番禺30-1平台导管架阴极保护系统修复方案设计与安装实践

许庆华 吴志伟 王晓东 张 军

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

番禺30-1平台导管架阴极保护系统修复方案设计与安装实践

许庆华 吴志伟 王晓东 张 军

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

在营运1年后的年度水下检查中,发现番禺30-1气田平台导管架阴极保护系统存在保护不足的问题。为此,开展了该气田平台导管架阴极保护系统修复方案研究,最终采用了Retrobuoy远程阴极保护系统的修复方案,并进行了方案设计,主要包括水下阳极橇块设计、预保护面积计算、保护电流计算、水下阳极与导管架距离计算、水下阳极之间距离计算、水下电缆的规格及长度设计、电缆弃头设计等。通过一系列优化措施与风险应对策略的实施,实现了该气田平台导管架阴极保护系统的成功安装,取得了很好的保护效果,可为其他类似导管架提供经验。

番禺30-1平台导管架;阴极保护系统;修复方案;设计与安装

外加电流阴极保护技术是一项比较成熟的防腐技术,在全世界范围内得到了广泛的应用。近30年来,外加电流阴极保护技术在国内外发展迅速,在国内的港口工程水下钢结构保护方面已有应用实例[1],而采用外加电流有效防止海洋环境下的船舶腐蚀破坏也是当今世界各国的普遍做法[2]。但是,由于外加电流阴极保护技术对复杂构件的保护不够理想,系统容易在安装和操作过程中受到损伤,且容易产生过保护现象,所以在导管架保护中的应用实例还比较少。随着微电子技术、计算机技术和信息技术的发展,外加电流系统的各个部件,如辅助阳极、参比电极、控制电源等技术的逐渐成熟[3-4],外加电流阴极保护技术也开始在导管架腐蚀保护中广泛应用。

番禺30-1气田位于香港东南部240 km的中国南海珠江口盆地,平均水深200 m。该气田平台在下水前预装了牺牲阳极的阴极保护系统,用于对平台导管架水下部分的防腐保护。在2009年及2010年ROV水下阴极保护系统检查中均发现,导管架结构EL-100 m以下到海床(EL-198 m)结构电位均没有达到DNV对于腐蚀保护电位(-800 m V vs.Ag/AgCl)[5]的最低要求,同时平台水深-100 m以下部分牺牲阳极本身电位异常,未正常工作,导管架结构出现了明显的浮锈。同时,该气田平台上阴极保护监测系统测到的数据也表明阴极保护系统保护不足。根据安全生产设施设备完整性管理的需要,确定进行番禺30-1平台导管架阴极保护修复工作,为此开展了阴极保护系统设计,并进行了成功安装,取得了很好的保护效果。

1 阴极保护系统保护不足的原因分析及修复方案的选择

1.1 阴极保护系统保护不足的原因分析

分析认为,番禺30-1平台导管架出现阴极保护系统保护不足的情况可能是由于南海东部海域复杂的海况引起的。南海东部海域海水成分不均,存在较强的内波等都对阳极的保护存在很大的影响。如果该气田平台失去腐蚀保护,将大大缩短平台的使用寿命,再加上局部腐蚀的存在,也使我们无法预估平台的使用年限,从而有可能出现突发性的事故,产生巨大的经济损失。因此,对该气田平台导管架阴极保护系统进行保护修复至关重要。

1.2 修复方案的选择

阴极保护大致可以分为2种方式:采用牺牲阳极和外加电流阴极保护系统,其中外加电流保护系统还分VTA阴极保护系统和Retrobuoy远程阴极保护系统。表1是这几种阴极保护修复方案的优缺点对比。

表1 3种阴极保护修复方案优缺点对比

经过对比分析,番禺30-1平台导管架阴极保护系统修复项目选择采用Retrobuoy远程阴极保护系统。Retrobuoy远程阴极保护系统主要是将Retrobuoy阳极放于离平台30～100 m的海床上,通过电缆线连接到平台顶端。由于Retrobuoy远程阴极保护系统可以通过ROV安装,安装阳极的深度可达到水深600 m,每组阳极安装时间只需要6～8 h,所以番禺30-1平台4组阳极的安装整个过程不到32 h,可以为平台阴极保护系统修复项目节省大量的海上安装费用。

