南海某導(dǎo)管架平臺的陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)方案探討

南海某導(dǎo)管架平臺的陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)方案探討尹鵬飛;劉福國;張國慶;韓冰;張偉;杜翠薇;李向陽;李金梅;趙剛【期刊名稱】《《腐蝕與防護》》【年(卷)，期】2019(040)011【總頁數(shù)】5頁(P856-860)【關(guān)鍵詞】陰極保護;犧牲陽極;夕卜加電流;延壽修復(fù);導(dǎo)管架平臺【作者】尹鵬飛;劉福國;張國慶;韓冰;張偉;杜翠薇;李向陽;李金梅趙剛【作者單位】鋼鐵研究總院北京100081;青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司青島266071;海洋石油工程股份有限公司天津300451;中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院珠海519000;北京科技大學(xué)腐蝕與防護中心教育部腐蝕與防護重點實驗室北京100831;大慶油田工程有限公司大慶163712【正文語種】中文【中圖分類】TG174.2置身于海洋環(huán)境的各類石油鉆采平臺投資巨大，其苛刻的服役環(huán)境要求鉆采平臺必須承受颶風(fēng)、極地風(fēng)暴、潮流、地震以及浮冰的沖擊。隨著服役海域越來越深，海洋平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越大，越來越復(fù)雜，投資也越來越高。為了避免因腐蝕引起的平臺坍塌損毀帶來的巨大經(jīng)濟損失和海洋環(huán)境污染災(zāi)難，海洋平臺的水下結(jié)構(gòu)均采取了腐蝕控制措施。相較于外加電流陰極保護(ICCP)法，犧牲陽極保護法具有犧牲陽極在陸地一次性安裝，無需后期維護，工藝可復(fù)制性強，設(shè)計和工程應(yīng)用歷史久，工程經(jīng)驗豐富，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范完善等優(yōu)點，可以很好地滿足結(jié)構(gòu)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的腐蝕防護需求。目前，全世界范圍內(nèi)有各類海洋石油平臺約6000座，90%以上采取了犧牲陽極陰極保護［1-2］。我國從上世紀80年代開始自主設(shè)計并建造了各類海洋石油平臺，隨著平臺服役年限的增加，越來越多的海洋石油平臺已經(jīng)接近甚至超出了當(dāng)初陰極保護設(shè)計的使用年限。由于已超出服役年限的石油平臺的服役區(qū)域油氣依然充足，而再造一座新的石油平臺投資巨大，因此，采取必要的措施對在役平臺的犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)進行延壽修復(fù)就變得尤為重要［3-6］。某服役于南海150m水深的導(dǎo)管架平臺，犧牲陽極設(shè)計壽命20a，服役15a后，水下檢測發(fā)現(xiàn)，50m以淺（水深小于50m,下同）的犧牲陽極消耗較少，而50m以深（水深大于50m,下同）的犧牲陽極消耗嚴重，部分區(qū)域陽極剩余質(zhì)量不足20%。該平臺作業(yè)區(qū)域油氣仍較充足，經(jīng)評估，導(dǎo)管架到達服役年限后，仍需繼續(xù)服役15a。而檢測結(jié)果顯示該平臺剩余犧牲陽極不能保護平臺導(dǎo)管架延壽服役15a。因此，須采取陰極保護延壽修復(fù)措施以保證其安全服役。本工作通過深入分析該在役導(dǎo)管架平臺的陰極保護現(xiàn)狀，結(jié)合平臺結(jié)構(gòu)特征和國內(nèi)外陰極保護延壽修復(fù)技術(shù)，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面對比了犧牲陽極和外加電流延壽修復(fù)的可行性，以期為在役海洋工程設(shè)施的陰極保護系統(tǒng)延壽設(shè)計與施工提供參考。