南海某导管架平台的阴极保护延寿修复技术方案探讨

2019-12-09尹鹏飞刘福国张国庆杜翠薇李向阳李金梅

腐蚀与防护 2019年11期

尹鹏飞，刘福国，张国庆，韩冰，张伟，杜翠薇，李向阳，李金梅，赵刚

（1.钢铁研究总院，北京100081；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；3.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，青岛266071；4.中山大学化学工程与技术学院，珠海519000；5.北京科技大学腐蚀与防护中心教育部腐蚀与防护重点实验室，北京100831；6.大庆油田工程有限公司，大庆163712）

置身于海洋环境的各类石油钻采平台投资巨大，其苛刻的服役环境要求钻采平台必须承受飓风、极地风暴、潮流、地震以及浮冰的冲击。随着服役海域越来越深，海洋平台的结构设计越来越大，越来越复杂，投资也越来越高。为了避免因腐蚀引起的平台坍塌损毁带来的巨大经济损失和海洋环境污染灾难，海洋平台的水下结构均采取了腐蚀控制措施。

相较于外加电流阴极保护（ICCP）法，牺牲阳极保护法具有牺牲阳极在陆地一次性安装，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，标准和规范完善等优点，可以很好地满足结构在复杂海洋环境中的腐蚀防护需求。目前，全世界范围内有各类海洋石油平台约6 000座，90%以上采取了牺牲阳极阴极保护［1-2］。

我国从上世纪80年代开始自主设计并建造了各类海洋石油平台，随着平台服役年限的增加，越来越多的海洋石油平台已经接近甚至超出了当初阴极保护设计的使用年限。由于已超出服役年限的石油平台的服役区域油气依然充足，而再造一座新的石油平台投资巨大，因此，采取必要的措施对在役平台的牺牲阳极阴极保护系统进行延寿修复就变得尤为重要［3-6］。

某服役于南海150 m水深的导管架平台，牺牲阳极设计寿命20 a，服役15 a后，水下检测发现，50 m以浅（水深小于50 m，下同）的牺牲阳极消耗较少，而50 m以深（水深大于50 m，下同）的牺牲阳极消耗严重，部分区域阳极剩余质量不足20%。该平台作业区域油气仍较充足，经评估，导管架到达服役年限后，仍需继续服役15 a。而检测结果显示该平台剩余牺牲阳极不能保护平台导管架延寿服役15 a。因此，须采取阴极保护延寿修复措施以保证其安全服役。

本工作通过深入分析该在役导管架平台的阴极保护现状，结合平台结构特征和国内外阴极保护延寿修复技术，从技术和经济两方面对比了牺牲阳极和外加电流延寿修复的可行性，以期为在役海洋工程设施的阴极保护系统延寿设计与施工提供参考。

1 导管架平台

1.1 平台基本情况

南海某导管架为四桩腿结构，服役水深150 m，共有12口油井，设计寿命20 a。导管架水下结构采用牺牲阳极阴保系统，服役初期、平均和末期的设计保护电流密度分别是130，70，90 mA／m2。该平台共设计牺牲阳极390支，单支阳极设计初期发生电流5.0 A，按照每个油井5 A保护电流计算，设计初期的保护电流为2 010 A。

1.2 平台的阴极保护现状

2 导管架平台的延寿修复方案

2.1 牺牲阳极延寿修复技术

按照阳极的结构和安装方式，牺牲阳极延寿修复主要分为单体焊接式、卡箍式和支架式三种［7-10］。

2.1.1 单体焊接式牺牲阳极

单支阳极水下焊接可实现平台不同深度和位置阳极的逐一更换或补装和精确修复欠保护区域。此外，采用水下湿法焊接，若方法得当，可实现与水上干法焊接相近的效果，无需通过电缆实现阳极与被保护钢结构的电连接，无需后期维护，可靠性高。