另一方面,Retrobuoy远程阴极保护系统的安装及存在对平台本身没有任何危害,同时可结合平台上部现有的导管架阴极保护监控系统对导管架阴极保护状态进行实时监测,可以在平台上实时调整该保护系统输出电流参数。此外,水下安装部分距离平台有一定距离,不会对平台底部产生安全隐患问题,可结合每年的ROV水下检查情况,了解该装置的现状及对平台的保护情况。当然,平台应急撤离短时断电也不影响人员返回平台后继续开启使用。

2 Retrobuoy远程阴极保护系统设计

Retrobuoy远程阴极保护系统主要由辅助阳极、参比电极、智能控制的直流电源及相关连接电缆组成。当电流接通后,电流从辅助阳极经海水至导管架结构形成闭合电路,不间断地为被保护的导管架表面提供电子,在金属表面富集电子,使导管架表面发生阴极极化,从而达到降低甚至完全遏制导管架水下金属表面腐蚀的目的。

番禺30-1平台导管架阴极保护系统设计前工作包括对平台的现场勘查、平台上的线路安排以及导管架情况的勘查,并借助年度ROV检测报告了解海底情况,同时对导管架预装的牺牲阳极故障原因进行分析,并对阳极分布进行评估。Retrobuoy远程阴极保护系统设计主要包括:

1)水下阳极橇块设计。水下阳极橇块包括安装在模块上的4个浮力混合金属氧化物阳极管,其设计要求为可以在额定最大工作电流(500 A)下工作20年,设计时考虑混合金属氧化物阳极有25%的冗余,同时确保电缆连接畅通后对阳极橇块进行密封,防止海水入侵,确保阴极保护系统的设计寿命。浮力混合金属氧化物阳极管能够承受水下200 m的海水压力,橇块上的接线盒和电缆终端在整个制造、岸上连接和海上安装阶段都要进行全面的负载输出和输出测试。水下阳极橇块安装时均配置一个电缆弯曲限制器,确保安装过程中不损坏水下电缆。图1为番禺30-1平台导管阴极保护系统水下阳极橇块设计图。

图1 番禺30-1平台导管架阴极保护系统水下阳极橇块设计图

2)预保护面积计算。Retrobuoy远程阴极保护系统预保护面积计算需要考虑水下不同深度的裸钢表面积,这是因为不同水深的裸钢单位面积需要的电流不同。经计算,番禺30-1平台导管架阴极保护系统需要保护的裸钢面积如表2所示。

3)保护电流计算。保护电流计算公式为

式(1)中:I为电流,A;i为电流密度,m A/m2;A为保护面积,m2。

表2 番禺30-1平台导管架阴极保护系统需保护的裸钢面积及保护电流计算结果

经计算,番禺30-1平台导管架阴极保护系统需要的保护电流如表2所示,整个导管架需要的保护电流总量为4 179.58 A。

4)水下阳极与导管架距离计算。根据海水中电压、电流输送规律,计算出水下阳极在导管架周围布置的合适位置,并避免产生过保护。经计算,番禺30-1平台导管架阴极保护系统电压在不同水深的变化趋势如图2所示。

图2 番禺30-1平台导管架阴极保护系统电压在不同水深的变化趋势

5)水下阳极之间距离计算。为了维持低阳极电阻和电压,并满足《Code of Practice for Safe Use of Electricity Underwater》中水下使用电压小于30 V的要求,计算了4个水下阳极之间的距离并确定其与番禺30-1平台导管架各面的位置,以保证水下阳极发出的电流能够对导管架水下的各个构件进行有效的保护,最终确定的水下阳极位置如图3所示。

6)水下电缆的规格、长度设计。水下电缆的规格、长度设计要满足电流输送、深水高压、安装强度等要求。通过设计分析,4条水下电缆设计长度分别为650、500、425、425 m,直径设计为39.63 mm。

7)电缆抛弃头设计。电缆抛弃头专门为应急情况时使用而设计,是为了在海上施工中遭遇台风等极端海况时,可以暂时把电缆抛弃至海中,并在过后方便时打捞上来。电缆抛弃头的设计需要考虑其在抛弃电缆时在深水环境中的密封性及打捞电缆时的强度要求,同时还需要考虑其与电缆的连接方式,避免在作业过程中可能对电缆的伤害。番禺30-1平台导管架阴极保护系统电缆抛弃头示意图如图4所示。

图3 番禺30-1平台导管架阴极保护水下模块布置图

图4 番禺30-1平台导管架阴极保护系统电缆抛弃头示意图

3 Retrobuoy阴极保护系统海上安装

3.1 安装步骤

1)对阴极保护系统所需要的平台上部进行改造。这部分工作主要是进行安装变压整流器、连接配电间到变压整流器的交流电缆和连接变压整流器到接线盒的直流电缆,并对所铺设的电缆路由区域搭设电缆桥架,对电缆进行固定。

