基于缩比模型的导管架平台外加电流阴极保护系统优化设计

刘福国,张国庆,张伟,尹鹏飞,韩笑晨,韩冰

(1.中国海洋石油总公司海洋石油工程股份有限公司,天津300451; 2.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司,山东青岛266071;3.昆明理工大学,昆明650500)

基于缩比模型的导管架平台外加电流阴极保护系统优化设计

刘福国1,张国庆1,张伟2,尹鹏飞2,韩笑晨3,韩冰2

(1.中国海洋石油总公司海洋石油工程股份有限公司,天津300451; 2.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司,山东青岛266071;3.昆明理工大学,昆明650500)

目的研究远地式辅助阳极发生电流单元的改变和距离平台的相对位置对平台电位分布及保护程度的影响。方法以位于渤海湾JZ120-1在役导管架平台为原型,构建了一个1∶20的缩比模型。在平台底部一定距离处放置一座远地式辅助阳极,研究恒电流下辅助阳极与平台底部间距和辅助阳极发生电流单元的改变对平台电位分布及其保护程度的影响。结果单座远地阳极即可实现对整座平台的腐蚀控制。辅助阳极距离平台越远,平台表面电位差越小,电位分布越均匀;辅助阳极距离平台越近,单支阳极较四支阳极保护下的平台表面电位差越大,距离越远,电位差越小,距离相同时,4支阳极较单支阳极保护下的平台表面电位差小,电位分布更均匀。尽管海水稀释20倍,钙质沉积层的沉积与覆盖仍是影响平台表面电位分布的重要因素。结论辅助阳极发生电流单元的数量、距离平台的相对位置以及钙质沉积层的覆盖是影响平台表面电位分布和保护程度的重要因素。

外加电流阴极保护;缩比模型;优化设计;海洋平台

海洋石油平台水下结构的腐蚀控制主要有牺牲阳极法和外加电流法,我国有各类海洋平台400多座,90%以上采用牺牲阳极法。相较于外加电流法,牺牲阳极法采用陆地一次性安装,无需后期维护,工艺可复制性强,设计和工程应用历史久,工程经验丰富,标准和规范完善,很好地满足了复杂海洋环境下的腐蚀防护需求。牺牲阳极法的缺点也比较突出。

1)牺牲阳极的冶炼对资源和能源的消耗巨大,大量污染废弃物的排放对空气、水、土壤造成严重的生态污染和破坏。

2)牺牲阳极的溶解释放大量的Al,Zn,In,Mg及其他重金属离子,存在潜在海洋生态污染隐患[1]。

3)大量牺牲阳极的安装对平台的载荷能力提出了更高的要求,尤其是深水平台,牺牲阳极用量达上千吨,增加了平台设计和建造成本。

外加电流法尽管其一次性投入较大,全寿命期进行需要维护与保养,但并不存在上述几个方面的问题,属于节约资源、环境友好型技术。虽然外加电流不能像牺牲阳极那样均匀地分布在被保护钢结构的表面,实现保护电流的均匀分布,但是通过优化辅助阳极的数量及辅助阳极与平台的相对位置等设计参数,亦能实现对被保护体的全面腐蚀控制。外加电流法不仅适用于新建平台,更适用于在役平台阴极保护系统的延寿修复[2]。

结构表面电位分布的均匀性是评价阴极保护系统设计的重要指标[3],尤其是外加电流阴极保护法。原因是外加电流系统中辅助阳极的数量较少,发生电流单元集中且发生电流大,易发生被保护物靠近辅助阳极区域过保护和较远区域或屏蔽严重区域的欠保护危险[4—5]。

外加电流阴极保护系统优化设计的方法有2种:数值模拟法和缩比模型法。数值模拟法是在传统阴极保护设计基础上,利用计算机边界元程序求解描述阴极保护电场的偏微分方程,进而得到阴极保护的最佳化设计,预测被保护构筑物表面电位分布[6—8]。阴极保护电位分布数值计算模型多是针对稳态分布型模型展开的,而实际的阴极保护体系状态随时间发生变化,如阴极极化过程中钢表面钙质沉积层的沉积与覆盖是一个动态过程。因此边界条件中阴极表面电位与电流密度函数随时间会不断变化,仅根据某一时刻的电位与电流密度函数关系描述整个阴极极化过程,结果的可靠性和可信度难以保证[7]。

