海洋石油162平台桩腿外加电流阴极保护系统探析

郑天为，韩 宇，单学永

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452)

0 引言

海洋石油162平台桩腿的电化学保护采用了外加电流阴极保护系统。本文从海洋石油162平台桩腿的腐蚀基理，桩腿外加电流阴极保护系统的保护原理、系统组成、运行与维护等方面进行了分析，并对外加电流阴极保护系统电极电压检查方法、故障判断，恒电位仪电压和电流的读数每日记录给出具体要求，指导平台维修人员进行系统维修、维护，减少桩腿腐蚀。

1 腐蚀基理

海水对金属平台桩腿具有腐蚀作用。这种腐蚀过程是由在平台桩腿金属表面上形成的众多原电池而引起的电化反应现象。通过海水，腐蚀电流从金属的活性部分(相当于阳极)流向金属的惰性部分(相当于阴极)。这样活性部分被腐蚀而惰性部分被保护，久之平台桩腿变得凹凸不平。

原电池不仅在不同金属间形成，而且也在同种金属的不同部分形成。在这样的情况下，相对漆层保护好的部分来说，漆层保护不好的部分相当于阳极而被腐蚀。以1 A 电流对10 kg钢1 a 内造成的腐蚀为例，在正常环境下，腐蚀电流密度的变化范围是10～15 mA/m2。在特殊情况下，电流密度可高达80～100 mA/m2。

腐蚀密度取决于下列因素：阴极与阳极区域间的电势差；阴极与阳极区域的表面积；漆层状态；海水温度；海水盐度；海水的氧含量；船行驶速度；对于建造中的船，焊接设备输出的电流。

2 阴极保护原理

阴极保护法采用各类电极对要保护的平台桩腿表面进行阴极极化，用电极输出的电流抵消腐蚀电流。监测浸在海水里的平台桩腿状态的唯一方法是用参比电极测量船体电压。参比电极一般由纯锌做成，用于平台桩腿的阴极保护，其保护电位不大于400 mV。如果船体电压在220～250 mV，船体就处于被保护状态；如果船体电位低于-50 mV，那么船体就处于超保护状态，这将引发漆层问题。因此，既不要让船体处于低保护状态下，也不要让船体处于超保护状态下。

2.1 牺牲阳极法

这种方法采用活性大于平台桩腿金属活性的材料做成电极(一般为锌)。这些电极直接固接在平台桩腿表面，在保护平台桩腿的过程中逐渐被消耗，所以它们被称为消耗式电极。这些电极输出的保护电流正比于它们被消耗的速度。为了保护海水内的钢质平台桩腿，一般采用锌阳极。由于在锌极和平台桩腿间的电压只有0.5 V，最大输出电流取决于锌极尺寸的大小。一定数量的锌极被固放在靠近船尾的壳体表面上。

2.2 外加电流法ICCP

通过锌(银/氯化银)参比电极对船舶电位的不断测量来调整永久式钛电极输出的补偿电流。钛电极是按一定策略布置在船体上并提供整船保护，参比电极则布置在船的左右舷。这种方法的保护原理如下：按一定的策略在船的左右舷某些位置上安装永久式钛电极和参考电极(或称为传感器)，并把钛电极和参比电极都连接到同一个控制箱上，让参比电极连续监测船体电位。船体电位有一个正常值，对于钢质船体，这个正常值为220 mV，一旦船体电位超出正常值，就将发生对船体的腐蚀。因为参比电极是连续监测船体电位，一旦电位有升高的趋势，它将信息反馈给恒电位仪，恒电位仪将向钛电极输出一定量的补偿电流。这样船体电位将始终保持在正常值范围内，腐蚀就不会发生。

3 桩腿外加电流阴极保护系统组成

3.1 ICCP主要部件

海洋石油162平台桩腿外加电流阴极保护系统(简称ICCP)基本组成如下：

1台恒电位仪，2套悬挂式的4只50 A 钛电极，1套悬挂式的参比电极。

3.2 恒电位仪

恒电位仪主要部件包括：变压器，整流模块，电抗器，分流器，PCB控制板和触发板等。

恒电位仪主要功能是：①把船用交流电转换为所需的直流电，通过辅助阳极、海水、平台桩腿形成电流回路，从而把直流电荷加到平台桩腿上，达到阴极保护的效果，避免桩腿发生腐蚀。

