某海管阴极保护状况评估及牺牲阳极更换的优化

(1. 中海石油(中国)有限公司 惠州作业公司，深圳 518000； 2. 常州大学，常州 213164)

海底海管(简称海管)是海上油气资源开发的重要组成部分，往往铺设于海床上或在海泥中。为缓解外部海水和/或海泥的腐蚀，通常采用牺牲阳极阴极保护与外防腐蚀层的联合保护，牺牲阳极阴极保护系统的设计寿命一般为10～15 a[1-2]。本工作所述海管的外部采用熔结环氧粉末涂层和牺牲阳极阴极保护系统提供防护，牺牲阳极阴极保护系统与海管于1995年同期投产使用，设计寿命为10 a，于2005年到期后仍延期使用。海管到达设计寿命后，通过水下机器人(以下简称ROV)约每隔两年开展一次牺牲阳极消耗状况外观检查与阳极工作电位检测，截至2015年，已开展了5次ROV检测。2015年ROV检测结果认定：损坏的阳极块共有15块，阳极消耗达到C级(即剩余阳极质量为原始质量的50%～79%)的阳极块为17块，海管部分区域的工作电位只有约-0.8～-0.9 V(相对于Ag/AgCl参比电极，下同)，海管当前或未来存在阴极保护不达标而出现外部腐蚀的风险。为保证海管平稳、安全运行，有必要开展海管阴极保护状况评估工作，基于评估结果来优化牺牲阳极更换方案，及时更换失效的阳极块。

数值模拟技术辅助阴极保护效果评估与方案设计能够适应影响因素多、结构复杂的保护对象及其阴极保护系统，通过基础参数输入和数值计算获得保护对象的保护电位分布和牺牲阳极的输出电流，进而预测牺牲阳极的剩余寿命，以此评估阴极保护状况，通过调整参数即可实现阴极保护系统的优化[3-7]。阴极保护数值模拟技术已广泛应用于地下长输海管[2]、海上石油平台[3-5]、海上船只[6-9]及其他设施[10-11]。本工作针对南海某海管牺牲阳极阴极保护系统检测中发现的阳极消耗问题，基于历年ROV检测数据和数值模拟方法开展了整条海管的牺牲阳极阴极保护效果评估，根据评估结果优化设计了受损阳极块的更换方案。

1 阴极保护的初步设计及运行情况

1.1 阴极保护的初始设计

本工作中，海管全长4.847 km，采用双层管结构，海管外径为406.4 mm，所在海域地处亚热带，水深约110 m，海管周围温度为18～21 ℃。为预防外管发生海水/海泥腐蚀，外部采用涂层和牺牲阳极的联合保护方式，设计参考标准Nace Standard RP-06-75和Veritas Offshore Standard RP B401。防腐蚀层为0.711 mm厚的熔结环氧粉末，在整个服役期间，涂层的平均破损率为5%。牺牲阳极为镯式阳极，单支质量为25.9 kg，厚25.4 mm，长317.1 mm。海水电阻率为22 Ω·cm，裸钢在海水中达到阴极保护所需最低电流密度为172.2 mA/m2；海泥电阻率为110 Ω·cm，裸钢在海泥中达到阴极保护所需最低电流密度为26.9 mA/m2。初始阴极保护设计中在海管沿线、膨胀弯和立管上共布置了49支镯式铝阳极(海管沿线上布置41支阳极，安装间距为122 m，两侧膨胀弯各布置4支阳极)，设计寿命10 a，海管、膨胀弯和立管牺牲阳极分布见图1。

1.2 历年ROV检测数据

获取了该海管历年(2005年、2009年、2011年、2013年和2015年)ROV检测报告及录像，摘取与海管及其牺牲阳极阴极保护系统相关的数据进行统计。结果表明：海管的保护电位基本维持在-990 mV(相对于Ag/AgCl参比电极，以下电位均相对于此参比电极)或更负，部分区域电位略负于-800 mV，即达到了最低保护电位-800 mV的要求[12-13]。检测人员基于外观观察法给出了历年牺牲阳极的消耗量，结果见图2。由图2可见：随着使用年限的增长，部分牺牲阳极的消耗量出现负增长。为此，重新观看近几次ROV检测录像，对比各牺牲阳极的逐年变化情况，重新界定牺牲阳极的消耗状况分布，见图3。由图3可见：消耗达到D级或以下(剩余阳极质量低于原始质量的50%)的阳极块有22支，主要集中在3 km以后(3～4.837 km)，大多数阳极的最大消耗量达到100%。模拟过程中，假定3 km以后的全部牺牲阳极的消耗为100%，3 km以前(0～3 km)的全部牺牲阳极的消耗为50%。