1導(dǎo)管架平臺1.1平臺基本情況南海某導(dǎo)管架為四樁腿結(jié)構(gòu)，服役水深150m,共有12口油井，設(shè)計壽命20a。導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)采用犧牲陽極陰保系統(tǒng)，服役初期、平均和末期的設(shè)計保護電流密度分別是130,70,90mA/m2。該平臺共設(shè)計犧牲陽極390支，單支陽極設(shè)計初期發(fā)生電流5.0A，按照每個油井5A保護電流計算，設(shè)計初期的保護電流為2010A。1.2平臺的陰極保護現(xiàn)狀海平面至50m以淺區(qū)域，導(dǎo)管架上設(shè)計犧牲陽極140支，50m以深直到泥面區(qū)域，共設(shè)計犧牲陽極250支。服役15a后，采用水下機器人（ROV）對水下結(jié)構(gòu)的犧牲陽極進行檢測發(fā)現(xiàn)，50m以淺區(qū)域的犧牲陽極消耗較少，剩余量達70%~80%，而50m以深區(qū)域的犧牲陽極消耗量則高達70%~80%，部分區(qū)域犧牲陽極剩余量不足20%。該導(dǎo)管架平臺已服役15a，根據(jù)延壽設(shè)計還需繼續(xù)服役20a,而計算表明50m以深區(qū)域剩余的陽極量僅能維持平臺最小保護至正常服役期滿，無法滿足延壽15a的保護需要，因此，為保證平臺水下結(jié)構(gòu)的安全性，須在導(dǎo)管架服役期滿前采取陰極保護延壽修復(fù)措施以延長其壽命。2導(dǎo)管架平臺的延壽修復(fù)方案2.1犧牲陽極延壽修復(fù)技術(shù)按照陽極的結(jié)構(gòu)和安裝方式，犧牲陽極延壽修復(fù)主要分為單體焊接式、卡箍式和支架式三種［7-10］。2.1.1單體焊接式犧牲陽極單支陽極水下焊接可實現(xiàn)平臺不同深度和位置陽極的逐一更換或補裝和精確修復(fù)欠保護區(qū)域。此外，采用水下濕法焊接，若方法得當(dāng)，可實現(xiàn)與水上干法焊接相近的效果，無需通過電纜實現(xiàn)陽極與被保護鋼結(jié)構(gòu)的電連接，無需后期維護，可靠性高。該導(dǎo)管架原設(shè)計的犧牲陽極總數(shù)基本滿足原設(shè)計壽命預(yù)期，據(jù)此估算延壽15a需加裝犧牲陽極293支，其中50m以淺區(qū)域加裝105支，50m以深區(qū)域加裝188支。導(dǎo)管架在役加裝犧牲陽極需要潛水員進行水下焊接，50m以深區(qū)域必須要采取飽和潛水，或者借助工作級ROV才能完成，焊接設(shè)備復(fù)雜、昂貴，條件苛刻，施工周期長、費用高，并且需要施工船舶進行支持。初步測算，陽極和焊接材料費用約300萬元，50m以淺區(qū)域的陽極安裝工期約為10d，50m以深區(qū)域的陽極安裝工期約為40d，動復(fù)原10d，飽和潛水支持船和ROV費用約3000萬元，潛水施工費用約2000萬元，工程總造價超過5300萬。2.1.2卡箍式犧牲陽極卡箍式犧牲陽極是指單支或多支陽極通過螺栓或澆鑄方法制作成半圓形卡箍，兩個卡箍組成一個手鐲式陽極單元，將陽極單元卡到需保護的鋼管上，通過電纜實現(xiàn)卡箍與被保護結(jié)構(gòu)的電連接?？ü渴浇Y(jié)構(gòu)是將犧牲陽極澆鑄于半圓形的卡箍上，兩個半圓形卡一組，構(gòu)成一個卡箍式犧牲陽。借助吊環(huán)將兩個半圓形卡箍吊放到安裝位置，通過卡箍上預(yù)先安裝的折頁和（或）螺栓固定卡緊到鋼管樁上［9］。在卡箍上預(yù)先安裝導(dǎo)電電纜，將電纜沿樁腿固定并牽弓I到水面上，在上部實現(xiàn)電纜與鋼管樁的電連接?？梢钥闯?，盡管卡箍陽極無需水下焊接陽極支架，但是依然需要采取飽和潛水或者借助工作級ROV才能完成安裝。同時，陽極電纜需要沿導(dǎo)管架樁腿鋪設(shè)并牽引到水面上，施工費用較單體焊接式犧牲陽極的更高。2.2夕卜加電流延壽修復(fù)技術(shù)對于大型深水在役平臺的延壽修復(fù)，國內(nèi)外普遍采用外加電流陰極保護技術(shù)［6,11］。夕卜加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)主要包括輔助陽極和電源，電源置于平臺上部模塊，可實現(xiàn)對輔助陽極的電源供給。