该导管架原设计的牺牲阳极总数基本满足原设计寿命预期，据此估算延寿15 a需加装牺牲阳极293支，其中50 m以浅区域加装105支，50 m以深区域加装188支。导管架在役加装牺牲阳极需要潜水员进行水下焊接，50 m以深区域必须要采取饱和潜水，或者借助工作级ROV才能完成，焊接设备复杂、昂贵，条件苛刻，施工周期长、费用高，并且需要施工船舶进行支持。初步测算，阳极和焊接材料费用约300万元，50 m以浅区域的阳极安装工期约为10 d，50 m以深区域的阳极安装工期约为40 d，动复原10 d，饱和潜水支持船和ROV费用约3 000万元，潜水施工费用约2 000万元，工程总造价超过5 300万。

2.1.2 卡箍式牺牲阳极

卡箍式牺牲阳极是指单支或多支阳极通过螺栓或浇铸方法制作成半圆形卡箍，两个卡箍组成一个手镯式阳极单元，将阳极单元卡到需保护的钢管上，通过电缆实现卡箍与被保护结构的电连接。

卡箍式结构是将牺牲阳极浇铸于半圆形的卡箍上，两个半圆形卡一组，构成一个卡箍式牺牲阳。借助吊环将两个半圆形卡箍吊放到安装位置，通过卡箍上预先安装的折页和（或）螺栓固定卡紧到钢管桩上［9］。在卡箍上预先安装导电电缆，将电缆沿桩腿固定并牵引到水面上，在上部实现电缆与钢管桩的电连接。

人还应该懂得自我开发、自我造就。往往自己内在的潜能自己不一定清楚，要靠自己勤奋地学习，扩展自己的知识和兴趣来开发。兴趣是很重要的，同时也是靠学习来加深和扩展的，只要你有兴趣，你就能钻进去，锲而不舍，以至于成功。

可以看出，尽管卡箍阳极无需水下焊接阳极支架，但是依然需要采取饱和潜水或者借助工作级ROV才能完成安装。同时，阳极电缆需要沿导管架桩腿铺设并牵引到水面上，施工费用较单体焊接式牺牲阳极的更高。

2.2 外加电流延寿修复技术

对于大型深水在役平台的延寿修复，国内外普遍采用外加电流阴极保护技术［6，11］。外加电流延寿修复系统主要包括辅助阳极和电源，电源置于平台上部模块，可实现对辅助阳极的电源供给。根据外加电流辅助阳极的结构和安装方式的不同，可将外加电流延寿修复系统分为拉伸式和远地式两种［12-17］。

2.2.1 拉伸式外加电流延寿修复系统

拉伸式外加电流延寿修复系统的拉伸辅助阳极由发生电流单元、电缆和承重钢缆组成。用电缆将多个辅助阳极发生电流单元串联在一起，实现电连接，随后将串联有阳极单元的电缆固定到一根主要起机械支撑作用的承重钢缆上，将钢缆的下端悬挂重载固定在导管架平台底部的海床上，上端固定到导管架水上支撑结构上，见图1。阳极电缆由水上引出，电连接到供电单元上，通过辅助阳极将保护电流施加到导管架平台水下结构上，实现对水下结构的腐蚀控制［7-8，17］，见图1。

图1 拉伸式外加地电流延寿修复系统示意图Fig.1 Schematic diagram of tensile external current extension life repair system

拉伸式延寿修复方式的优点如下：（1）水上可实现整套系统的安装。（2）从上到下，电流分布均匀。（3）可在导管架平台的内部、外侧等多个区域安装拉伸阳极。其缺点是：（1）安装在平台外侧的拉伸阳极，给其他辅助工程船舶的停靠与抛锚工作带来困难，易发生碰撞损坏。（2）拉伸式辅助阳极电缆从上到下穿于飞溅、潮差、全浸等多个区带，时刻受到紫外光照、海流冲击、浮冰甚至海水暴风等极端恶劣天气的影响，因此电缆易因老化、断裂而失效，电缆破断后可能会对导管架构成安全威胁。（3）安装时仍需要ROV辅助。

