深水平臺導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)改造

深水平臺導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)改造陳武;陳超;李陽松【摘要】南海海域某氣田深水平臺的導(dǎo)管架下水1000d后，在水深較深區(qū)域，其電位仍然不能達(dá)到陰極保護(hù)電位.使導(dǎo)管架存在很大的腐蝕風(fēng)險.通過對比常見的導(dǎo)管架陰極保護(hù)改造方式,并結(jié)合南海海域臺風(fēng)較多以及導(dǎo)管架所處水深較深的特點(diǎn),最終確定該導(dǎo)管架的陰極保護(hù)改造方案,即安裝遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)(ICCP)系統(tǒng)?并對導(dǎo)管架遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的方案設(shè)計及安裝過程進(jìn)行了介紹.結(jié)果表明:在遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)投入運(yùn)行后,導(dǎo)管架的電位快速達(dá)到了陰極保護(hù)電位，且犧牲陽極的消耗速率大大降低.％AfteradeepwaterjacketforsomegasfieldintheSouthChinaSealaunchedfor1000days,thepotentialsofthepartsindeepwaterareawerebelowcathodicprotectionpotential,makingthejacketincorrosionrisk.Theimpressedcurrentcathodicprotection(ICCP)systemwithremoteauxiliaryanodeswaschosenasthefinalretrofittingmethodofcathodicprotection(CP)bycomparingcommonCPretrofittingmethodsandcombiningwiththecharacteristicsoftyphoonsintheSouthChinaSeaandthewaterdepthofthejacket.AndthedesignandinstallationprocessofICCPsystemwithremoteauxiliaryanodeswereintroduced.TheresultsshowthatpotentialsofthejacketreachedtheprotectionpotentialsoonandtheconsumptionrateofsacrificialanodesreduceddramaticallyaftertheICCPsystemwithremoteauxiliaryanodeswasinstalled.期刊名稱】《腐蝕與防護(hù)》年(卷),期】2018(039)004【總頁數(shù)】6頁(P312-317)【關(guān)鍵詞】深水;導(dǎo)管架;犧牲陽極;外加電流陰極保護(hù);改造【作者】陳武;陳超;李陽松【作者單位】中海油能源發(fā)展股份有限公司上海環(huán)境工程技術(shù)分公司,上海200030;中海油常州環(huán)保涂料有限公司,常州213014;中海油能源發(fā)展股份有限公司上海環(huán)境工程技術(shù)分公司,上海200030;中海油常州環(huán)保涂料有限公司,常州213014【正文語種】中文【中圖分類】TG174某氣田位于南海東部海域的珠江口盆地，平臺所處海域水深約200m。該平臺導(dǎo)管架均為裸鋼，僅靠犧牲陽極陰極保護(hù)來防止腐蝕破壞。導(dǎo)管架下水1000d后，在水深98m以下導(dǎo)管架的電位仍未達(dá)到最低保護(hù)電位要求。為保障平臺安全生產(chǎn)，平臺方?jīng)Q定追加一套陰極保護(hù)系統(tǒng)，使整個導(dǎo)管架盡快極化至保護(hù)電位。1導(dǎo)管架陰極保護(hù)狀況該導(dǎo)管架安裝有陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)記錄了導(dǎo)管架下水189d后導(dǎo)管架各節(jié)點(diǎn)位置的電位(相對于Ag/AgCI參比電極，下同)和犧牲陽極的輸出電流，分別見圖1和圖2。由圖1可以看出：導(dǎo)管架下水后，不同水深的導(dǎo)管架電位差距較大；僅在水深15m的淺水區(qū)導(dǎo)管架電位快速極化至保護(hù)電位，水深69m和98m處導(dǎo)管架電位達(dá)到保護(hù)電位的時間分別長達(dá)230d和942d，水深129m和164m處導(dǎo)管架下水1000d后，其電位仍然未能達(dá)到保護(hù)電位。