海洋石油161桩腿外加电流阴极保护装置优化研究与实施

高连烨 穆胜军 许海东 李桂忠 孙金伟 张洪涛 许涛 谭静轩 李艳莉

（中海油能源发展采油服务公司，天津塘沽，邮编：300452）

1.0 前言

海洋石油161是我国首座插销式液压自升降生产储油海洋石油161，是为解决浅海海域边际油田“蜜蜂式采油”开发问题而研制的插销式四桩腿液压升降式海上装置。由于四条桩腿终年处于海水及海洋大气环境中，长期受到氯化物、硫化物、海洋微生物以及各种阴、阳离子等的腐蚀，不可避免地要受一定程度的腐蚀，直接影响到海洋石油161的使用寿命。因此，对该自安装式采油装置的桩腿水下部分采取外加电流阴极保护防腐措施，确保在其设计使用年限内的安全及正常使用。但原设计制造在实际使用过程中发现存在一些问题，急需对存在的问题进行优化、改造,使其达到真正的保护作用。

2.0 海洋石油161原桩腿外加电流阴极保护装置简介

海洋石油161平台的桩腿外加电流阴极保护系统主要由恒电位仪、阳极电缆、阴极电缆、辅助阳极、电动绞车等部分组成。

2.1 外加电流阴极保护系统原理

所谓阴极保护就是向被保护金属通以一定的直流电，使被保护的金属成为阴极而得到保护。然而外加电流阴极保护法，是通过外加电源来提供所需的保护电流。将被保护的金属作阴极，选用特定材料作为辅助阳极，从而使被保护金属受到保护的方法。外加电流阴极保护系统是由辅助阳极、参比电极、阳极屏蔽层和直流电源组成。（1）

2.2 海洋石油161上装腿外加电流阴极保护系统主要组成及特点

1）主要组成部分

原系统主要由钛基金属氧化物（MMO）管状阳极、恒电位仪、锌铝硅参比电极等组成。钛基金属氧化物（MMO）管状阳极规格为25mm，长500mm，额定输出电流23A。工作电流密度：≤600A/m2；消耗率：≤5×10-6Kg/（A·a）；氧化物层厚度：≥8μm；在额定工作电流密度下的恒电流极化电位：≤1.9V；使用寿命：≥10年。恒电位仪采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）恒电位仪，型号为SLT-02B-01，主要性能指标为：适用温度：-25℃～+55℃；交流电输入：380V 3相 50HZ；直流电输出：100A 18V；手/自动功能转换；限流功能。设计原理单线图如下图1所示，原建造示意图如图2所示：（2）

图1 海洋石油161桩腿外加电流阴极保护装置单线图

图2 海洋石油161桩腿外加电流阴极保护装置示意图

2）主要特点

海洋石油161是自升式生产储油装置，桩腿高度为67m，参比电极安装在桩腿内部，连接电缆需从内部上升到桩腿顶端后再沿桩腿下降至固桩室内恒电位仪处。阴极接线柱位置为桩腿顶部，连接电缆需沿桩腿下降至固桩室内恒电位仪处。如上图1图2所示，恒电位仪安装在4号固桩室内部、辅助阳极通过负重绳及沉块放入海水中、阳极提升装置为手动绞车布置在每个固桩室顶部。

3.0 原桩腿外加电流阴极保护装置存在的主要问题及分析

3.1 存在的主要问题

阴极电缆、参比电极电缆无法固定。阳极提升装置-手动绞车收放困难。阳极电缆防护等级低、承重绳风阻较大。阴极、参比电极电缆无法满足海洋石油161升降工况要求。参比电极失效。

3.2 对存在问题的分析

1）海洋石油161正常作业期间，桩腿顶部到固桩室顶部约有25m左右的高度。阴极电缆、参比电极电缆从桩腿顶部沿桩腿下降至固桩室顶部无法固定；而且与桩腿顶部边缘摩擦而局部破坏，对人员及设备正常运行造成安全隐患；要解决此问题重新设计此两根电缆的固定方式，从根本上解决无法固定的问题。但因桩腿本身是可升降式的，无法采取常规的电缆固定方式-焊接马脚固定电缆。可考虑将电缆固定在钢丝绳上，钢丝绳固定在桩腿上，同时钢丝绳具备方便拆装的条件。

