外加电流系统在自安装采油平台上的应用

杨太年，赵准

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中海油电气仪表自动控制技术服务中心，天津 300452）

1 概述

本文所介绍的自安装式采油平台是一艘基于插销式液压升降的四桩腿自升式采油平台，钢质非自航，适用于渤海湾海域进行原油的生产、处理、储存和外输。平台结构终年处于海水及海洋大气环境中，长期遭受腐蚀，尽管平台已整体进行涂装防腐，但为确保桩腿水下部分结构的安全性和使用年限，还须对平台水下部分进行阴极保护。由于桩腿需定期提升，桩腿水下部分不适宜采用牺牲阳极法保护。本工程采用外加电流阴极保护的方式对桩腿水下部分进行阴极保护，以确保在其设计使用年限内的安全及正常使用。

2 平台介绍

2.1 桩腿及桩靴结构

平台主要由平台主体、工艺处理系统、液压升降系统和桩腿组成，平台主体采用了重防腐涂料和牺牲阳极联合的保护形式。由于桩腿需要定期进行提升，所以桩腿与平台之间有30 mm的空隙，致使桩腿不能与平台良好地接触，平台的阴极保护系统并不能对桩腿进行保护，所以对桩腿考虑采用单独的阴极保护系统。桩腿和桩靴的具体情况见表1。

表1 桩腿和桩靴情况 mm

2.2 平台使用环境

作业水深：5～30 m（含天文潮和风暴潮）；设计温度：大气设计温度-15～40℃，最低海水设计温度-2℃，最大相对湿度95%（+20℃时）；正常作业情况：设计风速36 m/s，设计波高6.1 m，周期8.5 s；风暴自存：设计风速51.5 m/s，设计波高8.9 m，周期8.9 s；海流：1.23 m/s。

3 阴极保护防腐设计

3.1 阴极保护系统的选择

阴极保护系统分牺牲阳极和外加电流两种保护形式，都能达到保护的效果，但是由于桩腿要定期进行提升，且桩腿与固桩板之间的缝隙很小，阳极块会阻碍桩腿的提升，所以考虑采用外加电流系统，经过参考国际平台的经验和专家的论证，最后选用斜拉式串装辅助阳极保护形式，自动提升系统，既不影响桩腿的自动提升，又能对桩腿进行有效的保护。

3.2 系统组成

本工程外加电流阴极保护系统主要由钛基金属氧化物（MMO）管状阳极、恒电位仪、锌铝硅参比电极、自动提升系统等组成。

通过在平台侧面悬挂重块，将辅助阳极通过专用电缆固定在水中，阳极通过海水介质对桩腿水下部分形成有效保护。

3.3 外加电流系统计算

3.3.1 保护面积计算

自安装式采油平台位置处水深24.1 m，桩靴入泥深度9.3 m，海水电阻率28Ω·cm，极端高水位（50年一遇）+2.70 m，极端低水位（50年一遇）-1.2 m，桩腿内部不进水进行设计计算，见表2。

表2 保护面积计算 m2

3.3.2 电流计算

根据桩腿、桩靴已经整体涂装的实际情况，DOC-JUGEN-01《自安装采油平台总说明书》中规定：“最小保护电流密度根据船东提供的平台工作环境参数，桩腿电流密度海水中取60 mA/m2，海泥区取25 mA/m2。”

由此，本阴极保护系统保护电流总计为：I总=S1×J1+（S2+S3）×J2=78.8 A。

3.4 主要设备和材料选型

3.4.1 钛基金属氧化物（MMO）管状阳极

考虑到外海的水流较大，且在海底附近有泥沙的冲刷，故选用钛基金属氧化物（MMO） 管状阳极，规格为φ25 mm，L1 000 mm，额定输出电流25 A，在辅助阳极外安装一个非金属多孔防护罩，用以减小海水冲刷，同时由于是多孔护罩，并不影响阴极保护电流的正常发散。阳极技术参数见表3。

表3 钛基金属氧化物（MMO）管状阳极技术参数

根据《自安装式采油平台外加电流阴极保护系统计算书》，整个系统需要总保护电流为78.8 A，所以共采用4支管状阳极即可满足电流需求。

阳极电缆采用耐海水腐蚀且具有一定强度的CJY93/SC交联聚乙烯船用SC型电力电缆。该电缆内部含有抗拉伸钢丝，具有一定的强度，外部采用耐海水性能较好的绝缘皮，能够承受较大的拉力，使重块顺利提升。且此电缆已经在国外深、浅海平台应用。如图1。

图1 阳极电缆

3.4.2 恒电位仪

用作直流电源的恒电位仪，具有技术性能稳定可靠，环境适应性强等特点，其外壳应采用防干扰的金属外壳，并进行妥善的防腐处理，其性能指标、适应环境的能力应满足GB/T 3220—1984《船用恒电位仪技术条件》的规定。

