導(dǎo)管架陰極保護(hù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGE2PAGE1導(dǎo)管架陰極保護(hù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)河南匯龍合金材料有限公司技術(shù)部：劉珍編制：2018年8月內(nèi)部資料請(qǐng)勿外傳導(dǎo)管架陰極保護(hù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)錢思成，張有慧，張國(guó)慶，陸長(zhǎng)山

(海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽300451)摘要依據(jù)2005年版DNV-RP-B401陰極保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)介紹了海洋工程領(lǐng)域?qū)Ч芗軤奚枠O陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)過程和計(jì)算方法，同時(shí)也對(duì)犧牲陽極的建造.安裝和檢驗(yàn)做了簡(jiǎn)要的介紹.介紹的導(dǎo)管架犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，主要參考的是渤海地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，犧牲陽極為現(xiàn)階段海洋工程領(lǐng)域常用的鋁基陽極，根據(jù)初期、平均'末期導(dǎo)管架需要的保護(hù)電流及鋁基陽極的電容量和電位來進(jìn)行陽極數(shù)量的計(jì)算，然后對(duì)初期.平均.末期三個(gè)階段分別需要的陽極數(shù)量進(jìn)行考察，取其中較為合理的一個(gè)陽極數(shù)量.陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是依靠導(dǎo)管架不同位置的參比電極來對(duì)電位和陽極發(fā)生電流進(jìn)行測(cè)量，通過實(shí)測(cè)電位和電流隨時(shí)間的變化關(guān)系，來進(jìn)一步考察陰極保護(hù)的效果.所采用的陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)為文昌項(xiàng)目的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架陰極保護(hù)；DNV-RP-B401;犧牲陽極；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)0前言石油是目前世界上最重要的能源之一，隨著海上油氣田開發(fā)與生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，海洋鋼結(jié)構(gòu)物的重要性也日益凸現(xiàn)出來。海洋油氣田的開發(fā)與生產(chǎn)離不開釆油平臺(tái)和平臺(tái)的支撐體一導(dǎo)管架，而海洋是一個(gè)嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，以鋼鐵為主要結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架隨時(shí)都面臨著腐蝕的危害，從而直接影響到海洋采油平臺(tái)的使用壽命和安全。金屬在海水中的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，海水作為侵蝕性介質(zhì)，其特征是含有大量以氯化鈉為主的易離解鹽類，因而具有很高的導(dǎo)電性。釆取電化學(xué)保護(hù)的方法可以有效地減緩和防止鋼結(jié)構(gòu)在海水中的腐蝕。電化學(xué)保護(hù)分為陰極保護(hù)和陽極保護(hù)，在海水和海泥中通常采用陰極保護(hù)。陰極保護(hù)是在金屬表面上通入足夠的陰極電流，使金屬電位變負(fù)，這種保護(hù)方法又分為犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。前者是靠電位較負(fù)的金屬的溶解來提供保護(hù)所需的電流，在保護(hù)的過程中，這種電位較負(fù)的金屬為陽極，逐漸溶解犧牲掉，所以稱為犧牲陽極保護(hù)，該方法為一次性投入，一般不需要后期維護(hù)。