缩比模型法是利用被保护物的缩比模型优化预测分析被保护物表面电场,将平台的外形尺寸、阴极保护系统参数等物理量按一定比例缩放,同时将海水的电导率也缩比相同的比例。该方法能复制平台复杂几何形状,而不依赖任何所用材料的极化曲线等电化学数据,具有节省时间、降低成本的优点,现已在船体阴极保护设计中得到应用[3,9—11]。可以看出,缩比模型法的局限性也很突出,比如1个缩比模型只能模拟1种结构,如果需要对不同结构形状的被保护体进行优化设计,必须构建不同的与之对应的缩比模型。数值模拟法则只需在计算机中更改模型设计,即可实现对模型的优化设计,相较于缩比模型法更加便捷。

文中以渤海湾某在役采油平台为原型,基于缩比模型理论,建立该平台的缩比模型,通过在平台底部海床上放置一座远地式辅助阳极,研究远地式辅助阳极发生电流单元的改变和距离平台的相对位置对平台电位分布及保护程度的影响。

1 实验

实验设施包括平台缩比模型、实验水池、外加电流系统和平台电位分布监检测系统等。

1.1 平台模型

平台模型是以渤海湾JZ120-1在役导管架平台为原型,以1∶20比例缩小制作,模型为平台水下结构部分,不考虑上层建筑的模拟。缩比后模型高129 cm,由Q235钢管材焊接而成,面积为3.64 m2,如图1所示。

图1 导管架平台缩比模型和参比电极分布Fig.1 The physical scale model of the Jacket platform and the reference electrode distribution

1.2 实验水池

实验水池建在室内,水池内部尺度为4.1 m× 3.0 m×2.1 m,池壁和池底均标有刻度线,如图2所示。配有一套龙门吊装装置,实现平台模型和辅助阳极的定位。试验海水取自青岛小麦岛附近海域,按照1∶20稀释,稀释后电导率为2.00 ms/cm(校正到25℃)。

图2 实验水池Fig.2 The experimental pool

1.3 外加电流系统

外加电流阴极保护系统由一台上海正方电子ZF-9型恒电位仪和辅助阳极组成。在一根φ3.0 mm的钛基金属氧化物丝上截出4段,每段的一端与铜导线连接并密封到聚四氟乙烯托架中,组成4支阳极单元,每支阳极单元钛基金属氧化物丝暴露长度为60.0 mm。将4支阳极分别固定到一张100 mm×100 mmPVC板的4个角上,然后将PVC板固定到混凝土底座上,成为一个远地式辅助阳极,如图3所示。辅助阳极的高20 cm,其中的4支阳极单元通过电线并联到恒电位仪。

图3 远地式辅助阳极Fig.3 The remote auxiliary anode

1.4 电位分布监检测系统

电位分布监检测系统由全自动数据采集与存储仪和参比电极组成。数据采集器为有8个电压采集通道,输入阻抗大于10 MΩ,电压分辨率优于0.5 mV。参比电极为自制Ag/AgCl固溶体电极[12—13],在天然海水中放置30天,电位波动小于±5 mV,实验过程中定期用饱和甘汞电极校正。

2 结果与讨论

不管是新建平台还是在役平台,在进行外加电流阴极保护设计时,都需要根据平台的结构、服役水深、海底输油管网分布情况、服役区域海洋环境条件等因素来设计辅助阳极的结构与安装方式。

由于导管架平台内部结构紧凑,难有足够的空间安装排流量较大的辅助阳极。借鉴国外的海洋构筑物外加电流阴极保护设计经验[2],选择一种被称为远地式的辅助阳极进行优化设计。该辅助阳极被放置在平台外侧一定距离的海床上,通过平台上部电源供电,实现对整个平台的腐蚀控制。对于保护电流需求较大的海洋构筑物,国外的设计一般采用恒电流控制,原因是由于平台被保护电流需求大,达到上千安培,恒电流控制较恒电位控制设备简单,可靠性高,尤其是对于离岸较远的海洋平台,更换设备的运输、安装费用高。

在远地式辅助阳极外加电流阴极保护设计中,辅助阳极的数量、结构和辅助阳极与平台的相对位置是要考虑的一个重要因素。该实验中,首先研究了在平台周围放置单座辅助阳极时平台不同区域的电位分布情况;然后通过改变辅助阳极与平台间距和辅助阳极发生电流单元数量时平台电位分布及其变化规律。

2.1 单座辅助阳极保护

将单座辅助阳极放置于平台安装采油油井管束的一侧,即图1所示的平台正前方,原因是较平台的另外3侧,油井一侧结构复杂,被保护物面积大,保护电流需求大,易造成过保护和欠保护危险。