②通过参比电极测量桩腿的参比电位，与恒电位仪预置的保护电位进行比较，自动调整电流输出，从而使桩腿的参比电位达到预置的保护电位范围。对于钢质材料保护电位设置在180～220 mV。

3.3 辅助阳极

电极由1组MMO钛基电极组成。防爆接线盒内被设计成密封结构，用于接辅助阳极电缆，该电缆一端连接到恒电位仪的正极。辅助阳极的功能是输出调整电流以维持桩腿的恒定保护电位。MMO钛阳极是电催化活性金属氧化材料，因此在通电使用过程中不会被消耗，电极可持续使用20 a 甚至更长的时间。

3.4 参比电极

参比电极核心材料为高纯锌，它特别适合于测量海水环境下的金属参比电位，并同辅助阳极一样也被密封在设计成凹型的防水罩上的HDPE 底座里。参比电极的功能是监测桩腿的保护电位。

4 桩腿外加电流阴极保护系统的运行与维护

用高阻抗万用表对设备进行初检。这些检查应包括参比电极表面有无污损、辅助阳极和参比电极电缆有无损坏、各外接电缆连接是否正确。

4.1 电极电压检查

①检查电极电压：辅助阳极是正端(+)，平台桩腿为负端(-)。没通电的辅助阳极相对桩腿的直流电压应为1～2.0 V。如果该电压值为0，说明线路上有开路或短路；如果该电压值为0.2～0.5 V，则说明电缆线浸在海水里了。

②检查参比电极：参比电极是参比端(-)，桩腿是正端(+)。未保护的平台桩腿电压应超过300 mV (相对锌参比电极)；经保护的平台桩腿电压应低于300 mV(相对锌参比电极)。

4.2 运行维护

为了维持对平台桩腿的良好保护，恒电位仪应始终开机。如果设备长时间关机，重新开机后，则需经过一定时间达到最佳保护装态。对设备定期进行预防性检查，可延长设备寿命，降低为更换部件而关机的可能性。

ICCP设备通常是全自动运行的。系统保护电位设定值为180～220 mV。在开始如果平台桩腿处于良好状态(如新喷过漆)，平台桩腿电位很可能低于220 mV，这样恒电位仪输出电流将很小甚至不向辅助阳极输出电流。随着漆层被消耗，平台桩腿电位将逐渐上升至220 mV 以上，恒电位仪也将自动向电极输出电流以避免发生腐蚀。

恒电位仪电压和电流的读数每日记录在平台设备的运行记录上。

保护电位每周至少测试4个不同部位的数值，每个部位至少测量3个数值，取平均值，填入平台设备的运行记录上。

4.3 日常检查

为确保ICCP设备正常，它的性能指标要经常监测，任何问题都必须及时被发现和解决。当使用、检查ICCP设备时，应当记住下列信息：

①如果电极电流增加，则平台桩腿电位在变化。

②最佳保护电位的范围是0.05～0.25 V(对于锌参比电极)。

③把电位增加到正常保护电位以上，对防腐保护并无益处，只能增加电耗并对漆层有害。

④如果平台桩腿电位升到保护值以上(对照Zn从180～250 mV)，恒电位仪会自动增加输出电流，以降低平台桩腿电位。采用这种连续调节的方式维持恒定平台桩腿电位。

⑤在正常运行条件下，平台桩腿电位会随着海水盐度、航速等轻微变化，这些变化是正常的，并不是设备有故障。

⑥电流、电压输出值会随着时间增长，增速度取决于漆层剥落和损坏的程度。

5 结语

预防性的维修可延长设备寿命，减少因更换报废元器件而关机的可能。每天点检时应视觉直观检查外加电流阴极保护系统电单元线路连接情况；检查电源连接，尤其要检查各接地点的连接情况，看这些点是否有脱线或腐蚀；参比电极通常不需任何保养，检查连接电缆状态即可；电极每6个月要检查一次。在平台上打开电极防水罩盖(要确保防水罩内无水)，防水罩内的情况要予以记录以备参考；检查固定在恒电位仪与电极间的接线盒、电缆情况，确保电极可靠连在控制箱上。平台桩腿外加电流阴极保护系统的稳定运行，为平台安全生产提供了保障。