臥式新建導管架張緊式外加電流陰極保護系統安裝方案研究

喻發令，唐靜，董曉雨，王超，王崴，邵彥崢，秦鐵男，徐云澤

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海口 570311；2.大連科邁爾防腐科技有限公司，遼寧 大連 116082；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；4.大連理工大學，遼寧 大連 116081）

海上樁基固定式石油平臺作為開采、傳輸海底石油、天然氣、可燃冰等海洋能源的主要海上基礎設施，是我國海洋石油生產的主要結構形式[1-3]。其長期安全穩定服役是關系國家海洋油氣資源安全保障的關鍵[4-6]。我國海上石油平臺基礎主要以樁基固定式鋼質導管架為主，主要應用于灘涂、20～300 m 水深海域，在諸多海域均有廣泛應用[7-10]。鋼質導管架長期服役在海水環境中會發生腐蝕，導致結構發生不可逆損傷，嚴重情況下甚至會導致導管架結構失穩、坍塌[11-13]，其結構的耐久性一直備受關注。

陰極保護技術作為極為有效的防腐措施之一，被廣泛應用于樁基固定式導管架基礎在海水環境中的長期腐蝕防護[14-15]。傳統方式普遍采用犧牲陽極的陰極保護方法[16-17]。由于導管架規模及應用水深的不盡相同[18-19]，尤其是300 m 水深級別的導管架結構，其犧牲陽極用量、安裝數量巨大，且在服役期容易出現犧牲陽極局部消耗過快，導致導管架局部保護不足[20-22]。針對這一現實情況，并基于樁基固定式導管架基礎的防腐需求，張緊式ICCP 系統被廣泛應用于樁基導管架平臺陰極保護延壽，其以集成有輔助陽極和參比電極的復合纜-電極系統為核心構件，可通過導管架首尾的錨固結構張緊固定在導管架內部，實現輔助陽極及參比電極的分布式一體化安裝[23-24]。該技術及國產化裝備已于2017 年首次應用于陸豐13-2 WHP 導管架平臺，是國內首個深水在役導管架平臺陰極保護系統延壽的國產化工程案例，系統至今正常運行，導管架保護狀態良好。隨后，又陸續應用在文昌13-1/13-2 井口平臺、番禺30-1DPP平臺等深水在役導管架陰極保護延壽項目，及墾利6-1、渤中墾利岸電、渤中29-6 等渤海海域新建導管架平臺。

張緊式ICCP 技術已成為海上樁基固定式導管架平臺陰極保護的主要技術手段，其應用項目已覆蓋在役深水導管架平臺和新建淺水導管架平臺，但其對于臥式新建導管架平臺尚無工程應用案例。本文以張緊式ICCP 系統在某臥式新建導管架的首次工程應用為背景，對系統陸地安裝、導管架運輸及海上就位等方案展開研究，為后續新建導管架張緊式ICCP 系統的設計與安裝提供參考。

1 系統概況

臥式新建導管架為8 腿12 裙樁結構，服役水深為88.3 m，設計壽命為20 a。導管架采用“犧牲陽極（初期2 a 臨時保護）+張緊式外加電流”聯合陰極保護方案。張緊式ICCP 復合纜布置于導管架內部，通過對犧牲陽極與張緊式ICCP 共存工況、犧牲陽極耗盡僅剩張緊式ICCP 工況進行設計校核，導管架的水下結構保護電位分布在-1 100～-800 mV（相對于Ag/AgCl[SW]參比電極），滿足陰極保護設計指標，導管架處于良好的陰極保護狀態。張緊式ICCP 系統的構成如圖1 所示，包括多路控制器（含測控軟件）、張拉裝置、復合纜-電極系統等，各設備的分布位置及具體功能見表1。

圖1 張緊式外加電流陰極保護系統Fig.1 Tensioned impressed current cathodic protection system

2 臥式新建導管架張緊式ICCP 系統安裝方案

相比于在役深水導管架與新建淺水導管架，臥式新建導管架基礎結構更復雜、尺寸更大，導管架在建造、運輸階段均處于臥式姿態，普遍采用滑移或吊裝的下水方式。如何將長度達百米甚至幾百米的復合纜-電極系統貫穿導管架首尾安裝到導管架內部，并確保其在運輸及下水過程中的安全可靠性，是臥式新建導管架應用張緊式ICCP 系統亟待解決的首要問題。

