深海水下采油树阴极保护的设计与研究*

刘兴铎，周小峰，孙传轩，严金林，李中华，杨 超

（1.国家油气钻井装备技术研究中心，陕西 宝鸡721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）

海洋环境中溶解氧含量、温度、pH值等是影响水下采油树腐蚀的重要因素［1］。阴极保护是海洋设施最主要的防腐蚀手段，对于浅海的阴极保护，主要依靠较大的初始电流密度获得致密的钙镁沉积层。随着钙镁沉积层积累量的不断增多，溶解氧的含量将会减少，从而导致维持阴极极化的电流密度降低。然而深海环境不能形成大量钙镁沉积层［2］，所以，浅海环境的阴极保护设计方法不适用于深海环境。针对深海环境，有必要对水下采油树的保护措施进一步进行研究。

1 影响深海海水腐蚀的主要因素

1.1 溶解氧含量

海水表层含有较高的溶解氧，主要是绿色植物光合作用的结果。当海水深度不断增加时，绿色植物的数量将随之减少，光合作用也将减弱［3］。当海水达到一定深度时，溶解氧含量受到其他海域的对流作用，将会呈现增加的趋势，此时的金属材料将容易发生腐蚀［4］。

1.2 压 力

Beccaria A M等［5-6］模拟分析了静压力对铝及其合金的影响。研究发现：在海水中，当受到较高的海水压力时，氯离子含量增加将使得水溶性氯化物的浓度增大，不锈钢钝化膜将会更容易损坏，因此，普通不锈钢的耐腐蚀性能并不理想。

1.3 海水流速

金属腐蚀受海水流速的影响。当海水流速增大时，金属表面的扩散层厚度将会随之增加，金属表面的去极化作用将会增强［7］。

1.4 pH值

铝镁合金的腐蚀容易受到海水pH值的影响。当pH值在7.2以下时，腐蚀将加重［8］。

2 解决深海水下采油树腐蚀的方案

深海水下采油树的工作环境是海水全浸区，属于ISO 12944—2标准中的Im2类。目前，阴极保护法和涂层保护是深海水下采油树较为节省成本的方法。在深海环境中外加电源的阴极保护技术存在很多无法解决的问题，因此采用牺牲阳极的阴极保护技术和防腐涂层相结合仍然是解决深海采油树腐蚀问题的首选措施。深海水下采油树包含较多的模块、零件，不便于安装很多的牺牲阳极块［9］。一旦深海水下采油树安装到位，是很难进行防腐蚀维护。

2.1 阴极保护的设计要素

2.1.1 保护电流密度

保护电流密度是指单位面积的阴极保护电流［10］。阴极保护时，最小保护电流密度是指当金属的自溶解速率降低为零时，所需要的外加电流密度，与最小保护电位相对应的［11］。保护电流密度被用于计算初期、后期的电流密度，其主要是被用于计算达到充足极化能力需要的特定类型阳极的数量及尺寸。

水深大于300 m的阴极保护电流密度数据见表1［12］。

表1 阴极保护电流密度要求

2.1.2 保护电位

相对于 Ag／AgCl／海水参比电极，-0.80 V通常被视作为碳钢和低合金钢的设计保护电位EOC（V）。保护电位是设计和监控阴极保护是否完全发挥作用的重要指标，是阴极保护的最基本参数［13］。

保护电位的数值与金属的种类、介质的状况（成分、浓度、温度等）有关，保护电位是根据经验数据或通过试验确定的。实际上，大多数腐蚀发生在中性水介质中，保护电位是一个范围。

2.1.3 电连续性

当深海水下采油树发生腐蚀时，采油树的连接电阻将会进一步变大，这不仅影响阳极的输出电流，而且影响水下采油树的阴极保护效果。所以在设计过程中，必须考虑电连续性［14］。

深海水下采油树包含许多独立的模块，保护这些模块的牺牲阳极一般都安装在支撑框架上，其中的黄色柱块为牺牲阳极块（见图1）。

图1 采油树牺牲阳极块的布局

除了上述的影响因素外，还必须考虑以下问题：

（1）金属的结构形式

不同的金属结构形式会相互干扰、屏蔽，造成电位分布不均衡，影响阴极保护的效果［15］。

（2）环境条件

在深海环境中，阴极保护系统受到溶解氧、温度、压力、盐度、海水流速和pH值等多种环境因素的影响。目前，在这方面的理论研究已经很多，但是在工程实际中，更多的是依靠相关的标准、经验值来设计阴极保护系统。

（3）阳极的种类

阳极的种类决定着阳极在介质中输出电流的大小。在阴极保护系统中，为了获得较大的阴极电流，经常采用电位较低的阳极材料［15］。

2.2 阴极保护系统监测与检测

当需要评价阳极的效果时，主要测量保护电位和测量阳极电压。检测的方法是借助探头和数据采集器等设备，测量被保护钢结构（阴极）的电位，分析判断此钢结构是否达到保护电位，以便工作人员评价阴极保护的效果并调整相应的防护参数［16］。