由于該平臺所處水深約為200m，隨著水深的增加，壓力增大，CaC03在水中的溶解度增大，鈣質(zhì)沉積層在導(dǎo)管架上沉積變慢［1-6］。在形成致密的鈣質(zhì)沉積層之前，每塊犧牲陽極輸出電流的保護(hù)距離較短，隨著鈣質(zhì)沉積層的形成，導(dǎo)管架的電位差逐漸減小。圖1不同水深處導(dǎo)管架電位Fig.1Thepotentialsofjacketatdifferentdepthesofwater圖2單個犧牲陽極的輸出電流Fig.2Theoutputcurrentofsinglesacrificialanode由圖2可以看出：在平臺導(dǎo)管架下水的初期,犧牲陽極的輸出電流較大，最高達(dá)到9A左右，隨著水深的增加，犧牲陽極的輸出電流增大。但隨著導(dǎo)管架電位的負(fù)移和鈣質(zhì)沉積層的形成，犧牲陽極的輸出電流又逐漸減小。在淺海區(qū)導(dǎo)管架表面容易快速形成鈣質(zhì)沉積層，在相對較小的陰極保護(hù)電流極化下，導(dǎo)管架電位能夠較快達(dá)到保護(hù)電位，犧牲陽極的輸出電流也隨之降低;但深海區(qū)CaCO3的溶解度增大，初期電流密度偏小時，鈣質(zhì)沉積層在導(dǎo)管架上沉積緩慢，難以快速形成致密的鈣質(zhì)沉積層，所以深海區(qū)導(dǎo)管架電位達(dá)到保護(hù)電位的時間大大延長，犧牲陽極也一直維持在較高的電流輸出狀態(tài)。2陰極保護(hù)改造方案選擇追加一套陰極保護(hù)系統(tǒng)，以提供更大的陰極保護(hù)電流，使整個導(dǎo)管架電位盡快極化至保護(hù)電位，并使原安裝的陽極消耗速率降低，以達(dá)到30a設(shè)計壽命的要求。下面就國內(nèi)外常見的陰極保護(hù)改造方式進(jìn)行介紹。2.1水下焊接犧牲陽極該方法通過水下焊接將犧牲陽極固定在導(dǎo)管架上，如圖3所示。水下焊接固定犧牲陽極可以提供良好的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)異的電連接性能，但是水下焊接電弧會使其周圍水發(fā)生熱分解產(chǎn)生氫，導(dǎo)致氫溶解到焊縫中，如果焊縫中氫含量超過允許值，很容易引起裂紋，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。由于水下焊接價格較高以及焊接質(zhì)量要求高等原因，只有在導(dǎo)管架直徑過大時才使用水下焊接固定安裝犧牲陽極［7］。圖3水下焊接式犧牲陽極Fig.3Sacrificialanodeinstalledbyunderwaterwelding卡箍固定犧牲陽極該方法是將單個或多個犧牲陽極焊接在卡箍上，然后通過潛水員將卡箍固定安裝在導(dǎo)管架上，如圖4所示?？ü抗潭奚枠O適用于直徑0.8~1.8m的管狀構(gòu)件，且不需要進(jìn)行水下焊接，但由于陽極質(zhì)量較大，潛水員在水下需耗費(fèi)大量體力才能將陽極移動至導(dǎo)管架的指定位置［7］。圖4卡箍固定式犧牲陽極Fig.4Sacrificialanodeinstalledbyhingedbracelet犧牲陽極串采用該方法時，先將犧牲陽極每隔一段距離鑄造在一根鋼絲繩上制成犧牲陽極串，然后將陽極串頂端固定在水上區(qū)域，并做好電連接，為保證安裝的犧牲陽極串在海水中的穩(wěn)定性，至少要將陽極串上的2支陽極埋在海泥中，如圖5所示。陽極串的安裝不需要水下作業(yè)，施工非常方便，安裝費(fèi)用低。犧牲陽極串的平均壽命為3~5a,適用于淺水平臺的短期延壽。圖5犧牲陽極串Fig.5Sacrificialanodestring犧牲陽極架采用該方法時，首先將4支犧牲陽極固定在一個陽極架上，陽極架底部的混凝土負(fù)重可保證陽極架在海底的穩(wěn)定性,然后采用吊車將整個陽極架吊裝放置到海底，如圖6所示。安裝過程中不需要潛水員在海底耗費(fèi)大量體力移動陽極，施工安全性大大提高。潛水員只需在海底將與犧牲陽極架連接的電纜夾具固定在導(dǎo)管架上，然后擰緊電連接的螺栓即可。這種安裝方式施工時間短、費(fèi)用低，且不會給導(dǎo)管架增加額外負(fù)重［8］。圖6犧牲陽極架Fig.6Sacrificialanodepod拉伸輔助陽極外加電流陰極保護(hù)采用該方法時，首先將多個陽極固定在一條機(jī)械支撐作用的繩索上制成拉伸輔助陽極，繩索的上端固定在平臺上部，繩索的下端由負(fù)重固定在海底［9-10］，并通過電纜供電為導(dǎo)管架提供外加電流。