自升式平臺樁體ICCP技術的應用

王 海 閆則明 李風順 莊則敬 紀蒙生 張修武 劉登輝 李文言

（1. 中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海鎧防腐工程技術分公司，上海 200131；2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；3. 青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071；4. 天津瑞洋海洋工程有限公司，天津 300450）

0 引言

自升式平臺是移動式海洋平臺的其中一類。自升式平臺配備了動力裝置、居住設備、鉆井機械和船體的支撐用可升降樁腿，作業時樁腿著地，船體平臺升至海面上一定高度，需要移動時則把平臺降至水面，收起樁腿由拖船拖至指定位置。因為平臺的工作環境處于強腐蝕介質中，所以必須采取有效的防腐蝕措施從而減少環境對平臺的破壞，延長設備的服務壽命。由于防腐涂層特別是水下的涂層的耐久性和維護難度，平臺的防腐涂料并不能對平臺樁腿起到徹底的防護作用，因此有必要對樁腿進行陰極保護，樁腿的升降系統結構復雜，且與平臺結合緊密、空間狹小，并不適宜犧牲陽極陰極保護法。本文介紹了一種應對自升式平臺腐蝕的陰極保護技術。

1 自升式平臺外加電流陰極保護設計

1.1 系統簡介

自升式平臺外加電流腐蝕控制系統是用來保護平臺樁體不受海水腐蝕的專用裝置。外加電流陰極保護裝置的工作原理是通過控制電源提供直流電流，電源正極接輔助陽極，負極接樁體，在海水構成的回路中，通過參比電極對極化的樁體進行電極監控，從而根據電位動態調節所需保護電流，以達到最佳保護電位范圍。

1.2 外加電流陰極保護設計

1.2.1 概述

平臺作為在天津渤海海域工作的自升式鉆井平臺。平臺水下部位主要包括三根?3200×75m樁腿和?9200×1.65樁靴。整個樁腿吃水深度40米，入泥10m。

保護方式：ICCP系統與涂層聯合保護。

1.2.2 設計計算

1）設計參數[1]

保護壽命：≥10年

最小保護電流密度：平臺水下部位鋼結構保護電流密度取35mA/m2。平臺海泥中部位鋼結構保護電流密度取20mA/m2。

技術指標：最小保護電位E保，min（高純鋅參比電極）＝0.25V。

最大保護電位E保，max（高純鋅參比電極）＝0.05V。

在有效保護期內，系統回路電阻不會增加；平臺水下及泥中部位鋼結構得到有效保護，腐蝕得到減緩或抑制，平臺水下及泥中部位鋼結構外壁沒有明顯減薄。

2）陰極保護設計計算

（1） 樁腿和樁靴保護面積計算

計算單只樁腿最大入水保護面積：（樁體最大入水40m）：

計算單只樁靴及樁腿入泥的保護面積：（樁體最大入泥10m）：

（2）保護電流計算

根據設計規范[7,8]，陰極保護總電流應不小于按下式計算所得值：

式中：

Sz為陰極保護區結構的面積；

iz為陰極保護區結構的保護電流密度，A/m2；

η為電流分配效率，取0.7～0.8；

n為油井口數；

K為裕量系數，取1.2。

考慮到投入運行后對涂層的破壞,結合平臺工作海域的環境條件和同類平臺的保護經驗，平臺水下部位鋼結構保護電流密度取35mA/m2。平臺海泥中部位鋼結構保護電流密度取20mA/m2。

則需要的總保護電流為：

1.2.3 設計結果

設計壽命≥10年，根據設計計算和平臺的結構特點，陰極保護系統選用1臺型號為HFSF-200型恒電位儀，6支HFPY-1型輔助陽極和3支HFPZ-2型參比電極進行控制。恒電位儀額定輸出電流為100A，額定輸出電壓為24V；輔助陽極電極材料為MMO，安裝于每個樁靴各2支，每支陽極額定輸出電流為15A。參比電極為高純鋅參比電極，安裝于每個樁靴各1支。

2 安裝工藝

2.1 恒電位儀的安裝

恒電位儀安裝在平臺生活樓第四層升降控制室內，或其它便于監控和用電的位置。將恒電位儀安裝在固定于船體上的陽極架上。恒電位儀工作釋放的熱量較低，機柜外殼為常溫，變壓器約為50℃，工作噪音低于42dB。工作時，陰極接樁體，陽極接輔助陽極，不可接反[2]。

2.2 輔助陽極的安裝

輔助陽極的主體確保與平臺樁體絕緣，干燥狀態下（即沒有下水前）絕緣電阻應大于1MΩ[3]，同時，陽極結構應確保其水密性能及能耐受大于0.7MPa的壓力。輔助陽極安裝在樁靴上，每支樁靴安裝2支輔助陽極，對稱分布在樁靴上表面。輔助陽極采用附板式安裝，首先在樁靴外板開安裝孔，將附板焊接在樁靴外板上，然后將陽極體采用螺栓方式固定在陽極體的附板上（如圖1所示），最后將電纜引入樁靴內。輔助陽極周圍涂刷陽極屏[5,6]。