而后者則靠外部的直流電源來提供保護(hù)所需的電流，為了使電流能夠流通，還需要輔助陽極，輔助陽極通常為惰性陽極，釆用該方法需要增加電源裝置，占用一定空間，同時(shí)后期的維護(hù)和修理費(fèi)用較高，因此外加電流陰極保護(hù)法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于導(dǎo)管架的實(shí)例不多，目前導(dǎo)管架陰極保護(hù)主要釆用犧牲陽極的方法。1設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)主要指海水溫度、海水鹽度、pH值、海水/海泥電阻率、氧化還原電位：設(shè)計(jì)工藝參數(shù)主要包括導(dǎo)管架陰極保護(hù)部位的長(zhǎng)度、管徑、陽極類型、陰極保護(hù)極化電位和需要的電流密度等。1.2導(dǎo)管架表面積的計(jì)算導(dǎo)管架表面積的計(jì)算包括主體結(jié)構(gòu)和附屬物，主要分為飛濺區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)三大保護(hù)區(qū)域，分別計(jì)算出各個(gè)區(qū)域下的導(dǎo)管架樁腿、斜拉筋、護(hù)套管和平面結(jié)構(gòu)的表面積。2設(shè)計(jì)過程導(dǎo)管架陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是得到合理的陽極重量和陽極塊數(shù)。2.1根據(jù)初期需要的保護(hù)電流確定的陽極塊數(shù)首先須根據(jù)DNV-RP-B401（附錄A）選取，確定需要的保護(hù)電流密度，該電流密度與水深和溫度有關(guān)，通常渤海地區(qū)推薦的保護(hù)電流密度如表1所列。表1陰極保護(hù)所需電流密度區(qū)域初期id電流密度/mA?nf2平均婦末期飛濺區(qū)103040全浸區(qū)1207090海泥區(qū)202020井口2A2A2A分別計(jì)算出各個(gè)不同區(qū)域被保護(hù)的導(dǎo)管架表面積，根據(jù)推薦電流密度計(jì)算出需要的初期保護(hù)電流婦為：【d=AcXid ⑴式中Ac為導(dǎo)管架保護(hù)面積（n?）,婦為初期需要的保護(hù)電流密度（A/n?）。必須分別計(jì)算出飛濺區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)初期所需的保護(hù)電流，然后再相加得到初期需要的總的保護(hù)電流心°初期陽極輸出電流琮為：lai=^E/Ra=px[Ln（8x￡/D）-l]/（2x3.14x1） （2）式中犯為設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電位（V）,用為初期陽極電阻（Q）,E/為設(shè)計(jì)保護(hù)電位（V）,為陽極閉路電位（V）,p為海水電阻率（Q-cm）,Z為陽極長(zhǎng)度（cm）,D為陽極直徑（cm）。最終根據(jù)需要的保護(hù)電流得到的陽極塊數(shù)為Ni=1a11a （3）2.2根據(jù)導(dǎo)管架設(shè)計(jì)壽命得到的陽極塊數(shù)滿足導(dǎo)管架設(shè)計(jì)壽命所需要的保護(hù)電流婦為：4m=4*km （4）式中Ac為導(dǎo)管架的保護(hù)面積（m2）,知為平均保護(hù)電流密度（A/m2）.理論上陽極的總凈質(zhì)量M為：(5)L>?xf,x8760(5)UX￡式中婦，為平均保護(hù)電流（A）,〃為導(dǎo)管架設(shè)計(jì)壽命（years）,”為陽極利用系數(shù)，￡為陽極電容量（A*hr/kg）o根據(jù)陽極尺寸和密度可以計(jì)算得到單個(gè)陽極重量Wanode,從而由理論上根據(jù)陽極壽命得到的總重量和單個(gè)陽極重量可以得岀一個(gè)陽極塊數(shù)即為根據(jù)設(shè)計(jì)壽命得到的陽極塊數(shù)：式中Wanode為單個(gè)陽極重量，可以由鋁陽極的尺寸和密度〃得到:(7)J=P?*x[Ui+^）/2]x|（4+B）xHZ2-xxD2/4j/IO,(7)式中功”ode為陽極密度，2730kg/m3,Z,為陽極上底長(zhǎng)度（mm）,3為陽極下底長(zhǎng)度（mm）4為陽極上底寬度（mm）,5為陽極下底寬度（mm）,H為陽極高度（mm）,D為陽極芯直徑（mm）.通常導(dǎo)管架陰極保護(hù)采用的鋁陽極形狀如圖1所示。圖1陽極圖圖1陽極圖2.3根據(jù)末期保護(hù)電流確定的陽極塊數(shù)滿足末期保護(hù)電流所需要的陽極塊數(shù)所為：(8)式中，婦=4X力XsI^AE\Raf。