該方法有兩種設(shè)計方案：一種是將拉伸輔助陽極的機(jī)械支撐部分和供電部分完全分離（即支撐繩和電纜分離），這就確保作用于系統(tǒng)中的機(jī)械力都集中在起支撐作用的鋼繩上，如意大利DENORA公司的LIDA系統(tǒng)，如圖7所示；另一種是將支撐部分和電纜芯設(shè)計成一體結(jié)構(gòu)，電纜既起到供電作用，又起到支撐作用，如美國Galvotec公司的VTA系統(tǒng)，如圖8所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是安裝靈活，易于檢查修理；缺點(diǎn)是陽極系統(tǒng)易受風(fēng)暴等外界因素破壞失效圖7拉伸輔助陽極外加電流陰極保護(hù)（LIDA系統(tǒng)）Fig.7ICCPsystemwithtensionedauxiliaryanodestrings（LIDAsystem）圖8拉伸輔助陽極外加電流陰極保護(hù)（VTA系統(tǒng)）Fig.8ICCPsystemwithtensionedauxiliaryanodestrings（VTAsystem）遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)采用該方法時，遠(yuǎn)地式輔助陽極安裝在海底，距離導(dǎo)管架有一定距離，陰極保護(hù)電流會以均勻分布的方式分散到導(dǎo)管架表面，如圖9所示。該輔助陽極的電纜可安裝在導(dǎo)管架預(yù)留的“J”型管內(nèi)，避免了輔助陽極電纜被臺風(fēng)破壞失效。在海底，陽極容易受重力作用被海泥掩埋，從而增加整個回路的電阻，同時陽極也可能因海底的海泥或碎石而遭到損傷。為此，將輔助陽極安裝在浮體內(nèi)，用足夠的負(fù)重把浮體錨固在海底，以保證陽極浮在海底上方［10］。3陰極保護(hù)改造方案設(shè)計及安裝由于導(dǎo)管架欠保護(hù)區(qū)域水深超過100m，潛水員水下安裝需要采用飽和潛水，而飽和潛水的費(fèi)用高昂，所以不適宜采用水下焊接或卡箍固定安裝犧牲陽極進(jìn)行深水陰極保護(hù)改造。犧牲陽極串適用于淺水平臺陰極保護(hù)改造，但犧牲陽極架的保護(hù)距離較短，適用于改造僅底部存在陰極保護(hù)不足的導(dǎo)管架，而該導(dǎo)管架在較大范圍內(nèi)（水深98m以下）都處于欠保護(hù)狀態(tài)，因此也不適用該方法。南海海域臺風(fēng)較多，采用拉伸輔助陽極外加電流陰極保護(hù)時，電纜易受臺風(fēng)等外界因素破壞失效，因此該方法也不理想。遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)，具有陽極安裝方便、平臺上電流分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，且輔助陽極電纜安裝在"J"型管內(nèi)，可防止臺風(fēng)對電纜的破壞造成陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，故本次改造采用遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)（以下簡稱ICCP系統(tǒng)）。圖9遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)Fig.9ICCPsystemwithremoteauxiliaryanodes海水電阻率選取海水電阻率是海水鹽度和溫度的函數(shù)。該氣田所處海域表面海水最高溫度為34.8°C,海底最低溫度為14.3°C,依據(jù)DNV-RP-B401-2011《海上構(gòu)筑物犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計》，海水鹽度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在3%~40%時，海水電阻率為18~23.5Qcm。本工作中選取海水電阻率p為23.5Qcm進(jìn)行計算。保護(hù)電流計算導(dǎo)管架在下水1000d后，水深小于98m處導(dǎo)管架電位均達(dá)到保護(hù)電位，而水深超過98m處導(dǎo)管架仍處于欠保護(hù)狀態(tài)。將導(dǎo)管架劃分為3個區(qū)域，各區(qū)域的面積見表1。水深小于98m處導(dǎo)管架電位已經(jīng)極化至保護(hù)電位，故新安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)僅需為水深超過98m處導(dǎo)管架提供電流進(jìn)行極化，導(dǎo)管架初期極化所需的陰極保護(hù)電流見表2。