臥式新建導管架張緊式ICCP 系統面臨諸多挑戰，集中體現為復合纜-電極系統的安裝：復合纜-電極系統長度近百米，且導管架內部結構復雜，如何在導管架內部將其貫穿首尾安裝；復合纜-電極系統安裝過程需要大量的高空作業；復合纜-電極系統長度較長，自重較大，自身在大跨度下具有較大的撓度，會產生與導管架內部結構干涉的風險。

為實現張緊式ICCP 復合纜-電極系統在導管架臥式建造階段的安全可靠安裝，設計采用滑索牽引安裝方法[25]，利用鋼絲繩作為復合電纜安裝就位的引導滑索，將復合電纜通過吊裝索具間隔懸掛在鋼絲繩滑索上，再采用絞車牽引鋼絲繩滑索就位。懸吊部分包括用于導向及懸掛復合電纜的鋼絲繩滑索、錨點、導向滑輪及地面絞車；牽引部分包括用于牽引復合電纜就位的導向滑輪、鋼絲繩滑索及牽引絞車。安裝步驟如圖2 所示，主要包括：復合纜滾筒、絞車等就位；“滑索鋼絲繩”縱穿導管架結構內部，并保持適宜張緊力，作為復合纜懸掛前行的滑索；將復合纜固定在鋼絲繩滑索上，絞車通過牽引“鋼絲繩滑索”進而帶動復合纜前進，復合纜滾筒同步釋放復合纜，間隔懸掛吊裝索具，直至復合纜上端到達導管架最上層結構，鎖緊復合纜首尾兩端；復合纜張緊至設計的臨時張緊力；拆除輔助裝具。該方法不僅能夠安全、精確地將復合纜-電極系統安裝在導管架內部的特定位置，同時可以通過向鋼絲繩滑索施加預緊力，以盡可能地降低復合纜-電極系統橫向大跨度安裝產生的撓度，使其能夠在安裝過程中避免與導管架結構產生干涉，尤其適用于臥式建造導管架，適用性強，安裝簡便，施工風險低。

圖2 復合纜-電極系統安裝Fig.2 Installation of the composite cable-electrode system

3 復合纜-電極系統海上安裝期的自存工況校核

在導管架海上安裝階段，復合纜-電極系統可能會受運輸、滑移下水沖擊、打樁振動等影響，因此對復合纜-電極系統的自存性進行校核尤為重要，進一步優化復合纜-電極系統的設計和陸地安裝方案，以提高張緊式ICCP 系統自存工況下的安全性。

3.1 復合纜運輸過程中撓度校核

在導管架運輸及下水過程中，復合纜-電極系統呈橫向傾斜張拉狀態，因其自重會產生撓度。若所產生的撓度大于其與導管架桿件的最近距離，復合纜-電極系統則可能會在運輸及下水過程中與導管架桿件發生碰撞，并對復合纜和輔助陽極產生損壞。為了防止上述情況發生，在考慮復合纜擺幅大小的前提下，計算復合纜-電極系統安裝就位后應施加的最小預緊力，以有效控制復合纜-電極系統的自身撓度。

鋼絲繩撓度計算公式：

式中：fs為撓度；q為每米繩索的質量；g為重力加速度；x為繩端與下垂點之間的距離；S為繩索的拉力；β為繩索傾斜角度。

計算導管架運輸過程中復合纜-電極系統在10～50 kN 預張緊力下的撓度，并將其與導管架最近距離進行比較。導管架運輸過程中，復合纜-電極系統在不同預緊力下的撓度曲線如圖3 所示。由圖3 可知，復合纜-電極系統至少需要施加30 kN 的預緊力，才能使其最大撓度小于其與導管架的最近距離。為避免鋼絲繩松弛導致預張力衰減，設計張緊力裕量為10 kN，進而確定復合纜-電極系統安裝后需施加40 kN 的預緊力。

圖3 導管架運輸過程中復合纜-電極系統在不同預緊力下的撓度曲線及其與導管架的最小距離Fig.3 Deflection curve of the composite cable-electrode system under different preload forces during jacket transportation and its minimum distance from the jacket

