導(dǎo)管架犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)研究

李 剛 蓋麗麗 李 芬 姚 遠(yuǎn) 朱飛越

（1. 海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520；2. 青島董家口發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 青島 266520；3. 中國船舶集團(tuán)青島北海造船有限公司，山東 青島 266520）

0 引言

石油和天然氣是當(dāng)今世界最主要的化石能源，隨著陸地油氣資源逐漸被開發(fā)殆盡，海上油氣田的開發(fā)正迅猛發(fā)展，作為近海油氣開發(fā)平臺主要的支撐載體—導(dǎo)管架的穩(wěn)定性和長久性是非常重要的。對其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與長久性，導(dǎo)管架防腐是繞不開的話題。導(dǎo)管架坐落在海床之上，樁腿深入海泥之中，主體浸泡在海水（強(qiáng)電解質(zhì)）中，伸出海面部分還要不斷遭受海浪的沖刷和烈日的暴曬，干濕交替，所處的環(huán)境非常惡劣，利于腐蝕的快速發(fā)生。

導(dǎo)管架根據(jù)其腐蝕環(huán)境通常可劃分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)、全浸區(qū)（又進(jìn)一步可細(xì)分為海水區(qū)和海泥區(qū)）。大氣區(qū)一般采用高性能防腐涂料防腐，飛濺區(qū)采用厚漿型玻璃鱗片涂層結(jié)合犧牲陽極防腐，全浸區(qū)（裸鋼）采用犧牲陽極陰極保護(hù)防腐，本文重點(diǎn)介紹水下區(qū)域（飛濺區(qū)和全浸區(qū)）犧牲陽極陰極保護(hù)該如何設(shè)計(jì)。

1 陰極保護(hù)的基本原理

金屬腐蝕是金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用所引起的金屬損失的現(xiàn)象和過程。工程領(lǐng)域常用的金屬材料鋼鐵腐蝕的本質(zhì)是電化學(xué)腐蝕，由于制造鋼材本身材質(zhì)的不均勻性，在電解質(zhì)（海水或土壤）中、氧氣等存在的情況下，鋼鐵在電解質(zhì)中的電位會(huì)不同，從而在鋼鐵表面形成陰、陽極，驅(qū)動(dòng)腐蝕的發(fā)生。

鋼鐵防腐較為普遍使用的一種方法是陰極保護(hù)。陰極保護(hù)的對象既包括暴露在海水或埋在海泥中的結(jié)構(gòu)物外表面，也包括所有被海水充滿的封閉艙室，以及海洋設(shè)施中混凝土加強(qiáng)筋的腐蝕防護(hù)等。

陰極保護(hù)的基本原理是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，從而使金屬表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位。實(shí)現(xiàn)這一目的有兩種辦法，即犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。

犧牲陽極陰極保護(hù)是將被保護(hù)金屬和一種電位更負(fù)的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護(hù)體陰極極化以降低腐蝕速率。

外加電流陰極保護(hù)是將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相連，輔助陽極接到電源正極，由外部電源提供保護(hù)電流，以降低腐蝕速率。

當(dāng)通過陰極極化使所有陰極點(diǎn)的電位都達(dá)到了最活潑陽極點(diǎn)的開路電位時(shí)，結(jié)構(gòu)物上的腐蝕就會(huì)停止。

2 導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)組成

導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般由主要結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)組成，如立柱、拉筋、防沉板、樁、隔水套管、井口導(dǎo)向、靠船件、走道、梯子欄桿等。這些構(gòu)件在縱向上分別處于大氣區(qū)、飛濺區(qū)、全浸區(qū)不同的腐蝕環(huán)境之中。

3 導(dǎo)管架犧牲陽極設(shè)計(jì)思路

導(dǎo)管架犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容是確定陽極的型式，規(guī)格，數(shù)量和布置，其基本思路如下：

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定→保護(hù)面積的計(jì)算→設(shè)計(jì)電流密度的選擇→電流需求量的計(jì)算→初擬陽極規(guī)格尺寸，計(jì)算陽極凈重和毛重→陽極初期發(fā)出電流計(jì)算→陽極末期發(fā)出電流計(jì)算→陽極數(shù)量的確定→使用壽命的核算→陽極的布置。

4 犧牲陽極的計(jì)算

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)首先需要有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：主要有海水電阻率、導(dǎo)管架所在海域的水深、設(shè)計(jì)壽命等；陽極材料一般采用鋁陽極（Al-Zn-In）。

附： 本文中一些字母的含義

4.2 導(dǎo)管架保護(hù)面積的計(jì)算

根據(jù)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)圖紙，按區(qū)域分別計(jì)算出在不同水深區(qū)間段被保護(hù)的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面積，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1

其中按區(qū)域的含義是根據(jù)水線和泥線將導(dǎo)管架的水下部分劃分為飛濺區(qū)，全浸海水區(qū)和海泥區(qū)；按不同水深計(jì)算面積是按設(shè)計(jì)電流密度選擇對應(yīng)的水深劃分，具體如4.3節(jié)所示。

