遠地式導(dǎo)管架外加電流陰極保護集成裝置安裝技術(shù)

趙 剛

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海上油氣田設(shè)施水下結(jié)構(gòu)防腐通常采用犧牲陽極技術(shù)，即在導(dǎo)管架樁腿和拉筋結(jié)構(gòu)上安裝大量陽極塊；近年來，隨著技術(shù)進步，越來越多海洋平臺采用外加電流陰極保護技術(shù)。與前者比較[1]，后者可節(jié)約陽極材料，降低平臺負(fù)重，減少環(huán)境污染，尤其針對較深海域的油氣田設(shè)施，包括應(yīng)用在老平臺結(jié)構(gòu)延壽方面，降本增效成果顯著。而遠地式導(dǎo)管架外加電流陰極保護技術(shù)就是其中一種形式[2]：將輔助陽極框架（內(nèi)嵌若干套陽極）放置在平臺外部一定距離的海床表面，再由平臺電源供電，在被保護平臺結(jié)構(gòu)周圍形成富電子環(huán)境，減緩結(jié)構(gòu)腐蝕從而起到保護目的。

1 概述

遠地式導(dǎo)管架外加電流陰極保護技術(shù)采用的系統(tǒng)集成裝置（見圖1） 包括輔助陽極主電纜、參比電極電纜、支撐鋼纜、固定式沉塊及輔助陽極框架等。該系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、集成度高，能否順利實施海上安裝是該技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵，因此，本文主要研究集成裝置的海上安裝技術(shù)。

圖1 遠地式導(dǎo)管架外加電流陰極保護集成裝置三維模擬

系統(tǒng)集成裝置須在入水前完成連接，采用常規(guī)方法無法保證系統(tǒng)安裝的連續(xù)性與安全性，無法實現(xiàn)陽極主電纜的安全釋放與有效控制，無法保證各設(shè)備、各組成部件在安裝過程中互不干涉而又能作為一個整體實現(xiàn)水下安裝。

為解決輔助陽極框架及固定式沉塊隨主電纜同步入水、就位及安裝的問題，提出新的安裝方案，經(jīng)過三維模擬、理論計算及現(xiàn)場試驗，最終成功應(yīng)用。

2 總體安裝思路

陽極主電纜平臺端接平臺上部變壓器，末端接輔助陽極框架接線口，輔助陽極框架置于平臺外部一定距離的海床表面。安裝時，利用張緊器控制主電纜釋放速度，通過入水橋下水，待電纜通過張緊器后，按照標(biāo)定的設(shè)計位置將參比電極電纜及鋼纜利用若干小夾具與主電纜集成在一起，鋼纜起到支撐作用，其上端利用吊耳固定于抱樁腿卡子處，下端與固定式沉塊連接，沉塊利用浮吊吊機就位安裝。待主電纜釋放到最后，將其末端接輔助陽極框架接口處，并固化密封、檢驗合格，框架利用浮吊吊機就位安裝。

3 校核分析

在利用吊機下放固定式沉塊及輔助陽極框架的同時，須保證陽極主電纜釋放的同步性，保證電纜彎曲半徑大于許用彎曲半徑且敷設(shè)張力小于許用張力。因此，作業(yè)前要對系統(tǒng)集成裝置進行安裝過程模擬、計算及分析，利用CAD及ORCAFLEX軟件模擬整個電纜集成系統(tǒng)的水下姿態(tài)及軌跡，確定安全作業(yè)工況，包括風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的限制條件[3]。

4 試驗

利用張緊器對電纜受力狀態(tài)進行定性試驗，包括測試電纜的夾持狀態(tài)及絕緣護套的極限拉力，確保張緊器專用設(shè)備的匹配性以及電纜絕緣護套的可靠性，測試結(jié)果良好。張緊器對電纜的夾持狀態(tài)測試見圖2，電纜絕緣護套的拉力極限測試見圖3。

圖2 張緊器對電纜的夾持狀態(tài)測試

圖3 電纜絕緣護套的拉力極限測試

5 安裝工藝

采用該工藝及方法可以保證集成裝置安裝的連續(xù)性、安全性，還可實現(xiàn)陽極主電纜的安全釋放與有效控制，特別是保證了系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備、各組成部件在安裝過程中互不干涉且又能作為一個整體進行安裝。