3.2 滑移下水沖擊對復合纜-電極系統的影響分析

該新建導管架采用滑移下水方式，下水沖擊載荷作用于復合纜及集成在復合纜上的輔助陽極組件，將產生以下影響：張緊于導管架內部的復合纜由于側向載荷作用發生偏移，存在碰撞導管架結構桿件的風險；復合纜有效張力增大，有破斷風險；輔助陽極組件有強度不足的風險。為確保導管架下水期間系統的安全性，需對以上情況進行校核。

1）滑移下水對復合纜的沖擊作用分析。取導管架下水全過程出現的最大下水速度7.09 m/s 為校核工況，計算不同預緊力下，復合纜-電極系統受海水沖擊時，相對于復合纜各水深處理論位置的最大變形量。導管架下水過程中，復合纜受海水沖擊時，各預緊力下相對于復合纜各水深處理論位置的變形最大值如圖4 所示，有效張力的最大值如圖5 所示。

圖4 導管架下水過程中復合纜受海水沖擊時相對于復合纜各水深處的變形最大值Fig.4 Maximum deformation of the composite cable relative to the theoretical position at each seawater depth under the impact by seawater when jacket is launched into seawater

圖5 導管架下水過程中復合纜受海水沖擊時相對于復合纜各水深處有效張力的最大值Fig.5 Maximum effective tension of the composite cable relative to each seawater depth of the composite cable under the impact by seawater when jacket is launched into seawater

由圖4 與圖5 可知，導管架下水全過程中，復合纜-電極系統所產生的位移不會導致其與導管架發生干涉，沖擊載荷不會導致復合纜破斷，具有足夠的安全裕量。

2）滑移下水對輔助陽極組件的沖擊作用分析。為保證安全系數，校核輔助陽極在海水拍擊載荷下的結構強度，施加的載荷值為實際拍擊載荷值的2 倍。鈦殼正背面迎水時應力云圖如圖6 所示。輔助陽極正面迎水時，最大應力為89.2 MPa；輔助陽極背面迎水時，最大應力為2.1 MPa，均遠小于輔助陽極的屈服強度373 MPa。因此，當導管架下水速度為7.09 m/s時，導管架下水全過程中，輔助陽極強度滿足需求，不會受下水沖擊影響而產生破壞。

圖6 輔助陽極封裝外殼正背面迎水時的應力云圖Fig.6 Stress cloud of the front (a) and back (b) of the auxiliary anode package housing when facing water

3.3 打樁振動對復合纜-電極系統的影響分析

打樁振動是一種脈沖衰減的瞬間錘擊強迫振動，振動波向四周輻射，形成了振動影響場。下面分析導管架打樁振動對復合纜的影響。鋼樁質量為 4.33×105kg，樁錘在空氣中的質量為2.03×105kg，在水中的質量為1.693×105kg，水下壓載質量為3.7×104kg，錘長18.9 m，最大沖擊能量為1 200 kJ，最小沖擊能量為120 kJ，打樁頻率為10～120 次/min。根據能量沖擊（，E為能量，m為物體質量）和沖擊力（Ft=Δmv，F為平均沖擊作用力，t為作用時間）公式，當復合纜預張力為 40 kN，鋼樁直徑為2 134 mm，長度為125 m，質量為4 334.33×105kg，最高打樁頻率為120 次/min 時，打樁沖擊力垂直向下作用于導管架主樁裙樁套筒內側。以打入第四根主樁為例，其有限元分析結果如圖7 所示。經計算，導管架結構總體應力分布良好，最大計算應力與許用應力比小于1，因此導管架結構和復合纜頂部及底部連接結構強度能夠滿足打樁工況設計要求。打樁振動對復合纜的影響也非常小，不會對復合纜產生破壞。

圖7 打入第四根主樁時導管架振動有限元分析最大有效應力云圖Fig.7 Maximum effective stress cloud of jacket vibration finite element analysis when the fourth main pile is driven

4 結論

1）本文建立了臥式新建導管架張緊式ICCP 復合纜-電極系統的安裝工藝。通過滑索牽引的方式，實現了復合纜-電極系統貫穿導管架內部的精確安裝。

2）明確了復合纜預緊力、ICCP 系統組件強度校核方法，并以某臥式新建導管架為工程案例進行了驗證。

3）本文所述安裝工藝及相關計算校核，可保障復合纜-電極系統在臥式新建導管架上的安裝順利實施，為張緊式ICCP 系統在同類臥式新建導管架項目中的應用提供參考。