海洋平台外加电流阴极保护技术-张脉松

TOTALCORROSIONCONTROLVOL.27No.03MAR.201320海洋平台外加电流阴极保护技术张脉松1　尹鹏飞2,3　马长江2,3（1.胜利油田胜利石油化工建设有限责任公司，山东东营257064；2.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，山东青岛266071；3.钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所，山东青岛266101）摘 要：本文介绍了海洋平台阴极保护的种类和特点，着重叙述了导管架平台外加电流阴极保护技术。并通过对外加电流系统材料、设备、设计以及安装工艺方面的研究构建了一种导管架平台外加电流阴极保护成套技术。关键词：导管架平台　外加电流　阴极保护　腐蚀防护中图分类号：TG172.5文献标识码：A文章编号：1008-7818(2013)03-0020-04TheImpressedCurrentCathodicProtectionTechnologyofJacketPlatformZHANGMai-song1,YINPeng-fei2,3,MAChang-jiang2,3（1.ShengliOilFieldPetroleum&ChemicalConstructionCorporation,Dongying257064,China;2.QingdaoNCSTestingandProtectionTechnologyCo.,Ltd,Qingdao266071,China;3.QingdaoResearchInstituteforMarineCorrosion,Qingdao266071,China）Abstract:Thetypesandcharacteristicsofcathodicprotectiononoffshoreplatformwereintroducedinthispaper,theemphasiswasontheimpressedcurrentcathodicprotection(ICCP)technologyofjacketplatform.AndbuildICCPcompletetechnologyofjacketplatformthoughtthestudyonthematerials,equipment,designandinstallationprocessofICCPsystem.Keywords:jacketplatform;impressedcurrent;catholicprotection;corrosion;protection作者简介：张脉松(1978－)，男，吉林辉南人，工程师，工学学士，主要研究方向为海洋工程。0引言随着海洋油气的进一步开发利用，海洋平台所处水域越来越深，结构越来越复杂，腐蚀防护要求也越来越高。考虑到水下防腐层的耐久性和维修涂层的难度，以及通过经济上的对比，现在建造的海上固定式导管架平台，全浸区的结构绝大多数都不采用防腐层保护，而仅依靠阴极保护来防止腐蚀破坏[1]。阴极保护是防止钢结构被海水腐蚀的一种重要方法，可以有效地增长海洋平台的寿命。阴极保护分为外加电流法和牺牲阳极法，其原理相同，根据实际工程中不同的腐蚀环境和被保护体的特定工况条件和技术、经济的考虑两种方法均可以应用。1海洋平台阴极保护技术的种类及特点海洋平台阴极保护既可以采用外加电流法也可以采用牺牲阳极法，也可以将两种方法联合应用。倘若导管架平台从下水开始就进行合适的保护措施，无论是采用牺牲阳极法还是采用外加电流法都可以抑制腐蚀。表1是海洋平台外加电流法和牺牲阳极法的设计条件对比表[2]。由表1可以看出两种方法各有优劣。牺牲阳极系统的优点是不需要外部电源，后期维护量小，性能可靠、没有过保护的危险。但缺点是驱动电压有限、不适宜用于电阻率较高的环境中，安装费用较高，阳极重量增加了平台负重，对环境有污染。外加电流系统的优点是输出电压及电流可调，安装快速、费用低、寿命长，对环境污染小。