表1導(dǎo)管架各區(qū)域的面積Tab.1Theregionareasinthejacket編號導(dǎo)管架區(qū)域面積/m2區(qū)域1水深小于98m處24200區(qū)域2水深超過98m處34000區(qū)域3海泥中5279表2導(dǎo)管架初期需求電流Tab.2Theinitialcurrentrequirementsforthejacket導(dǎo)管架區(qū)域初期極化電流密度/(mAm-2)初期極化電流/A區(qū)域100區(qū)域21404760區(qū)域320106初期極化總電流4866導(dǎo)管架上原安裝了968塊鋁合金陽極，其中區(qū)域1安裝了408塊、區(qū)域2安裝了560塊。鋁陽極尺寸為2825mmx(260+280)mmx260mm。陽極長度L為282.5cm，陽極等效半徑r為16.9cm，根據(jù)式⑴計算得單塊鋁陽極的接水電阻R為0.042Q。再根據(jù)式(2)計算得目前區(qū)域2犧牲陽極的初期輸出總電流為3333A,但區(qū)域2和區(qū)域3極化至保護(hù)電位共需要電流為4866A,因此，需安裝一套新的陰極保護(hù)系統(tǒng)，并提供1532A電流使區(qū)域2和區(qū)域3的導(dǎo)管架極化至保護(hù)電位。3.3ICCP系統(tǒng)設(shè)計選取了美國Deepwater公司RetroBuoyICCP系統(tǒng)進(jìn)行平臺導(dǎo)管架陰極保護(hù)改造。共安裝4套ICCP系統(tǒng)，每套輸出電流500A，可滿足導(dǎo)管架初期極化電流要求。每套ICCP系統(tǒng)包括1臺變壓整流器、1套RetroBuoy輔助陽極、陽極電纜和陰極電纜等。4套ICCP系統(tǒng)的輔助陽極安裝于海底，分別距離4個樁腿85m,如圖10所示。每套ICCP系統(tǒng)的輔助陽極包含12支MM0(mixedmetaloxide)輔助陽極，輔助陽極安裝于4個浮筒內(nèi)，每個浮筒內(nèi)安裝3支MM0輔助陽極，每支MM0輔助陽極長度L為116.8cm，陽極半徑r為1.6cm，按式(1)計算得單支MM0陽極的接水電阻R0為0.15Q,按式(3)計算得每套ICCP系統(tǒng)的輔助陽極接水電阻R1為0.0357Q。圖10RetroBuoy遠(yuǎn)地式輔助陽極的安裝位置Fig.10InstallationsiteofRetroBuoyauxiliaryanode式中：F為輔助陽極接水電阻修正系數(shù)，取2.856。每套ICCP系統(tǒng)的陽極電纜和陰極電纜總長度Le為500m,每米電纜電阻Rm為55“Q/m，按式(4)計算得到電纜電阻R2為0.0275Q。R2二Le?Rm(4)按式(5)計算得每套ICCP系統(tǒng)回路總電阻Rtot為0.0632Q。Rtot=R1+R2=0.0632 Q(5)再按式(6)計算得變壓整流器最小輸出電壓為33.6V。Vtot=1tot?Rtot+2(6)最終選取4臺直流輸出40V/500A的變壓整流器為導(dǎo)管架提供陰極保護(hù)電流。3.4ICCP系統(tǒng)安裝RetroBuoy輔助陽極海底安裝以及海底輔助陽極電纜鋪設(shè)至平臺上，是ICCP系統(tǒng)安裝的難點(diǎn)。在安裝輔助陽極前，需對RetroBuoy輔助陽極與陽極電纜接頭的電連續(xù)性和密封性等進(jìn)行測試。并采用ROV(水下機(jī)器人)水下檢測輔助陽極安裝區(qū)域是否存在碎石或凹坑等潛在隱患。在工作船上,將4根輔助陽極電纜卷在同一個電纜卷筒上,采用4根電纜同時收放的方式安裝,以避免電纜在海底出現(xiàn)纏繞的風(fēng)險。同時,平臺人員將鋼絲繩從平臺預(yù)留的“J”型管頂部下放至海底，ROV在海底將輔助陽極電纜和鋼絲繩進(jìn)行連接,平臺人員通過鋼絲繩牽引,將輔助陽極電纜拉上平臺。然后采用電纜固定法蘭將4根輔助陽極電纜固定在“J”型管頂部，電纜固定法蘭結(jié)構(gòu)見圖11。圖11電纜固定法蘭結(jié)構(gòu)圖Fig.11Thestruetureofcablefixingflange將RetroBuoy輔助陽極吊裝至指定位置時，為防止吊裝過程中電纜過度彎曲，采用了限彎器和鋼絲繩同時限位的方式進(jìn)行吊裝。在整個吊裝過程中，需要ROV全程監(jiān)控，以防輔助陽極發(fā)生碰撞或者電纜出現(xiàn)異常情況。一旦出現(xiàn)異常情況，立即將輔助陽極吊至甲板進(jìn)行維修。輔助陽極放置完成后，通過ROV將多余的電纜在海底按照“S”型路線分布，并放置混凝土穩(wěn)定墊固定。4陰極保護(hù)改造效果2016年6月6日，經(jīng)ICCP系統(tǒng)改造運(yùn)行3a后，對導(dǎo)管架陰極保護(hù)狀況進(jìn)行檢測。