W為導(dǎo)管架末期需要的保護(hù)電流，由末期設(shè)計(jì)電流密度婦決定；婦為末期陽極輸出電流，由末期陽極電阻犬寸決定.AE為設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電位.=px[Ln（8x￡z/D/）-l]/（2x3.14x￡j ⑼式中R4?為末期陽極電阻（Q）,p為海水電阻率（Q?cm）,0為末期陽極長(zhǎng)度（cm）,勻?yàn)槟┢陉枠O芯直徑（cm）?L^L-O.lxvxL ￡=（^+^）/2Dj=x（1-u）煩x0.25x「宀xV））+￡）2式中臉"ode為單個(gè)陽極重量（kg）,2＞她為鋁陽極密度（kg/n?）,。為初期陽極芯直徑（dm）,/?為初期陽極長(zhǎng)度（如），"為陽極利用系數(shù)。最終可計(jì)算得出滿足末期保護(hù)電流需要的陽極塊數(shù)場(chǎng).考察上述三種因素確定的陽極塊數(shù)和單個(gè)陽極重量，取其中最合適的一種陽極.2.4陽極的檢驗(yàn)陽極的檢驗(yàn)主要包括對(duì)陽極質(zhì)量、尺寸、物理性能、化學(xué)組成和電化學(xué)性能等的檢驗(yàn).陽極的質(zhì)量和尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)，允許的公差如表2所列.

表2陽極重屆和尺寸允許公差單個(gè)陽極質(zhì)量 陽極總質(zhì)量 陽極長(zhǎng)度 陽極寛度 陽極高度+3%~-3% +2%~0% (+/-)25mm (+/-)5% (+/-)10%對(duì)陽極物理學(xué)性能的檢驗(yàn)主要指在陽極的鑄造加工過程中應(yīng)盡量避免外在的缺陷、裂紋，在陽極熔煉過程中嵌在陽極表面的雜質(zhì)不能超過陽極總表面積的1%;對(duì)于細(xì)長(zhǎng)陽極不允許有縱向裂紋出現(xiàn);橫向裂紋寬度不應(yīng)超過5mm,且不允許在兩個(gè)平面交界處岀現(xiàn)。陽極化學(xué)組成的檢驗(yàn)是利用特定的光譜分析儀，對(duì)每個(gè)陽極熔爐中的典型樣品進(jìn)行分析，開始鑄造和壻煉后期均需檢裝。陽極的電化學(xué)性能應(yīng)滿足要求：陽極電容量22500A.hr/kg；開路電位1.10V(Ag/AgCl)：閉路電位1.05V(Ag/AgCl).2.5導(dǎo)管架上陽極的安裝布置確定了滿足導(dǎo)管架陰極保護(hù)所需要的陽極數(shù)量之后，需要進(jìn)行陽極的安裝布置設(shè)計(jì)，具體的原則是：①陽極的安裝應(yīng)盡量保證均勻分布；②陽極應(yīng)焊接在導(dǎo)管架內(nèi)側(cè)，防止導(dǎo)管架浮拖下水時(shí)將陽極損壞；③陽極一定要處于飛濺區(qū)以下，不能暴露在空氣中：④陽極應(yīng)安裝在導(dǎo)管架保護(hù)面積集中的部位；⑤在后續(xù)的涂敷涂層作業(yè)過程中，已安裝好的陽極必須被很好的保護(hù)起來以保證陽極表面干凈清潔.圖2為導(dǎo)管架立面和平面的陽極布置圖. fv- ~I\、項(xiàng)

歸］匚\/71/|111\/圖2 陽極布置圖3導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了對(duì)陰極保護(hù)的效率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量，通常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器安裝在那些不容易對(duì)陰極保護(hù)的效果進(jìn)行檢測(cè)的部位，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定程序，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)。陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理是通過測(cè)量被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)即陰極的電位，考察其是否處于腐蝕電位以下，進(jìn)而來評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的保護(hù)效果，對(duì)于犧牲陽極陰極保護(hù)來說，同時(shí)還測(cè)量陽極電位和陽極發(fā)生電流，進(jìn)一步考察犧牲陽極的使用效率。3.2監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)裝置由水下部分和水上部分組成，水上部分主要包括臨時(shí)性室外數(shù)據(jù)釆貯器和永久性室內(nèi)陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)儀；水下部分主要包括參比電極、被監(jiān)測(cè)陽極、電流探頭和連接電纜。