根據(jù)外加電流輔助陽極的結(jié)構(gòu)和安裝方式的不同，可將外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)分為拉伸式和遠地式兩種［12-17］。2.2.1拉伸式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)拉伸式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的拉伸輔助陽極由發(fā)生電流單元、電纜和承重鋼纜組成。用電纜將多個輔助陽極發(fā)生電流單元串聯(lián)在一起，實現(xiàn)電連接，隨后將串聯(lián)有陽極單元的電纜固定到一根主要起機械支撐作用的承重鋼纜上，將鋼纜的下端懸掛重載固定在導(dǎo)管架平臺底部的海床上，上端固定到導(dǎo)管架水上支撐結(jié)構(gòu)上，見圖1。陽極電纜由水上引出，電連接到供電單元上，通過輔助陽極將保護電流施加到導(dǎo)管架平臺水下結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)對水下結(jié)構(gòu)的腐蝕控制［7-8,17］，見圖1。圖1拉伸式外加地電流延壽修復(fù)系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematicdiagramoftensileexternalcurrentextensionliferepairsystem拉伸式延壽修復(fù)方式的優(yōu)點如下：（1）水上可實現(xiàn)整套系統(tǒng)的安裝。（2）從上到下，電流分布均勻。（3）可在導(dǎo)管架平臺的內(nèi)部、外卜側(cè)等多個區(qū)域安裝拉伸陽極。其缺點是：（1）安裝在平臺外側(cè)的拉伸陽極，給其他輔助工程船舶的?？颗c拋錨工作帶來困難，易發(fā)生碰撞損壞。（2）拉伸式輔助陽極電纜從上到下穿于飛濺、潮差、全浸等多個區(qū)帶，時刻受到紫外光照、海流沖擊、浮冰甚至海水暴風(fēng)等極端惡劣天氣的影響，因此電纜易因老化、斷裂而失效，電纜破斷后可能會對導(dǎo)管架構(gòu)成安全威脅。（3）安裝時仍需要ROV輔助。表1為導(dǎo)管架陰極保護電流密度設(shè)計值，表2為導(dǎo)管架的陰極保護面積設(shè)計值，根據(jù)保護面積和保護電流計算，導(dǎo)管架需要的保護電流如表3所示。由表3可見：要維持導(dǎo)管架的陰極保護，至少需要1090.3A電流。取20%的設(shè)計裕量則保護電流需求約為1363A。單套拉伸陽極可以提供保護電流500A,需要安裝3套該系統(tǒng)，設(shè)備費約1200萬元。由于該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)從上到下一共有6層水平結(jié)構(gòu)，底部配重有混凝土重坨的拉伸陽極需要穿越6個水平層。由于倒掛架較高，內(nèi)部空間狹小，因此，對重坨和拉伸陽極的安裝精度要求非常高。受水流作用，重坨和電纜易因碰撞導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)而損壞，因此，需要工作級ROV輔助安裝才能完成，安裝周期長，費用高，預(yù)計安裝費約為500萬元。因此，采用拉伸式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的工程總造價約為1700萬元。表1導(dǎo)管架的陰極保護電流密度Tab.1Currentdensityofjacketprotection）初期中期末期海水中的涂裝鋼材項目電流密度/（mA-m-2104060海水中的裸鋼1307090海泥中的裸鋼252015井口（12口）5A/每口表2導(dǎo)管架保護面積Tab.2Jacketprotectionarea項目保護面積/m2海水中的涂裝鋼材240海水中的裸鋼13770海泥中的裸鋼1840表3導(dǎo)管架的保護電流Tab.3Jacketprotectioncurrent項目初期/A平均/A末期/A海水中的涂裝鋼材2.409.6014.40海水中的裸鋼1790.10963.901239.30海泥中的裸鋼46.0036.8027.60井口（16口）808080總共1918.501090.301361.302.2.2遠地式外加電流延壽修復(fù)技術(shù)遠地式輔助陽極系統(tǒng)是將輔助陽極放置在導(dǎo)管架外側(cè)一定距離的海床上，通過電纜電連接到平臺上部的電源模塊實現(xiàn)對導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)的腐蝕控制［6,8,15-16,18-19］，見圖2。