表3為ICCP系統(tǒng)的變壓整流器輸出電壓和輸出電流數(shù)據(jù)，目前ICCP系統(tǒng)輸出電壓約為17V，輸出總電流為767A。表3變壓整流器輸出電壓和輸出電流Tab.3Theoutputoftransformerrectifiers變壓整流器編號輸出電壓/V輸出電流/A1號17.281832號17．162033號17．202094號17．40172由表4可以看出:在運(yùn)行ICCP系統(tǒng)3a后，導(dǎo)管架表面形成了良好的鈣質(zhì)沉積層，整個導(dǎo)管架電位非常均勻，在停用ICCP系統(tǒng)1d后，導(dǎo)管架依然處于良好的保護(hù)狀態(tài)，犧牲陽極的輸出電流已經(jīng)能滿足導(dǎo)管架達(dá)到保護(hù)電位所需要的電流。由表5可以看出:ICCP系統(tǒng)運(yùn)行了3a后,犧牲陽極輸出的電流較導(dǎo)管架下水初期的大幅減小，大部分犧牲陽極的輸出電流已小于1A，這說明導(dǎo)管架表面已經(jīng)形成了致密的鈣質(zhì)沉積層。用ICCP系統(tǒng)對導(dǎo)架管原有陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造后，犧牲陽極的輸出電流減小，犧牲陽極的壽命將大大延長。表4不同水深處導(dǎo)管架的電位Tab.4PotentialsofjacketatdifferentdepthsofwatermV水深/mICCP運(yùn)行3a后ICCP停用1d后15-1031-99069-1022-100198-983-949129-994-962164-995-952表5不同水深處犧牲陽極的輸出電流Tab.5OutputcurrentsofanodesatdifferentdepthsofwaterA水深/mICCP運(yùn)行3a后ICCP停用1d后600．020．26830．420．721210．520．941370．380．601460．460．861751．121．54在關(guān)閉外加電流單獨(dú)運(yùn)行犧牲陽極時，導(dǎo)管架依然能處于良好的保護(hù)狀態(tài)。說明犧牲陽極初期輸出的總電流雖然不足以使整個導(dǎo)管架快速極化至保護(hù)電位，但一旦形成致密的鈣質(zhì)沉積層，導(dǎo)管架所需的電流量大大降低，犧牲陽極輸出的電流能夠滿足導(dǎo)管架中期維持電流要求。裸鋼在海水中所需的初期電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中期維持電流和末期電流，較大的初期電流下可快速形成致密的鈣質(zhì)沉積層。鎂鋁復(fù)合陽極由于生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，應(yīng)用較少。質(zhì)量相同的翼型陽極相比于傳統(tǒng)梯形陽極，初期能輸出更大的電流，可大大減少導(dǎo)管架所需陽極質(zhì)量，降低成本并減輕導(dǎo)管架負(fù)載，已成功安裝于墾利10-1平臺導(dǎo)管架上，并取得了理想的應(yīng)用效果[11]。5結(jié)論(1)當(dāng)初期電流偏小時，鈣質(zhì)沉積層在導(dǎo)管架上沉積較慢，難以快速形成致密的鈣質(zhì)沉積層，深海區(qū)導(dǎo)管架電位達(dá)到保護(hù)電位的時間大大延長，犧牲陽極也一直維持在較高的電流輸出狀態(tài)。(2)犧牲陽極陰極保護(hù)改造適合于淺水導(dǎo)管架的陰極保護(hù)改造，對于深水導(dǎo)管架陰極保護(hù)改造，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)具有安裝方便的特點(diǎn)。遠(yuǎn)地式輔助陽極外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極電纜可安裝于導(dǎo)管架的“J”型管中，大大降低了臺風(fēng)損壞陽極電纜造成陰極保護(hù)系統(tǒng)失效的風(fēng)險，適宜于臺風(fēng)較多的深水導(dǎo)管架陰極保護(hù)改造。參考文獻(xiàn)：溫國謀，鄭輔養(yǎng)?海水中陰極保護(hù)時鈣質(zhì)沉積層的形成及應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù),1995,1:50-54.LOUJS,LEERU.Formationofcalcareousdepositsunderdifferentmodesofcathodicpolarization[J].Corrosion,1991,47(3):189-199.CHENS,HARTTWH.Deepwatercathodicprotection:part1-laboratorysimulatio