2）原系统辅助阳极提升装置为手摇式绞车，收放时需较多人工时，费时费力；而且是高空舷边作业，安全风险较大。此问题可考虑将手动绞车改为气动或电动形式的绞车，综合考虑改造的周期及费用，电动绞车更适合。

3）原系统阳极电缆为无铠装电缆，收放时易与承重绳缠绕、摩擦，造成电缆磨损及收放困难，严重影响系统的安全、稳定运行；承重绳和阳极电缆在风力较大时所受风阻较大，可使阳极电缆与海洋石油161边缘摩擦，损坏电缆。解决此问题可考虑改变辅助阳极的连接方式，通过一根带有一定拉力强度的电缆连接至辅助阳极，既保证电流的有效传递、又满足了作为承重绳的强度需求。

4）原系统阴极、参比电极电缆分别沿各自桩腿经过各自固桩室连接至恒电位仪处，中间没有接线盒或者连接插座，海洋石油161升降时必须剪断，恢复困难 （海洋石油161重新定位后可能造成电缆长度无法满足要求）、可操作性差；此问题可通过增加接线盒、连接插座的方式解决。

5）本套系统共有两套参比电极、分别安装在2、3号桩腿中，系统中使用的参比电极为锌铝硅参比电极，一套用于控制、一套用于监视。相对于桩腿有效电位范围为0-0.25V，通过恒电位仪显示面板发现，恒定电流输出时两个参比电极电位相差较大，可以初步判断为一个或两个参比电极已失效。此问题如采取更换参比电极的风险很大，需要人下到桩腿内部最下方，且需要内部焊接。综合考虑其风险及施工难度因素，考虑增加一套外部参比电极，可定期将新增的参比电极投入使用，监控及调整发散电流，使其在正常保护电位范围之内。

4.0 对原桩腿外加电流阴极保护系统存在的问题改造

4.1 主要改造内容

1）固定阴极、参比电极电缆。在桩腿顶部和固桩室上面用槽钢焊接两个钢丝绳支架，从桩腿顶部到固桩室上面安装一根直径为10mm不锈钢钢丝绳，利用拆卸方便及可调松紧的花篮螺丝拉紧钢丝绳，阴极电缆、参比电极电缆固定在钢丝绳上；为了防止电缆在固定桩顶部磨损，在可能磨损部位增加胶皮套管。

2）辅助阳极提升装置改为电动提升绞车。为了解决原辅助阳极升降困难及安全问题，通过现场调研及综合考虑，在每座固桩室顶部增加1台电动绞车。海洋石油161在各种工况条件下，如升降海洋石油161、拖航时均可利用电动绞车方便的收放辅助阳极，保证了该系统及时有效的投入运行状态。

3）采用新型阳极电缆。原系统中阳极电缆为无铠装电缆且需要借助承重绳连接辅助阳极进入工作状态。本次改造采用的阳极电缆为耐海水腐蚀且具有一定强度的铠装电缆。该电缆内部含有一根钢丝绳，具有一定的强度，外部采用耐海水性能较好的绝缘外层，规格为1*6mm2。改造后的阳极电缆能有效解决原系统中存在的外层磨损、风阻较大的问题；同时也将原来的承重绳取消了，既方便了整个系统的操作，又保证了其安全长久运行。

4）阴极、参比电极电缆增加连接插座。阴极、参比电极到恒电位仪的电缆设置水密防爆插座，水密防爆插座安装在固桩室顶部。在海洋石油161升降时可方便地断开阴极、参比电极电缆，大大增加此装置的可操作性。

5）采用便携式参比电极设置工作电流。原系统中因两个参比电极电位显示值存在较大差异，怀疑一个或两个已经失效。系统改造调试时采用便携式银/氯化银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～-1.05V（相对于便携式银/氯化银参比电极），则保持现有电流输出。如确认原系统参比电极失效，可备用一套便携式参比电极。

5.0 结束语

海洋石油161是一个自升降式的生产储油装置，本次改造根据海洋石油161可升降、移动的特点，将原桩腿外加电流阴极保护装置改造成可回收式的保护装置。有效解决了原系统中存在的阳极收放困难、阴极/参比电极电缆不能固定等主要问题。使得该系统能根据海洋石油161的需要及时的投入/切出运行，保证了海洋石油161桩腿的防腐要求。

【1】曹楚南,腐蚀电化学.1994,北京:化学工业出版社.127.

【2】海洋石油161防腐系统完工资料.东方建设（天津）防腐工程有限公司 2009.