5.1 系統(tǒng)集成裝置組成

系統(tǒng)集成裝置構(gòu)成見圖4，包括輔助陽極主電纜、參比電極電纜、支撐鋼纜、固定式沉塊、輔助陽極框架、變壓器等。

圖4 遠地式導(dǎo)管架外加電流陰極保護集成裝置構(gòu)成

5.2 安裝資源

海上安裝資源包括浮吊船舶、入水橋、張緊器、電纜滾筒、牽引絞車等，作業(yè)線布置見圖5。

圖5 作業(yè)線布置

5.3 復(fù)合纜安裝技術(shù)[4]

待輔助陽極主電纜通過張緊器后，利用若干特制小夾具（見圖6）將參比電極電纜與支撐鋼纜負(fù)荷集成在輔助陽極主電纜上，構(gòu)成復(fù)合纜。復(fù)合纜作為一個整體通過入水橋后下水安裝，支撐鋼纜起到結(jié)構(gòu)支撐作用，其上端利用吊耳固定于抱樁腿卡子處（空氣潛水作業(yè)完成），下端與固定式沉塊連接（甲板上完成）。

圖6 特制小夾具

5.4 固定式沉塊水下就位及安裝技術(shù)

浮吊吊機吊裝固定式沉塊入水、就位及插樁固定[5]，該過程需吊機與電纜作業(yè)線協(xié)同指揮，保持復(fù)合纜、固定式沉塊及陽極主電纜（固定式沉塊與輔助陽極框架之間）同步下放，ROV水下實時觀察各組成部件的姿態(tài)及相對位置，沉塊攜帶信標(biāo)設(shè)備精準(zhǔn)定位，確保操作安全、可靠，固定式沉塊水下就位及安裝見圖7。

圖7 固定式沉塊水下就位及安裝

5.5 輔助陽極框架水下就位及安裝技術(shù)

輔助陽極主電纜末端接輔助陽極框架接口并固化密封，隨后浮吊吊機吊裝框架入水、就位[5]，在此之前，利用牽引絞車與張緊器相互配合，使輔助陽極主電纜隨輔助陽極框架一同入水、安裝。水下利用ROV實時觀察各組成部件的姿態(tài)及相對位置，輔助陽極框架攜帶信標(biāo)設(shè)備精準(zhǔn)定位，同時緩慢移船進行適當(dāng)配合，確保操作安全、可靠，輔助陽極框架吊裝見圖8。

圖8 輔助陽極框架吊裝

5.6 水下定位、連接及自動脫扣回收技術(shù)

浮吊吊鉤上部綁扎信標(biāo)，精準(zhǔn)確定結(jié)構(gòu)物（固定式沉塊及輔助陽極框架）水下安裝位置，信標(biāo)定位布置見圖9；采用彈簧卸扣連接吊索具，以便利用ROV實現(xiàn)水下自動脫扣、回收吊索具，彈簧卸扣布置見圖10；利用ROV抓手在水下連接牽引繩索，如圖11所示。

圖9 信標(biāo)定位

圖10 彈簧卸扣布置

圖11 ROV水下連接索引繩索

6 結(jié)束語

與常規(guī)水下安裝犧牲陽極的保護方案相比較，外加電流保護方式效果更為顯著，成本低，環(huán)境污染小，成為了海洋平臺水下結(jié)構(gòu)防腐蝕重要的途徑和砝碼。應(yīng)用該技術(shù)時，系統(tǒng)集成裝置的安裝尤為關(guān)鍵。本文所述工藝方法解決了海上安裝的難題，增加了張緊器設(shè)備，可實現(xiàn)陽極主電纜的安全釋放與有效控制；利用浮吊吊機配合，解決了固定式沉塊、輔助陽極框架隨電纜系統(tǒng)同步入水、就位及安裝的問題。高度集成的一體化系統(tǒng)確保了海上安裝的連續(xù)性與安全性。該系統(tǒng)集成裝置在南海（水深123 m） 某平臺的安裝，實現(xiàn)了國內(nèi)首次成功應(yīng)用，未來可考慮在國內(nèi)其他油田海域繼續(xù)推廣應(yīng)用。