由于輔助陽極遠離導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，因此，單座輔助陽極可以設(shè)計較大的電流輸出，前文所述導(dǎo)管架平臺的設(shè)計保護電流為1363A,安裝兩座單座發(fā)生電流700A的輔助陽極單元即可滿足要求。圖2遠地式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的示意圖Fig.2SchematicdiagramofremoteinstallationICCPsystem遠地式外加電流延壽修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點是：（1）單套輔助陽極發(fā)生電流大，可達700A°（2）輔助陽極固定于海底，最大程度規(guī)避了海流、浮冰、海上風(fēng)暴等環(huán)境因素的破壞作用。（3）由于輔助陽極遠離導(dǎo)管架和其他海底結(jié)構(gòu)物，因此，輔助陽極的損壞不會對平臺構(gòu)成安全威脅。（4）輔助陽極電纜從上到下由護管防護，避免了光照、波浪、海流、廢棄漁網(wǎng)等對電纜的破壞。其缺點是：（1）單座輔助陽極的發(fā)生電流大，且位置集中，對大型復(fù)雜導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致保護程度不均勻。（2）電纜沿護管安裝，需借助工作級ROV完成操作，安裝費用高。對于本文中需要延壽的導(dǎo)管架平臺，安裝2套700A/套遠地式外加電流系統(tǒng)即可滿足保護電流需求，設(shè)備費約800萬元。遠地式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的陽極電纜在導(dǎo)管架上的固定安裝受海況條件影響較大，安裝周期長，費用高，預(yù)測安裝費用約為700萬元，因此，遠地式式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)的工程總造價約為1500萬元。2.3幾種陰極保護延壽修復(fù)方案的對比綜上所述，幾種陰極保護延壽修復(fù)方案各有優(yōu)缺點，為了對比幾種方法的優(yōu)劣，以上文南海某平臺為例，從技術(shù)上、經(jīng)濟上、施工可行性、預(yù)期效果以及環(huán)境影響等方面進行了對比分析，見表4。由表4可見：平臺50m以深區(qū)域采用犧牲陽極進行陰極保護延壽修復(fù)的工程造價極高，施工十分困難，可行性較差。拉伸式和遠地式外加電流延壽修復(fù)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，是目前國際主流的兩種延壽修復(fù)技術(shù)。遠地式延壽修復(fù)系統(tǒng)電纜和輔助陽極的布置方式相對安全，工程造價最低，但其安裝費用所占比例仍相對較高。為此，通過借鑒拉伸式延壽修復(fù)系統(tǒng)的安裝優(yōu)點，對遠地式延壽修復(fù)系統(tǒng)的電纜安裝方式進行了改進，設(shè)計了一種拉伸式電纜結(jié)構(gòu)，將遠地式陽極電纜采用拉伸的方式進行安裝固定：即將懸掛有陽極電纜的承重鋼纜上端固定在最低潮位線以下的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，下端用混凝土配重砣將其牽引固定到海床上，實現(xiàn)對遠地式輔助陽極的電力供給。