4.3 設(shè)計(jì)電流密度的選擇

挪威船級社DNV-RP-B401-2017按水深、海域的不同給出了鋼結(jié)構(gòu)在海水中初期、末期保護(hù)電流密度和平均保護(hù)電流密度的參考取值，如表2和表3所示[1]。

表2 初期和末期保護(hù)電流密度參考取值（mA/m2）

表3 平均保護(hù)電流密度參考取值（mA/m2）

DNV同時(shí)推薦海泥中鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)電流密度為20mA/m2。

以上數(shù)據(jù)為導(dǎo)管架裸鋼在海水中的保護(hù)電流密度，如果鋼結(jié)構(gòu)表面有涂層，保護(hù)電流密度的取值需考慮涂層破損率（fc），即有涂層的鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)電流密度等于裸鋼的保護(hù)電流密度乘以涂層破損率。

涂層破損率的大小取決于涂層種類和性能、涂層施工質(zhì)量及使用時(shí)間等。DNV-RP-B401標(biāo)準(zhǔn)給出了涂層破損率計(jì)算公式并將涂層分為三類，分別給出了公式中常數(shù)的取值。通常情況下，導(dǎo)管架水下及泥面以下結(jié)構(gòu)不采用防腐涂層，僅依靠犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)；飛濺區(qū)采用玻璃鱗片涂層，保護(hù)電流密度需考慮涂層破損率。為簡化計(jì)算，根據(jù)我國海域的實(shí)際情況和以往海洋工程經(jīng)驗(yàn)，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)電流密度取值可參考表4。

表4 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)電流密度參考值

4.4 電流需求量的計(jì)算

電流需求量=∑電流設(shè)計(jì)密度×保護(hù)區(qū)域面積+井口的電流需求I4c（如表5所示）。

表5 Ic（total）=I1c+I2c+I3c+I4c

4.5 初擬陽極規(guī)格尺寸，計(jì)算陽極凈重和毛重

陽極的型式有Stand-off，flush mounted，bracelet三種類型。導(dǎo)管架常用的陽極類型為Stand-off，如圖1所示；需根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初擬陽極的規(guī)格，反復(fù)試算。常見Stand-off型陽極的規(guī)格設(shè)計(jì)參數(shù)如表6所示。

表6 陽極規(guī)格參數(shù)

圖1

單個(gè)陽極的凈重Wn使用下式公式：

單個(gè)陽極的毛重Wg使用下式公式：

其中：Lc為陽極芯的拉直總長度，Lc=L3-2R+πR+2H2;

4.6 陽極初期發(fā)出電流計(jì)算

陽極初期的等效長度Li， Li=（L1+ L2）/2

陽極初期截面當(dāng)量半徑ri使用下式公式：

陽極初期接水電阻Rai使用下式公式：

陽極初期發(fā)出電流Iai，Iai=DE/Rai，鋁合金陽極驅(qū)動(dòng)電位取ΔE=0.25V。

4.7 陽極末期發(fā)出電流計(jì)算

陽極末期的等效長度Lf，Lf=（L1+ L2）/2×0.9。

陽極末期截面當(dāng)量半徑rf使用下式公式：

陽極末期接水電阻Raf使用下式公式：

陽極末期發(fā)出電流Iaf， Iaf= DE/Raf，鋁合金陽極驅(qū)動(dòng)電位取ΔE=0.25V。

4.8 陽極數(shù)量的確定

犧牲陰極保護(hù)計(jì)算應(yīng)同時(shí)滿足初期、中期和末期的陽極數(shù)量要求，即取計(jì)算初期、中期和末期的陽極數(shù)量的最大值。

為了滿足中期電流需求，計(jì)算陽極數(shù)量Nm，使用下式公式：其中Ma為滿足中期電流所需陽極的總凈重，/kg。

為了滿足初期電流需求，計(jì)算陽極數(shù)量Ni，使用下式公式：

為了滿足末期電流需求，計(jì)算陽極數(shù)量Nf，使用下式公式：

實(shí)際所需陽極的數(shù)量N=Max（Nm，Ni，Nf）。

4.9 陽極使用壽命Ta的核算

計(jì)算得出的Ta應(yīng)大于導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)壽命。

4.10 犧牲陽極的布置

在導(dǎo)管架的主結(jié)構(gòu)和防沉板結(jié)構(gòu)圖上，布置陽極。遵循的基本原則是陽極均勻布置在飛濺區(qū)最低水位以下，泥線以上。在空間上盡量均勻布置，陽極之間的間距大于0.5m。

5 結(jié)語

由于鋁或鋅陽極是靠犧牲自己來提供對導(dǎo)管架的防腐保護(hù)，此過程會(huì)釋放出Zn離子，對海洋有一定的污染作用；隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，國家和政府對海洋生態(tài)環(huán)境的重視，犧牲陽極聯(lián)合外加電流陰極保護(hù)已開始在導(dǎo)管架防腐上廣泛應(yīng)用，減少了陽極使用的數(shù)量，降低了對海洋的污染程度。