基于当前牺牲阳极消耗状况，将这条海管分成2段(3 km前和3 km后)，根据牺牲阳极消耗量可推算1995至2015年间，前后两段海管所需平均电流密度分别为1.10 mA/m2和2.19 mA/m2。ISO 15589-2-2014标准和DNV RP F103-2016标准建议，未来10 a，该海管表面涂层的破损约增加50%，而在阳极块更换设计中考虑未来10 a海管的涂层破损率增加约50%，将两段海管所需平均电流密度设置为1.65 mA/m2和3.29 mA/m2。表1总结了这2段海管的阴极保护情况。

图1 海管牺牲阳极分布图(初步设计)Fig. 1 Distribution of sacrificial anodes on submarine pipeline (original designed)

图2 牺牲阳极的消耗量分布图(外观观察法)Fig. 2 Consumption distribution of sacrificial anodes based on appearance observation method

图3 校核后的牺牲阳极消耗量分布图Fig. 3 Consumption of sacrificial anode after calibration

表1 2段海管的阴极保护情况Tab. 1 Cathodic protection condition of two sections of the sea pipe

2 阴极保护的数值模拟

2.1 数值模拟的基本原理

当海管牺牲阳极阴极保护系统达到稳定状态时，由于所处区域海水和/或海泥介质均匀，根据电荷守恒定律，海水中的电位分布满足Laplace方程[2-11]：

2φ=0

(1)

海管及其阴极保护系统区域被表面所包围，则

Γ=ΓA+ΓC+ΓI

(2)

式中：Γ为绝缘表面，采用恒定电流密度作为边界条件，绝缘表面上无电流的流入与流出，电流密度为零。ΓA和ΓC分别为阴极保护系统中牺牲阳极和被保护金属结构的外表面，边界条件常根据极化函数确定，该函数表示了极化电流密度i与极化电位E之间的关系，可通过测量极化曲线确定，即：

i=f(E)

(3)

当边界条件或求解的区域复杂时，无法得到Laplace方程的解析解，只能采取数值计算方法获得数值解。在过去数十年中，计算机的快速发展为复杂问题的数值计算提供了良好的平台，涌现出了有限差分法、有限元法和边界元法等数值计算方法。其中，边界元法的离散和计算都只在边界上，减少了未知数，计算得到边界上的电位和电流密度是阴极保护的关键参数，因而在阴极保护系统中的应用最为广泛[3-5,8-9]。本工作所用BEASY CP软件即采用了边界元的计算方法，在海洋阴极保护中有着广泛应用[3-5,8-9]。阴极保护数值模拟得到的牺牲阳极输出电流可用于预测牺牲阳极的剩余寿命，所得海管表面电位分布能够评估阴极保护的状况。当牺牲阳极寿命较短或者电位处于欠保护状况时，为降低海洋腐蚀风险，增加牺牲阳极是必要的。数值模拟技术可以模拟新增牺牲阳极后的阴极保护效果，从而可通过调整阳极的数量和位置，实现阴保系统的优化[3-4]。

2.2 数值模拟模型的建立

根据设计和施工图纸中海管外径及牺牲阳极初始尺寸，根据ROV的检测结果获得了牺牲阳极的消耗量，基于此构建了海管及其阴极保护系统的几何模型。根据初步设计与ROV检测结果，将表1中海管所需平均电流密度作为海管的边界条件。根据ROV测试获得的牺牲阳极工作电位平均值-1 020 mV作为牺牲阳极的边界条件。海管所在海域的海水电导率为4.55 S/m，海泥电导率为0.91 S/m，数值模拟中采用了该电导率。

3 数值模拟结果与讨论

3.1 阴极保护状况的数值模拟

基于2015年ROV检测结果，同时考虑到前后2段(1～3 km和3～4.837 km)海管的电流密度需求区别，在现有牺牲阳极消耗状态下，考虑海管全部入泥或全部处于海水中时沿线的保护电位计算结果见图4。由图4可见：当前状态或者未来10 a，无论海管处于海水中还是海泥中，海管的阴保保护电位均负于-800 mV，能够得到良好的保护。

(a) 当前状态

(b) 未来10 a图4 海管沿线的阴保电位分布情况Fig. 4 Distribution of cathodic protection potentials along the sea pipe： (a) current state； (b) next 10 a

考虑未来海管涂层的老化即涂层破损率增加50%，海管全部入泥或全部处于海水中时牺牲阳极剩余寿命预测结果见图5。由图5可见：剩余牺牲阳极在海水和海泥中的剩余寿命分别小于10 a和5.5 a，海管末端的牺牲阳极剩余寿命更低，分别约为8 a和3.5 a，说明部分牺牲阳极会提前失效，未来海管的保护效果会变差，这与ROV检测结果显示每隔约4 a即有牺牲阳极消耗尽相呼应。