表4幾種陰極保護延壽修復(fù)方案的對比Tab.4Comparisonofcathodicprotectionretrofitschemes深層水域電源配置無需無需需外部電源需外部電源保護均勻性均勻較均勻均勻較均勻保護電流可調(diào)性項目焊接式犧牲陽極卡箍式犧牲陽極拉伸式外加電流遠地式外加電流適用水域淺層水域淺、中層水域淺、中層水域淺、中、陽極形狀固定后不可調(diào)陽極形狀固定后不可調(diào)可調(diào)可調(diào)電位自身控制性低低高高安裝方式飽和潛水/ROV飽和潛水/ROV水上安裝+ROV輔助水上安裝+ROV施工可行性較低，水下施工十分困難較高，部分水下施工施工量較多較多較少較少后期維護維護量少維護量少需定期維護電源設(shè)備較低，水下施工十分困難較高，部分水下施工需定期維護電源設(shè)備可維性需更換陽極需更換陽極以檢測、預(yù)防機械損傷為主以檢測、預(yù)防機械損傷為主使用壽命15a15a15a以上，到期后設(shè)備無問題可繼續(xù)使用運行成本定期檢測保護電位15a以上，到期后設(shè)備無問題可繼續(xù)使用定期檢測保護電位持續(xù)消耗電能持續(xù)消耗電能工程投資約5300萬元約6000萬元約1700萬元約1500萬元環(huán)境影響陽極溶解的重金屬會污染海水陽極溶解的重金屬會污染海水很小很小運行風(fēng)險洋流、水溫等影響可能造成陽極提前消耗壽命不足電纜損壞風(fēng)險；洋流、水溫等影響可能造成陽極提前消耗壽命不足陽極或電纜被極端天氣損壞、電纜老化損壞風(fēng)險較安全這種拉伸式陽極電纜的安裝方式具有如下優(yōu)點：(1)陽極電纜在穿越潮差區(qū)時，采用護管保護，避免了紫外老化、漂浮物、海流沖擊、風(fēng)暴潮等惡劣天氣對結(jié)構(gòu)的破壞。(2)電纜上部懸掛點選擇在最低潮位線以下，不影響其他輔助工程船舶的?？?。(3)相較于將陽極電纜固定到導(dǎo)管架樁腿上的安裝方式，安裝費用可大幅度降低，約為原來的1/2。3結(jié)論相較于采用犧牲陽極法延壽修復(fù)，對于服役水深超出50m的導(dǎo)管架平臺，外加電流延壽修復(fù)方式更加經(jīng)濟便捷，且導(dǎo)管架所處海域水越深，延壽修復(fù)面積越大，夕卜加電流延壽修復(fù)越經(jīng)濟。拉伸式和遠地式外加電流延壽修復(fù)技術(shù)各有優(yōu)缺點，與拉伸式延壽修復(fù)系統(tǒng)相比，遠地式延壽修復(fù)系統(tǒng)的電纜和輔助陽極布置方式更安全，但安裝費用高。通過對遠地式系統(tǒng)的電纜安裝方式進行調(diào)整，設(shè)計了一種拉伸式電纜結(jié)構(gòu)，相較于遠地式電纜的固定方式，可有效降低安裝費用；電纜穿越潮差和飛濺區(qū)時，電纜采用護管防護，相較于拉伸式結(jié)構(gòu)更加安全。參考文獻：【相關(guān)文獻】李妍，李忠斌.海洋平臺的陰極保護[J].中國造船，2002,43(10):162-164.杜敏，孫明先，楊朝暉.海洋構(gòu)筑物陰極保護[M].北京：科學(xué)出版社，2016.[3]DNVStandardDNV-RP-B401-2010Cathodicprotectiondesign[S].[4]NACESP0176-2007Corrosioncontrolofsubmergedareasofpermanentlyinstalledsteeloffshorestructuresassociatedwithpetroleumproduction[S].[5]熊信勇，嚴濤，許川壁，等.海洋平臺陰極保護系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].熱帶海洋學(xué)報，2003,22(1):70-75.[6]LEWISE,FLANERYD.Improvementsinoffshorecathodicprotectionretrofits[C]//NACEEastAsian&PacificRegionalConference&Exposition.Malaysia:[s.n.],2008:34.[7]武列，吳晨陽，倪政瑜，等.近海港工鋼結(jié)構(gòu)陰極保護工程設(shè)計應(yīng)用研究的實踐[C]//第十四屆亞太腐蝕控制會議.上海：[出版者不詳],2006:29-45.[8]夏定健.近海固定平臺陰