实验采用恒电流控制。将单座辅助阳极放置于平台采油管束的一侧中心线上,阳极中心距离平台底部外侧0.4 m,如图4所示。4支阳极单元并联到恒电位仪的正极,负极连接到平台上,给平台施加150 mA的保护电流,保护电流密度为44.21 mA/m2,平台表面不同区域被快速极化,电位迅速负移,5 h以后负移速度明显减慢,到45 h时趋于稳定,如图5所示。从图1可以看出,5#和8#参比电极距离辅助阳极最近,因此该处极化最快,达到了-720 mV(相对饱和甘汞参比电极,下同),而2#参比电极处距离辅助阳极最远,极化电位最正,为-680 mV,整座平台并未达到保护电位范围[4—5]。45 h时,将阳极保护电流调整为300 mA,保护电流密度88.42 mA/m2。此时,平台整体电位再次快速负移,到70 h时,5#参比电极处电位最负,达到-960 mV,2#参比电极处电位最正,为-816 mV,整座平台电位差约150 mV,平台各个区域均处于保护电位区间,整个平台达到了全面腐蚀控制,如图5所示。

图4 试验水池俯视图Fig.4 Top view of the experimental pool

图5 辅助阳极距离平台0.4 m保护电流150 mA和300 mA时的导管架电位分布Fig.5 The potential distribution at 150 and 300 mA protective current and 0.4m apart from the platform

需要指出的是,试验开始时在平台对称位置放置了10处参比电极,数据采集器采集并存储了其中1#～9#处的平台电位,10#参比电极连接到恒电位仪上,以便实时监测平台电位变化情况。另外,试验开始的10 h内,7#参比电极电位波动较大,15 h后保持稳定,这也是图5中7#参比电极处平台电位数据缺失的原因。

由试验结果可知,对于裸钢平台,在静态海水中,单座远地式阳极即可将平台不同区域据极化到保护电位区间,实现对整座平台的腐蚀控制。

2.2 保护距离和辅助阳极单元数对平台电位分布的影响

将辅助阳极放置于采油管束一侧平台正前方池底,调整辅助阳极与平台的间距和发生电流为整座(4支)阳极和单支阳极,研究平台不同区域的电位分布及其变化规律。

保护电流为200 mA时,不同距离和不同阳极单元数平台各个区域电位分布如图6所示。图6中 1和4分别指的是单支阳极和整座4支阳极发出相同保护电流时平台不同位置的电位分布。可以看出,200 mA保护电流时,辅助阳极底座与平台间距为0.2～0.8 m(相当于实际距离4.0～16.0 m)时,平台不同区域电位均在保护电位区间内,达到对整个平台的腐蚀控制。在同一保护电流和保护距离条件下,辅助阳极单元由1支变为4支时,平台表面电位分布呈“收缩”态势,即平台表面最高保护电位和最低保护电位差值减小,平台电位分布更加均匀。

施加200 mA保护电流时,辅助阳极与平台不同距离下,发生电流为单支和4支阳极单元时平台表面最低电位与最高电位的差值如图7所示。可以看出,辅助阳极与平台间距从0.2～0.8 m变化时,对单支阳极,平台表面电位差分别为152.9,107.3, 79.3,63.3 mV,阳极距离平台越远,表面电位差越小,即电位分布愈加均匀;对4支阳极单元,平台电位差分别为140.7,99.3,71.5,58.9 mV,与单支阳极的变化规律相同,即距离越远,电位差愈小,电位分布越均匀,这与数值模拟的结果相一致[6]。在同一距离下,4支阳极单元时表面电位差均小于单支阳极,可见4支阳极较单支阳极保护更加均匀。阳极与平台距离从0.2～0.8 m时,单支与4支阳极引起的整座平台电位差的差值依次为12.2,8.0,7.8, 4.4 mV,即阳极与平台越近,单支与4支阳极引起的平台电位差越大,阳极与平台越远,平台电位差别愈小,平台电位分布愈加均匀。可以想象,当辅助阳极与平台间距达到一定距离时,单支与4支阳极的区别可以忽略。