3.4.3 参比电极

由于本工程的特殊性，参比电极应具有极化小，稳定性好，不易损坏，使用寿命长等特性，并应适用所处的环境介质，其规格、型号、技术质量指标应满足GB/T 7387—1999《船用参比电极技术条件》的规定。

选用的Zn参比电极测量钢桩相对于电解质的电位，作为本工程检测、监控用电极，其性能符合GB/T 7387—1999规定。本工程采用2个参比电极，参比电极固定在桩腿上。安装图见图2，参比电极电化学性能见表4。

图2 参比电极安装图

表4 锌铝硅参比电极电化学性能

3.4.4 提升系统的选取

由于外加电流系统需要定期提起，而且沉块为100 kg，在提升时又有淤泥的吸力，采用人工操作非常困难，所以设计中采用了电动提升装置，选取设备规格如下：额定拉力10 kN；速度5～10 m/min；承载力1.5 t（沉块为100 kg，沉块放在船甲板上，向上拉起时瞬时拉力较大，可增大承载力）；电机功率2.2 kW。

4 阴极保护系统的安装

4.1 辅助阳极的安装

辅助阳极与阳极电缆采用密封连接，然后通过船用电缆承重，使阳极按设计标高固定于水中，对钢桩进行保护。阳极电缆与辅助阳极、沉块连接示意如图3。

图3 沉块连接图

4.2 电缆布置

供电电缆根据总设计方的要求进行布线，关键是参比电极电缆的布置，由于参比电极嵌套在桩腿内，电缆只能从桩腿内部引出至平台，考虑到桩腿提升对电缆的影响，采用如下方式对电缆进行固定。

1） 固定用的钢丝绳采用直径为10 mm的不锈钢钢丝绳；

2） 在固桩室顶部、桩腿顶部焊接固定钢丝绳的支架并做防腐处理；

3） 利用拆卸方便的花篮螺丝拉紧钢丝绳；

4） 为了防止电缆在桩腿顶部处磨损，在可能磨损到的部位增加胶皮套。

4.3 电缆的连接

电缆的约束会影响系统的提升，所以在供电电缆与提升系统的连接点和参比电极电缆与桩腿出现口采用航空插拔式密封接头，这样在系统需要提升的时候，就可以把电缆分开，使系统能够顺利地进行提升。

5 调试

外加电流阴极保护系统安装检测完毕，桩腿下水后需进行系统调试，具体步骤如下：

1） 调试之前，确认所有电缆连接正确、保险丝安装正确、螺丝安装牢固。

2）系统通电调试之前，记录参比电极初始电位。

3）以恒电位仪额定输出电流的20%供电，分别记录恒电位仪输出电流（Current）、输出电压（Voltage）以及参比电极电位（R1，R2）。稳定30 min后，再次记录。

4）依次将恒电位仪加载到额定输出电流的40%、60%、80%、100%，记录恒电位仪输出电流、输出电压以及参比电极电位。每次调整前均需稳定30 min，并记录输出电流，输出电压以及参比电极电位。

5） 以上调试过程中，若桩腿保护电位达到0～0.25 V（相对于锌参比电极）范围，则保持现有电流输出，将控制方式改为恒电位控制，2 h后记录输出电流，输出电位，参比电极电位。保持现有的恒电位控制方式，24 h和48 h后分别记录输出电流，输出电位，参比电极电位。

6） 如果桩腿一直未达到0～0.25 V（相对于锌参比电极）保护电位范围，需再次检查所有电缆连接是否正确。

7） 如果在使用过程中参比电极失效，应将恒电位仪调整为手动模式，并采用便携式Ag/AgCl参比电极测量桩腿电位，作为恒电位仪输出电流调整依据。若桩腿保护电位达到-0.8～-1.05 V（相对于便携式Ag/AgCl参比电极），则保持现有电流输出。

6 结语

在经过一段时间的调试后，阴极保护系统的保护电位达到了规范要求，并能稳定地运行。

本工程在实际应用中，采用了国际上先进的串装阳极技术，并且在原有基础上增加了自动提升系统，既保证了桩腿得到良好的保护，又不影响桩腿的自由提升。本技术为国内自动提升式平台上阴极保护系统的设计和应用奠定了基础，并可以推广应用到深海平台的阴极保护系统改造工程，为深海平台的阴极保护系统维护提供技术参考。

[1]GB/T 3108—1999，船体外加电流阴极保护系统[S].

[2]JTS153-3—2007，海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S].

[3]GB/T 7387—1999，船用参比电极技术条件[S].

[4]BSEN 12495：2000，近海固定式钢结构的阴极保护[S].

[5]GB/T 7388—1999，船用辅助阳极技术条件[S].

[6]GB/T 3220—1984，船用恒电位仪技术条件[S].