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括陰極電位、陽極電位和陽極發(fā)生電流。3.3參比電極及被監(jiān)測(cè)陽極參比電極應(yīng)釆用全固態(tài)銀/鹵化銀(海水)固溶體電極與高純鋅電極的復(fù)合參比電極，相對(duì)于飽和甘汞電極，其電極電位￡計(jì)算公式為：E=E2j+0.22^(t-25) (12)式中E為電極電位，mV；旦5為25C時(shí)的電極電位，mV；，為海水溫度，25C時(shí)的電極電位場(chǎng)5與海水鹽度S(%o)的關(guān)系為：E25=79.6-53.4xLog(S) (13)高純鋅電極的化學(xué)組成如表3所列。表3高純鋅電極的化學(xué)組成鋁鎘鐵銅鉛鋅<0.005%<0.003%<0.0014%<0,002%<0.003%余量相同條件下，各參比電極的電位值應(yīng)當(dāng)一致且在海水中應(yīng)長(zhǎng)期穩(wěn)定。參比電極的工作表面應(yīng)具有很好的耐腐蝕性和防污損性，保證在設(shè)計(jì)壽命期間正常工作。被監(jiān)測(cè)陽極應(yīng)由陰極保護(hù)所用陽極加工改造而成，其電化學(xué)性能應(yīng)與其他陽極的電化學(xué)性能一致。參比電極及被監(jiān)測(cè)陽極的數(shù)量應(yīng)依據(jù)導(dǎo)管架的大小來確定，數(shù)量及分布應(yīng)能正確、全面地反映導(dǎo)管架的保護(hù)情況。參比電極的布置應(yīng)能客觀反映導(dǎo)管架的保護(hù)狀況，選擇導(dǎo)管架不同平面和立面、不同構(gòu)件及不同屏蔽情況的部位，同時(shí)還應(yīng)與被監(jiān)測(cè)陽極的布置適當(dāng)配合以取得全面、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；被監(jiān)測(cè)陽極的布置應(yīng)能客觀反映陽極的工作狀況，應(yīng)具有代表性。根據(jù)導(dǎo)管架所處海域的水深，參比電極及被監(jiān)測(cè)陽極的數(shù)量可參考表4.表4參比電極及被監(jiān)測(cè)陽極數(shù)量水深/m參比電極/個(gè)被監(jiān)測(cè)陽極/個(gè)<308*-124*63480122648>80>16>83.4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工應(yīng)在技術(shù)人員的指導(dǎo)下嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)格書進(jìn)行，安裝結(jié)束后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工情況繪制完工圖，完工圖應(yīng)反映出實(shí)際安裝情況與設(shè)計(jì)之間的任何變更。應(yīng)將銀/鹵化銀(海水)電極與高純鋅電極組合成一個(gè)整體作參比電極，參比電極與所有部件的結(jié)合處均應(yīng)釆取密封措施。被監(jiān)測(cè)陽極應(yīng)焊接在導(dǎo)管架上，并應(yīng)釆取有效措施防止在焊接安裝過程中對(duì)絕緣系統(tǒng)及電纜造成損壞。3.5監(jiān)測(cè)記錄及數(shù)據(jù)處理利用陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)得到被保護(hù)部位電位及陽極發(fā)生電流值，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)到的被保護(hù)部位電位和陽極發(fā)生電流，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到不同時(shí)間情況下電位和電流的變化曲線，