缺点是需要外部电源，后期维护量大，如果设计不合理会有电经验交流ExperienceExchangeDOI:10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2013.03.007全面腐蚀控制第27卷第03期2013年03月21流分配不均的风险。由于技术条件的限制，我国目前对固定式导管架平台的保护一般采用牺牲阳极法。但导管架平台由于所需保护面积大，采用牺牲阳极法需要牺牲阳极的数量极大，这样一方面增加了平台的负重，加大了平台钢结构承重的设计指标，额外增加了费用；另一方面加剧了平台的应力腐蚀，给平台造成潜在风险。而且牺牲阳极溶解产生的重金属离子会污染海洋生态环境。随着早期采用牺牲阳极保护的平台服役年限的增加，很多导管架平台已经接近甚至超出了当初阴极保护设计的使用年限，需要对这些平台的阴极保护系统进行延寿修复。对于较深水域的海洋平台如果采用牺牲阳极修复技术，使用潜水员安装牺牲阳极的安装费用将远大于材料本身的成本。与牺牲阳极法相比，外加电流阴极保护方法具有安装快速、安装费用低、发生电流大的优点，不会因为保护面积增加而增加对平台的负重，而且外加电流阴极保护系统在使用中没有重金属离子产生、污染少，是一种环境友好型的阴极保护技术，特别适用于中等水域和深水区域平台的阴极保护。但目前国内对于深水平台外加电流阴极保护技术却没有相关的研究报道，而采用国外导管架平台外加电流阴极保护产品的初始安装和后期维护费用都比较高。因此，探寻一种经济可靠、可实现国产化的固定式导管架平台外加电流阴极保护技术显得尤为紧迫。2海洋平台外加电流阴极保护现状2.1国外海洋平台ICCP技术现状目前国外的海洋平台ICCP技术主要有以下几种方法：（1）远地阳极系统。远地阳极原理是将阳极埋于海底或置于海底的支撑底座上，见图1。这些系统中的阳极和被保护的钢结构的距离随被保护物的大小而不同，一般在几米到300米之间，见图2。这种设计的优点是平台上电流分布的更均匀，减少了过保护的危险；缺点是容易因为船舶抛锚损坏阳极电缆。远地阳极有两种设计方法。一种设计方法为在混凝土底座或钢质底座上预置辅助阳极[3]，为了能使阳极提供足够大的电流密度，应确保阳极和流动的海水接触而不是和泥浆接触。一种设计方法是将辅助阳极设计为浮式结构安装在设计好的阳极支架上[4]，这种设计方式可有效降低海沙和海泥对辅助表1海洋平台ICCP和牺牲阳极阴极保护保护设计条件设计条件牺牲阳极法外加电流法介质环境海水、海泥海水、海泥电源配置无需需外部电源阳极消耗金属本身，大电能为主，小保护电流可调性阳极形状固定后不可调可调电位自身控制性低高施工技术要求较低，水下施工较困难较高．可部分水下施工施工量较多较少后期维护维护量少维护量较多，要求技术高建设经济性1万m2左右成本二法持平1万m2以上成本相对降低可维性需更换阳极以检测、预防机械损伤为主使用寿命设计寿命越长阳极重量越大，一般最长设计寿命30年一般20～30年．30年以上须检修运行成本较低较高工程投资较高较低维修费用较高较低环境影响阳极溶解的重金属会污染海水很小经验交流ExperienceExchangeTOTALCORROSIONCONTROLVOL.27No.03MAR.201322阳极的冲刷磨损，但同时也增加了浮式机构连接处电缆的疲劳程度，目前Deepwater公司的阳极系统Retrobuoy即为此种方法。RetroBuoy™浮标式外加电流阴极保护装置是一套高效环保的阴极保护平台修复系统，见图2。该系统具有大容量高效率特点，该装置的设计目的主要是用于已建平台的修复。电流的发出依靠安装在四个浮标上的钛基MMO阳极实现。这种浮式阳极设计保证了阳极与海水介质的良好接触，提高了发生电流效率。锚定浮标的底座被放置在距离被保护钢结构一定距离的地方，保证了阳极发生电流在较大被保护构筑物上的均匀分布。该技术主要用于浮式平台，固定式平台，FPSO单点，或者有诸多桩基、结构紧凑密集的构筑物如港口设备、装卸码头等设施的修复。ᇐㅵᶊ䖰ഄᓣ䰇ᵕ图1远地式外加电流阴极保护系统图2Retrobuoy系统（2）抗拉伸阳极系统。