表1为导管架阴极保护电流密度设计值，表2为导管架的阴极保护面积设计值，根据保护面积和保护电流计算，导管架需要的保护电流如表3所示。

由表3可见：要维持导管架的阴极保护，至少需要1 090.3 A电流。取20%的设计裕量则保护电流需求约为1 363 A。单套拉伸阳极可以提供保护电流500 A，需要安装3套该系统，设备费约1 200万元。由于该导管架结构从上到下一共有6层水平结构，底部配重有混凝土重坨的拉伸阳极需要穿越6个水平层。由于倒挂架较高，内部空间狭小，因此，对重坨和拉伸阳极的安装精度要求非常高。受水流作用，重坨和电缆易因碰撞导管架结构而损坏，因此，需要工作级ROV辅助安装才能完成，安装周期长，费用高，预计安装费约为500万元。因此，采用拉伸式外加电流延寿修复系统的工程总造价约为1 700万元。

表1 导管架的阴极保护电流密度Tab.1 Current density of jacket protection

表2 导管架保护面积Tab.2 Jacket protection area

表3 导管架的保护电流Tab.3 Jacket protection current

2.2.2 远地式外加电流延寿修复技术

远地式辅助阳极系统是将辅助阳极放置在导管架外侧一定距离的海床上，通过电缆电连接到平台上部的电源模块实现对导管架水下结构的腐蚀控制［6，8，15-16，18-19］，见图2。由于辅助阳极远离导管架结构，因此，单座辅助阳极可以设计较大的电流输出，前文所述导管架平台的设计保护电流为1 363 A，安装两座单座发生电流700 A的辅助阳极单元即可满足要求。

图2 远地式外加电流延寿修复系统的示意图Fig.2 Schematic diagram of remote installation ICCP system

远地式外加电流延寿修复技术的优点是：（1）单套辅助阳极发生电流大，可达700 A。（2）辅助阳极固定于海底，最大程度规避了海流、浮冰、海上风暴等环境因素的破坏作用。（3）由于辅助阳极远离导管架和其他海底结构物，因此，辅助阳极的损坏不会对平台构成安全威胁。（4）辅助阳极电缆从上到下由护管防护，避免了光照、波浪、海流、废弃渔网等对电缆的破坏。其缺点是：（1）单座辅助阳极的发生电流大，且位置集中，对大型复杂导管架结构，容易导致保护程度不均匀。（2）电缆沿护管安装，需借助工作级ROV完成操作，安装费用高。

对于本文中需要延寿的导管架平台，安装2套700 A／套远地式外加电流系统即可满足保护电流需求，设备费约800万元。远地式外加电流延寿修复系统的阳极电缆在导管架上的固定安装受海况条件影响较大，安装周期长，费用高，预测安装费用约为700万元，因此，远地式式外加电流延寿修复系统的工程总造价约为1 500万元。

2.3 几种阴极保护延寿修复方案的对比

综上所述，几种阴极保护延寿修复方案各有优缺点，为了对比几种方法的优劣，以上文南海某平台为例，从技术上、经济上、施工可行性、预期效果以及环境影响等方面进行了对比分析，见表4。

由表4可见：平台50 m以深区域采用牺牲阳极进行阴极保护延寿修复的工程造价极高，施工十分困难，可行性较差。拉伸式和远地式外加电流延寿修复系统各有优缺点，是目前国际主流的两种延寿修复技术。远地式延寿修复系统电缆和辅助阳极的布置方式相对安全，工程造价最低，但其安装费用所占比例仍相对较高。为此，通过借鉴拉伸式延寿修复系统的安装优点，对远地式延寿修复系统的电缆安装方式进行了改进，设计了一种拉伸式电缆结构，将远地式阳极电缆采用拉伸的方式进行安装固定：即将悬挂有阳极电缆的承重钢缆上端固定在最低潮位线以下的导管架结构上，下端用混凝土配重砣将其牵引固定到海床上，实现对远地式辅助阳极的电力供给。

表4 几种阴极保护延寿修复方案的对比Tab.4 Comparison of cathodic protection retrofit schemes

这种拉伸式阳极电缆的安装方式具有如下优点：（1）阳极电缆在穿越潮差区时，采用护管保护，避免了紫外老化、漂浮物、海流冲击、风暴潮等恶劣天气对结构的破坏。（2）电缆上部悬挂点选择在最低潮位线以下，不影响其他辅助工程船舶的停靠。（3）相较于将阳极电缆固定到导管架桩腿上的安装方式，安装费用可大幅度降低，约为原来的1／2。