2)阴极保护系统水下模块安装及电缆的连接。番禺30-1平台导管架阴极保护系统水下模块的安装由ROV、船舶和定位人员配合进行作业;4条阴极保护系统直流电缆和2条参比电极电缆由5号电缆护管连接到平台上。

3)EL-20 m水平层参比电极的安装及电缆的连接。2个参比电极由潜水员安装并固定在-20 m水平层的原电缆护管上,同时为了保护参比电极电缆不受破坏,在潮差带到-20 m处安装新电缆护管,参比电极电缆穿过新加护管连接到水面接线盒。

图5为番禺30-1平台导管架阴极保护系统安装完成后的总体示意图。安装完成后测试结果表明,所设计的阴极保护系统对导管架有很好的保护作用,效果良好。

图5 番禺30-1平台导管架阴极保护系统总体安装示意图

3.2 优化措施及效果

1)使用电缆护管穿4条海底电缆,节省了电缆管卡的使用,减少了大量的设备成本和安装成本。

2)在电缆收放作业中,采用单个滚筒卷4根电缆,且4根电缆同时收放的安装方式,避免了电缆在海底可能缠绕的风险。

3)对水下阳极进行编号1#～4#,在海上安装时1#、2#阳极块同时起吊下放,解决了电缆长度不足问题,同时使用支撑架进行隔绝,避免了阳极碰撞问题。

4)确定水下阳极安装准确坐标,并使用ROV提前对安装区域和电缆布置区域进行清理,确保电缆不挂上水下杂物。

3.3 主要风险及应对策略

1)邀请第三方检验发证机构DNV认证,全程跟踪设计、制造、安装过程。

2)针对水下模块进行了土壤承载力分析,结果表明水下模块安装位置承载力满足要求。

3)针对在电缆提拉作业中4根海底电缆同时穿护管可能被卡住的风险,提出了多套解决方案,并召开了多次专家审查会进行论证筛选,最终顺利地完成了电缆提拉的作业。

4 结束语

番禺30-1平台导管架阴极保护系统修复项目从前期研究、设计制造、海上安装到最后的调试运行均很顺利地完成,最后的测试结果也表明该气田平台导管架取得了很好的保护效果,说明本项目中采用的Retrobuoy远程阴极保护系统是导管架完整性管理的解决手段。随着超期服役导管架平台数量的增加,这一做法可以在部分阴极保护系统失效的平台推广使用。此外,番禺30-1平台导管架阴极保护系统修复方案设计与安装实践中所采取的多种风险分析和优化措施,可以为以后其他相关项目提供宝贵经验。

[1] 李天.外加电流阴极保护在工程上的应用实例[J].港口科技, 2007(8):29-32.

[2] 朱伟民.船舶腐蚀及其控制研讨[J].船舶物资与市场,2002(1): 33-44.

[3] 黄永昌.电化学保护技术及其应用[J].腐蚀与防护,2000,21(4): 191-194.

[4] 孙明先.舰船阴极保护技术的现状与发展[J].舰船科学技术, 2001(2):44-46.

[5] 挪威船级社.阴极保护系统的设计[S].2005.

The repair program design and installation of PY30-1 jacket cathodic protection system

Xu Qinghua Wu Zhiwei Wang Xiaodong Zhang Jun
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067)

After one year of operation,the insufficient protection issue was found in PY30-1 jacket cathodic protection system in the annual underwater inspection.So the repair program was researched for the platform jacket cathodic protection system,and finally the Retrobuoy remote cathodic protection system was adopted for the program. The program includes underwater skid cathodeblock design,pre-protection area calculation,protection current calculation,underwater anode-jacket distance calculation,anode-anode distance calculation,underwater cable size and length design and the cable abandon head design.The cathodic protection system was installed successfully in the gas platform jacket through a series of optimization and strategies for the risk,with good protective effect achieved.It can provide experience for other similar jacket.

PY30-1 jacket;cathodic protection system;repair program;design and installation

2013-11-21改回日期:2014-02-25

(编辑:叶秋敏)

许庆华,男,高级工程师,主要从事海洋石油采油及设施完整性方面的研究。地址:广东省深圳市南山区蛇口工业二路1号海洋石油大厦(邮编:518067)。