保护电流为40 mA时,不同距离和不同阳极单元下平台电位分布和电位差的变化如图8和图9所示。与保护电流为200 mA一样,保护电流为40 mA时,辅助阳极底座与平台间距0.2～0.8 m,整个平台得到全面的腐蚀控制。从0.2～0.8 m,单支阳极平台表面电位差分别为46.0,32.0,26.0,23.1 mV,距离越远,电位差越小,电位分布越均匀;对4支阳极,电位差分别为40.0,28.5,25.0,22.4 mV,亦即距离越远,电位差愈小,电位分布越均匀。在同一距离下,4支阳极单元时表面电位差均小于单支阳极, 4支阳极较单支阳极保护更加均匀,单支与4支阳极平台表面电位差的差值依次为6.0,3.5,1.0,0.7 mV。亦即阳极与平台越近,单支与4支阳极引起的平台电位差越大,阳极与平台越远,平台电位差别愈小,平台电位分布愈加均匀。

图8 保护电流40 mA辅助阳极与平台不同间距的平台电位分布Fig.8 The potential distributions at 40 mA protective current and different distances

图9 保护电流40 mA不同间距时单支和4支阳极平台表面电位差Fig.9 The potential differences of one and four anode units at 40 mA protective current and different distances

需要指出的是,尽管后期保护电流调整为40 mA,相当于前期保护电流200 mA的1/5,但后期平台表面电位整体负移程度却超过前期。不管是单支阳极还是4支阳极,后期同一距离的平台表面电位和电位差的差值均亦远低于前期,电位分布较前期亦更加均匀。出现这种现象的原因是金属表面形成钙质沉积层的缘故,钙质沉积层在钢结构表面的沉积与覆盖,阻碍了氧的扩散,从而降低了对电流的需求。同时,沉积层的覆盖延展了阴极保护范围,也使得金属表面的电流分布更加均匀[14—15]。

金属表面钙质沉积层的沉积与覆盖是阴极保护优化设计中重要的影响因素之一,尽管本实验中海水被稀释了20倍,试验后期该因素的影响却逐渐显现,因此,在缩比模型优化设计中应予以考虑。

3 结论

1)静态条件下,对26 m水深的导管架平台,单座远地式辅助阳极即可实现对整座平台的腐蚀控制。

2)不管是单支阳极还是4支阳极,阳极距离平台越远,平台电位差愈小,平台电位分布越均匀;辅助阳极距离平台越远,平台表面电位差越小,电位分布越均匀;辅助阳极距离平台越近,单支阳极较4支阳极保护下的平台表面电位差越大,距离越远,电位差越小,距离相同时,4支阳极较单支阳极保护下的平台表面电位差小,电位分布更均匀。

3)尽管海水稀释20倍,钙质沉积层的沉积与覆盖仍是影响平台表面电位分布的重要因素。

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Design Optimization of ICCP System for Jacket Platform Based on Physical Scale Model

LIU Fu-guo1,ZHANG Guo-qing1,ZHANG Wei2,YIN Peng-fei2,HAN Xiao-chen3,HAN Bing2

(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China;2.Qingdao Research Institute for Marine Corrosion, Qingdao 266071,China;3.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Objective To Study the effects of the change in current unit of the remote auxiliary anode and the spacing between the platform and the auxiliary anode on the distribution and protection of platform potential.Methods Based on the JZ120-1 jacket platform in the Bohai Bay,a 1∶20 physical scale model was built.At the bottom of the experimental pool,a remote auxiliary anode was placed at a certain distance apart from the scale model.Under a certain protection current, the effects of the spacing between the platform and the auxiliary anode as well as the change in current unit of the remote auxiliary anode on the distribution and protection of platform potential were studied.Results The corrosion control of the whole platform can be realized by a single-seat remote anode.The farther the distance between the auxiliary anode and the scale model,the smaller the platform surface potential diffference,and the more even the potential distribution.The closer the distance between the auxiliary anode and the scale model,the greater the potential difference between one anode unit and four anode units,while the farther the distance,the smaller the potential difference.Comparing with the one unit,the four anode units showed a smaller platform surface potential difference and a more even potential distribution at the same distance.Although the experimental seawater was diluted 20 times by running water,the calcareous sediments and covering were still important factors affecting the potential distribution on the platform surface.Conclusion The current unit amount of the auxiliary anode,the spacing of the platform and the auxiliary anode,and the covering of calcareous sediments were important factors affecting the distribution and protection of the platform surface potential.

ICCP;physical scale model;design optimization;offshore platform

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.024

TG174.41

:A

1672-9242(2014)05-0125-07

2014-06-18;

2014-07-02

Received:2014-06-18;Revised:2014-07-02

刘福国(1979—),男,天津人,博士,高级工程师,主要研究方向为材料腐蚀与防护。

Biography:LIU Fu-guo(1979—),Male,from Tianjin,Ph.D.,Senior engineer,Research focus:corrosion and protection of material.