3.2 阳极优化的数值模拟

在进行海洋工程牺牲阳极的改造或更换设计时，根据保护对象或保护范围不同，同时兼顾施工的简易性、经济性等因素，牺牲阳极常被设计成不同的形式，往往采用机械方式连接到被保护结构上。常用的牺牲阳极有块状阳极、镯式阳极和豆荚式阳极等，通过对比其生产制造难易程度、在目标海管相似条件下的保护效果、更换安装难易程度等，初步选定采用块状阳极或豆荚式阳极，建立的几何模型如图6所示。

(a) 块状阳极

(b) 豆荚式阳极图6 块状阳极和豆荚式阳极的三维模型示意图Fig. 6 Schematic diagram of 3D model of block anode (a) and pod anode (b)

对前述海管的牺牲阳极消耗状况及变化历程进行分析，获得未来10 a该海管前后2段的电流密度需求分别为1.65 mA/m2和3.29 mA/m2。基于各段海管(包含膨胀弯和立管)的长度和直径计算保护面积，从而获得2段海管的总平均保护电流需求量分别为6.60 A和8.56 A。根据10 a的设计寿命、牺牲阳极消耗率为3.8 kg/(A·a)，利用系数0.9计算得到海管所需阳极质量为640 kg，目前剩余阳极质量为235 kg(2支B级阳极，26支C级阳极)，故需要补充405 kg阳极。分别采用块状阳极和豆荚式阳极设计了三种更换方案，见表2。

将三种方案下的新增牺牲阳极三维模型加入到当前海管及剩余牺牲阳极的模型中，对其阴极保护效果开展模拟分析，预测三种方案下新加阳极和原有阳极联合保护的海管的保护电位分布及原有牺牲阳极剩余寿命如图7所示。由图7可见：采用方案2和方案3时，海管的阴保电位水平要好于采用方案1时的；且新增阳极块后，原有剩余牺牲阳极的寿命得到延长，其中方案2的效果最佳。

表2 牺牲阳极的初步更换方案Tab. 2 Initial replacement plan for sacrificial anode

(a) 海管保护电位分布

(b) 现有阳极使用寿命图7 采用不同阳极优化方案后，海管沿线阴保电位及原有阳极剩余寿命的预测结果Fig. 7 Prediction results of the cathodic protection potential along the sea pipe (a) and the remaining life of the original anode (b) after using different anode optimization schemes

尽管加入新阳极块后，海管能够得到有效保护，但原有剩余阳极在苛刻条件下的寿命仍不足10 a，为此，预测原有剩余阳极耗尽且新加阳极消耗到标准要求的90%(即牺牲阳极剩余10%)时的保护效果，见图8。由图8可见：在此情况下，方案1不能提供足够保护，不推荐使用；方案2能够提供较为均匀的保护且保护水平高于方案3的，推荐使用该方案。方案2采用梯形阳极，尺寸为900 mm×(170+150) mm×160 mm，阳极内设置直径为50 mm的钢管铁芯，与阳极底座焊接以固定阳极；阳极底座采用尺寸为50 mm×50 mm×5mm的角钢和100 mm×48 mm×5.3 mm的槽钢焊接而成，坐落于地床上；连接海管的机械夹具采用电缆焊接至阳极处，采用钢索固定到底座上以防止电缆断裂。方案2的安装照片见图9，安装后分别于2017年和2019年开展了ROV检测，结果表明，海管的阴保电位与模拟结果接近，整体均负于-988 mV。

图8 只有新加阳极且消耗到90%时，海管阴保电位的预测结果Fig. 8 Predicted results of cathodic protection potential along the sea pipe when the anode was newly added and its consumption reached 90%

图9 新加牺牲阳极安装图Fig. 9 Installation photo of newly added sacrificial anode

4 结论

以在役某海管及其牺牲阳极阴极保护系统为研究对象，评估了其阴极保护状况，进行了牺牲阳极更换优化方案的数值模拟研究，获得以下主要结论：

(1) 通过对阴极保护系统初始设计、过往测试数据以及水下机器人(ROV)检测数据的分析，利用数值模拟计算方法评估现有的阴极保护水平可知，当前海管的阴保电位仍然达标(负于-800 mV)，但牺牲阳极整体寿命不足10 a，且部分尚未完全消耗的阳极在苛刻条件下的寿命约为4 a，这与ROV检测结果基本一致。

(2) 通过数值模拟，分别从阴保电位水平、牺牲阳极剩余寿命及末期海管阴保水平三方面优选了牺牲阳极更换方案，确定采用方案2为最优方案。

(3) 方案2所用阳极在2016年、2017年和2019年逐批安装，2017年和2019年的ROV检测结果表明，阴极保护效果良好，阴保电位负于-988 mV，与模拟结果一致。