬3km管道。管道表面使用帶膠熱縮管模擬涂層，對這個管道等距設置5處涂層破損，每處涂層破損長度為15cm，在其附近固定參比電極，用于檢測涂層破損區域電位。

圖3 管道模型

1.3 外加電流陰極保護系統

圖4為外加電流陰極保護系統，外加電流陰極保護系統由Test CS系列電化學工作站和Pt 017鉑絲輔助電極組成。使用電化學工作站雙電極系統的恒電流極化提供恒定并穩定的電流輸出。鉑絲電極直徑1mm，長37mm，電化學穩定性較穩定，電流效率較高。

圖4 外加電流陰極保護系統

1.4 電位檢測系統

圖5為電位檢測系統，電位檢測系統主要由集成數據采集卡的工控機和Ag/AgCl固體參比電極組成。數據采集卡為NI 6218型號采集卡，此型號采集卡有16通道，輸入阻抗高，可達10 GΩ，且采集數據噪聲較小，數據采集卡的采集頻率為0.5Hz。所使用的Ag/AgCl固體參比電極精度在±1mV范圍內，實驗前在環境中靜置72h以上，并在實驗室定期使用飽和甘汞電極進行標定。

圖5 電位檢測系統

1.5 實驗方法

圖6為實驗室實驗布置俯視圖，實驗室縮比模型建立完成之后，按照圖6進行實驗布置，完成兩個工況的實驗室實驗，分別為：

（1）電流為14mA時，距離分別0.16m、0.48m、0.80m、1.12m，為對應實際距離為10m、30m、50 m、70m情況下，管道表面電位分布規律；

（2）距離為 30m時，施加電流大小分別為14mA、16mA、18mA、20mA情況下，管道表面電位分布規律。

圖6 實驗室實驗布置俯視圖

2 結果與討論

首先在未施加電流的情況下，記錄5個固定參比電極的開路電位作為自腐蝕電位，5個參比電極的數值上下波動不超過5mV，并將實驗中測量的Ag/AgCl固體參比電極電位數據轉化為同條件下的飽和甘汞參比電極數據，得到如表1所示數據。

表1 飽和甘汞電極自腐蝕電位表

2.1 等電流距離影響

實驗保護電流為14mA不變，將輔助陽極垂直管道方向放置于1#參比電極附近池底，調整輔助陽極與管道之間的距離分別為0.16 m、0.48 m、0.8 m、1.12 m，整個管道電位極化數據如圖7所示。

圖7為距離影響極化數據圖，顯示管道表面各位置參比電極均極化并達到收斂狀態，在任何距離下，遠地陽極達到對50m（3km）管道的整體腐蝕控制。

圖7 距離影響極化數據圖

為研究管道表面電位變化規律，提取各距離下各參比電極的收斂電位值，與管道自腐蝕電位值做差得到電位差值（施加電流-未加電流），如圖8所示。

圖8 距離影響圖

從圖8中可以看出，隨著遠地陽極與管道之間距離的增加，1#參比電極電位逐漸正移，但降低幅度逐漸變小。1#參比電極與5#參比電極之間電位差逐漸減小，管道表面電位分布的更均勻。在各距離下，沿管長方向的各參比電極電位逐漸正移，電位變化逐漸變緩，除1#參比電極外，其余參比電極在各距離下的電位變化不超過5mV，可視為趨于穩定。

2.2 等距離電流影響

將遠地陽極放置距離固定為0.48m不變，對應實際距離30m，調節施加保護電流分別為14mA、16mA、18mA、20mA，每一次施加電流都等到管道完全去極化至自腐蝕電位之后再進行施加，各電流下的極化數據如圖9所示。

圖10為同樣計算各電流下電位差值繪制成的曲線圖。從圖中可以看出，隨著施加電流大小增加，管道表面電位整體同步變負。單獨就某一電流下的曲線來看，依然呈現在遠地輔助陽極位置處，管道表面電位最負，沿管長路由方向逐漸正移且趨于幅度變小，電位差差值可以保證在5mV以內。

圖9 電流影響極化數據圖

圖10 電流影響圖

2.3 實驗現象分析

根據以上兩種工況的實驗，分析呈現相應規律的原因是：在遠地陽極附近的涂層破損處受輔助陽極釋放電場的影響較大，在其周圍附近表現為較負的電位場，而隨著距離遠地陽極的距離不斷增加，電場受海水電阻率影響致使電位衰減增加，涂層破損處的電位逐漸正移；隨著沿管長方向距離的增加，相應涂層破損處附近電位場區域穩定，變化很小，相應電位也趨于穩定，如圖11所示。

圖11 電位分布原理圖

3 結語

（1）采用縮比模型理論，建立外加電流陰極保護系統保護管道模型，得到在實驗尺度下，遠地陽極放置在管道端部一定距離處施加一定量的電流可實現3km管道的陰極保護，效果好于犧牲陽極，驗證此種遠地式外加電流陰極保護方法對于海底管道是有效的；

（2）在施加相同電流的條件下，隨著遠地陽極與管道之間距離的減小，遠地陽極放置位置的管道端部電位逐漸變負，電位極差的絕對值變大，管道表面整體電位表現的不均勻。在各距離下，沿管長方向電位逐漸正移，正移的幅度越來越小并逐漸趨于穩定；

（3）在遠地陽極與管道距離一定的條件下，隨著電流的增加管道表面電位會整體負移；

（4）目前只開展了對應3km管道的縮尺模型實驗，對于管道的長度可以繼續延長進一步優化，且可以進行一系列的實海試驗。