圖1 輔陽極助安裝圖（方形）

2.3 參比電極的安裝

參比電極的主體確保與平臺樁體絕緣，干燥狀態下（即沒有下水前）絕緣電阻應大于1MΩ[4]，同時，電極結構應確保其水密性能并且能耐受大于0.7MPa的壓力。參比電極安裝在樁靴上，每支樁靴安裝1支參比電極，分布在與輔助陽極成120°角的同一水平面上。采用附板式安裝（如圖2所示）。參比電極在安裝過程中應保護好電極體，防止碰傷、燒傷及涂料和其它物質的污染。

圖2 參比電極安裝圖（圓形）

2.4 電纜的連接

輔助陽極和陰極連接電纜應選用船用電纜，參比電極電纜應選用屏蔽電纜。電纜連接應符合艦船電纜連接要求，電纜傳輸中不允許有接頭，若有應裝置防爆裝置。每支升降樁電纜應編號標明。陽極電纜要與樁體絕緣，要求絕緣電阻大于1MΩ。穿過艙室應做好密封。

2.5 電纜敷設方案

輔助陽極和參比電極安裝后，其電纜接點在樁靴內的水密罩內，將電纜連接好從水密罩電纜出口穿出后，用螺栓將水密罩密封。電纜在樁腿內匯總共同走線，從樁腿內部引到平臺上，再從上部的相應出口引出，引到主控制室。穿過艙室應做好密封。電纜布置如圖3所示。

圖3 電纜布置圖

3 設備現狀及前景

3.1 設備運行效果

圖4 電極電纜安裝（樁頂敷設）

通過對平臺ICCP使用效果的回訪了解到平臺外加電流陰極保護系統運行正常，輔助陽極和參比電極運行良好，設備自動運行時參比電極監測平臺樁腿電位處于0～250mV保護電位范圍內[8]，保護效果良好。使用便攜式參比電極檢測了平臺樁腿上部和船體的電位，測得樁腿上部電位為-916mV，船體電位為-913mV，說明整個樁腿都達到了保護狀態。平臺已投產工作4年后水下檢查時發現平臺的樁靴和樁腿表面狀態良好，無明顯銹蝕現象。說明整套外加電流陰極保護設備運行狀態良好，大大降低了平臺的腐蝕速度，保證采油平臺長壽命的安全運營。下面以其中一平臺的運行數據為例分析系統的運行狀態和平臺的保護效果。

圖5為某平臺運行52個月的外加電流陰極保護系統的運行數據。腐蝕控制建成系統采用自動控制運行，調試運行時自動控制給定電位為150mV（相對于高純鋅電極）。由于平臺的樁腿和平臺船體都做了涂層防腐，因此初始時需要保護電流較小。從圖5可以看出，隨著平臺服役時間的增加，陰極保護需要的保護電流也逐漸增加，這是由于隨著平臺服役年限的增加，涂層破損率逐漸增大。圖中第32個月參比電極的電位下降是由于平臺工作人員調節了給定電位。從圖5還可以看出在自動控制狀態下，外加電流腐蝕控制系統運行穩定，平臺的3個樁腿的保護電位始終處于被保護范圍。

圖5 系統運行數據圖

3.2 應用前景

現在海洋工程中的半潛式平臺和導管架平臺仍然普遍使用犧牲陽極的方式進行陰極保護[9]。但是隨著海洋開發的進一步加快，擁有資源節約和環境友好等優點的自升式平臺外加電流陰極保護技術也可在進一步改進后應用于半潛式平臺和導管架平臺。此技術在可以實現對新建平臺進行陰極保護的同時，也可實現對老舊平臺的延壽修復，因而具備廣闊的市場前景。我國目前尚且欠缺深水平臺外接電流尤其是超200m水深的平臺的設備設計、制造、安裝經驗，設備安全性和可靠性都需要進一步驗證。對此既需要在設計生產的過程中嚴格要求，并結合實際工程進行改進，同時也要學習借鑒國外的先進技術和科研成果。為我國藍色海洋經濟的發展做出貢獻。

4 結語

（1）自升式平臺外加電流陰極保護系統在設計上進行了優化，達到簡潔方便的效果的同時，陰極保護效果同樣良好，是平臺的腐蝕控制的優秀解決方案；

（2）該技術經改進和優化可應用于半潛式平臺、導管架平臺等其它海洋平臺的腐蝕控制中，為我國藍色海洋經濟做出貢獻。