圖3導(dǎo)管架電位隨時(shí)間的變化曲線H檢測(cè)到的電流值由圖可見，被保護(hù)結(jié)構(gòu)電位從剛下水時(shí)的-700mV經(jīng)過15天降到-800mV,又經(jīng)過大約20天降到-900mV并趨于穩(wěn)定，處于腐蝕電位之下，因此犧牲陽極陰極保護(hù)具有很好的保護(hù)效果；導(dǎo)管架剛下水時(shí)陽極發(fā)生電流很高，達(dá)到10-11A,60天后基本穩(wěn)定在1?2A.這主要是由于陰陽極的極化作用導(dǎo)致電位差減小，即驅(qū)動(dòng)電壓減小，從而導(dǎo)致陽極發(fā)生電流減小.同時(shí)造成陽極發(fā)生電流減小還因?yàn)樵陉帢O區(qū)域形成鈣鎂等碳酸鹽覆蓋在被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)上，形成了一層保護(hù)膜，從而需要的保護(hù)電流減小.由圖還可見對(duì)于導(dǎo)管架電位和陽極發(fā)生電流下水初期存在一個(gè)突然的波動(dòng)，然后又繼續(xù)平穩(wěn)減小,這主要是由于導(dǎo)管架下水之后安裝過程的影響造成的.4結(jié)論和建議根據(jù)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，得出了三個(gè)陽極塊數(shù)：根據(jù)初期需要的保護(hù)電流確定的陽極塊數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)壽命得到的陽極塊數(shù)；根據(jù)末期需要保護(hù)電流得到的陽極塊數(shù)。且應(yīng)滿足如下條件：①根據(jù)初期需要保護(hù)電流確定的陽極塊數(shù)：N.I也ci根據(jù)設(shè)計(jì)壽命得到的陽極塊數(shù)： N/Wnxe也cmxT^g根據(jù)末期需要保護(hù)電流確定的陽極塊數(shù)：N產(chǎn)臉cf因?qū)Ч芗芎秃９艿年帢O保護(hù)都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，所以要保證絕緣法蘭的絕緣效果，以避免絕緣墊片失效。同時(shí)還要盡量避免陽極發(fā)生電流向外界流失，增加陽極的消耗。陽極的安裝布置應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況酌情處理，應(yīng)盡量保證均勻分布在導(dǎo)管架保護(hù)面積集中的區(qū)域。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可以了解到犧牲陽極的發(fā)岀電流先高后低，由此可以考慮采用復(fù)合犧牲陽極或其他形式陽極來達(dá)到陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化的目的以減少陰極保護(hù)系統(tǒng)的投入成本。參考文獻(xiàn)：DNVRPB401(2005),CathodicProtectionDesign[S].NACERPO176(2003),CorrosionControlofSteelFixedOffshoreStructuresAssociatedwithPetroleumProduction[S].Q/HS海上鋼質(zhì)平臺(tái)陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(2003),CathodicprotectionmonitoringsystemofsteeloffshoreplatformsES].DesignofCathodicProtectionandMonitoringSystemsonJacketQIANSi-cheng?ZHANGYou-hui,ZHANGGuo-qing,LUChang-shan(ChinaOffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)AbstractBasedonthe2005editionofDNV-RP-B401cathodicprotectiondesignstandars,thedesignprocessandcalculationmethodsofjacketsacrificialanodecathodicprotectioninmarineengineeringfieldareintroducedindetail,aswellasabriefintroductionofthesacrificialanode'sconstruction,installationandtestingisgiven.ThejackedsacrificialanodecathodicprotectiondesignmainlyreferstotherelevantdatainBohairegion.Thesacrifieialanodeisaluminumanode,whichiscommonlyusedinthefieldofoceanengineeringatthisstage.Accordingtotheneedsofcurrent,aluminumanode'selectriccapacityandpoten