抗拉伸阳极由一个或多个阳极固定在一条机械支撑作用的绳索上，绳索的上端固定在平台突出部位，绳索的下端悬挂重载或固定在外套管上同，见图3。这种设计的优点是安装灵活，易于检查修理。缺点是阳极系统易受风暴等外界因素破坏失效。抗拉伸阳极也有两种设计方法。其中一种是将抗拉伸阳极的机械支撑部分和供电部分完全分离（即支撑绳和电缆分离），这就确保作用于系统中的机械力都集中在起支撑作用的钢绳上[5,6]，如DENORA公司的LIDA系统，见图4。一种是将支撑部分和电缆芯设计成一体结构，电缆既起到供电作用，又起到支撑作用，如格沃克公司的VTA系统，见图5。ᢝԌᓣ䰇ᵕ图3拉伸式外加电流阴极保护系统图4LIDA系统图5VTA系统（3）固定式阳极系统。固定式阳极系统安装一般与牺牲阳极法的布置相似，数量上接近，安装工程量大，且不能发挥外加电流排流量大的优势。而在安装辅助阳极的电缆接头和阳极托架，电缆走线布置都比较复杂，所以经济成本较高。表2为几种导管架平台外加电流阴极保护方法的对比。从表2可以看出拉伸阳极和固定式阳极适用于较浅水域安装，而远地型阳极保护电流分布较均匀，适用范围广，可在深水平台阴极保护中使用。2.2国内海洋平台ICCP技术现状早在上世纪70年代，我国就开展了外加电流阴极保护装置的研究，并选择了近海的四个导管架平台进行了试验验证。所有平台的外加电流阴极保护均在5年内失效，总结主要由于以下原因：（1）发电和整流设备庞大、控制精度低。（2）参比电极经验交流ExperienceExchange全面腐蚀控制第27卷第03期2013年03月23易受微生物污损和锌溶解的沉积物覆盖而失失效。（3）重视程度不够，人员未经过专业培训，不具备维护和保养相关技能。加上我国当时海上油气开发主要集中在100m内的大陆架浅海区域，牺牲阳极水上安装，方面、快捷，因此，逐渐将保护转向了牺牲阳极保护技术。随着海洋石油开发的进一步发展，外加电流应用于海洋石油平台的经济性和环保性被越来越多的人认识到。目前国内已有几家海洋工程公司从事海洋工程外加电流阴极保护系统的安装和修复工作，相关产品和技术大多由国外引进。钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所自2005年就开始了对自升式钻井平台的外加电流阴极保护技术的研究，先后完成了8座自升式钻井平台的和一座桩式作业平台的外加电流阴极保护工程，腐蚀控制效果良好。3导管架平台外加电流阴极保护成套技术辅助阳极的布置设计和保护电流的分布是外加电流阴极保护中的关键问题，辅助阳极布置不合理极易造成构筑物的欠保护或者过保护，两者都会造成严重的后果。为了优化导管架平台外加电流保护系统设计参数，避免因设计问题导致的平台欠保护和过保护问题。根据缩比理论构建了一套海洋平台外加电流阴极保护系统室内模拟装置，见图6，该装置主要由模拟水池、导管架缩比模型、外加电流控制系统、电位分布监检测系统及相关配套组件构成。结合计算机模拟计算，该系统可以实现对辅助阳极的形状和尺寸、辅助阳极与平台的安装距离和角度、保护电流分布等参数优化设计。图6平台外加电流阴极保护系统室内模拟装置图7为导管架平台缩比模型采用单座远地式辅助阳极保护的各参比电极监测点的保护电位，从图中可以看出模型电位最低点和电位最高点的电位相差约60mV，电位分布比较均匀，单座阳极即可实现整个平台的腐蚀控制。-10123456789101112-0.925-0.950-0.975-1.000t/hourPotential/V(Vs/SCE)1#2#3#4#5#6#7#8#9#图7导管架平台缩比模型电位分布曲线根据优化设计方案，结合海洋环境腐蚀特点，从设备选材、防护设计、便捷安装等方面综合考虑，设计并研制了一套外加电流阴极保护装置，该装置包括表2几种平台外加电流阴极保护方法的比较远地阳极拉伸阳极固定式阳极保护方式远地型阳极拉伸式阳极固定式阳极适用水域浅、中、深层水域浅、中层水域浅层水域采用辅助阳极MMO阳极MMO阳极/铂铌复合阳极MMO阳极电流分布比较均匀比较均匀比较均匀阳极