2.3 保护涂层

通过防腐涂层的隔离作用，将周围的水、硫酸盐、氯化物等腐蚀性介质阻挡在外，达到防腐蚀的目的［17］。

在深海环境下，由于压力很高，一般使用环氧沥青、喷塑等涂层用于深海设备［18］。

涂在耐蚀合金加工面的涂层特别容易发生于阴极剥离。通过表面处理达到一个最佳表面粗糙度，当用于耐蚀合金以及碳钢和低合金钢时，某些涂层体系（例如环氧基或聚氨酯基）有良好的抗阴极剥离性能。

根据相关标准，涂层保护效果取决于被保护设备表面情况。因此，表面质量对涂层的保护效果显得非常重要。

选择深海设备的材料时，需要注意以下几点：

（1）根据相关标准，大多数深海设备都有阴极保护，要考虑阴极保护与涂层的兼容性问题。

（2）需要注意基体材料对涂层的附着问题和涂层的时效性等问题。

（3）在管线接头、紧固件等连接位置，需要考虑使用特殊涂层［19］。

3 采油树阴极保护数值模拟

计算机数值模拟技术也越来越多地应用于阴极保护设计中。阴极保护数值模拟是通过对包含对象建立电场数值模型，描述实际问题的固有特点。通过电流源参数和极化参数计算整体结构的电场方程，得到金属结构每个表面的电位分布，调整设定的参数控制问题的解，最后求解得到被保护结构表面上的电位分布，利用BEASY CP软件分析水下采油树的保护电位情况。

3.1 控制方程

在腐蚀区域内，假设任意一点的ΔV＝Δx·Δy·Δz≠0的微元体，其边长分别为 Δx，Δy，Δz，如图2所示。

根据能量守恒原则，即流入与流出微元体的电流相等，可知：

定义深海海水电阻率为ρ，x，y，z方向上的电场强度分别为则上式可转化为：

上式即为电位分布模型控制方程，即拉普拉斯Laplace方程。

图2 阴极保护系统物理模型

3.2 边界条件

常见阴极保护体系的边界条件如下：

（1）被保护结构表面（定义为S1），

（2）阳极表面（定义为 S2），

（3）绝缘边界处（定义为S3）电位为常数，而电流密度等于零。

综上，本平台阴极保护系统的数学模型为：

（4）求解过程

求解的过程就是解基本解为Φ*，根据数学物理方程得出其基本解系方程为：

▽2Φ*（P，Q）+δ（P-Q）＝0

求解转化为矩阵形式是：

［H］｛Φ｝＝［G］｛q｝

整理后为：

［A］｛X｝＝｛F｝

式中：A为N的系数矩阵，X为具有N个未知Φ或q的一维数组，F是已知边界条件及其对应H和G系数相乘而得的一维数组。由上述方程组可求出所有未知量。

4 采油树阴极保护的设计

公司设计的水下采油树，设计水深大于300 m，设计寿命t为20年，深海水下采油树的表面积小于200 m2。

当深海水下采油树处于热带海域时，电流密度值见表2。

涂层击穿系数公式为：fc＝a+bt

式中：t为涂层寿命，a，b为常数。计算得到，初期涂层击穿系数fci为0.05，平均涂层击穿系数fcm为 0.20，后期涂层击穿系数 fcf为 0.35。

根据电流需求计算公式：

Ic＝Acicfc

根据计算，初期阴极保护电流Ici为3.00 A，平均电流Icm为6.00 A，后期阴极保护电流Icf为15.16 A。

根据阳极质量的计算公式：

Ma＝Icmtf×8 760／uε

表2 电流密度的要求

式中：Ma为阳极质量，kg；Icm为保护电流，A；tf为设计寿命，年；8 760为年小时数；u为阳极利用率，%；ε为阳极发电容量，A·h／kg。

计算得到阳极的质量Ma＝583.59 kg。

进一步计算，可以获得阳极数量N，合理地分布阳极，并且验证阳极电容量、阳极电流输出值和阳极的电阻值。

根据上述计算结果，借助数值模拟的方法，进行数值模拟计算，得到的计算结果见图3至图6。

图3 涂层初期的计算结果

图4 涂层平均的计算结果

图5 涂层后期的计算结果

从数值模拟结果来看，设计的深海水下采油树各部件均处于有效保护状态。由于水下采油树的保护电位比较低，会影响水下采油树构件的应力腐蚀敏感性，所以，可以进一步采取措施优化水下采油树的阴极保护方案。

图6 涂层损坏时的计算结果

5 结 论

（1）多种因素影响深海水下采油树的防腐蚀效果。因此，针对某深海海域，判断出主导因素，为深海水下采油树选择合适的材质，具有指导意义。

（2）对于深海水下采油树而言，阴极保护技术是一项有效的防腐蚀技术，可以抵御深海环境的腐蚀破坏。根据相关标准，在设计寿命周期内，要求深海水下采油树的不同材质部件都处于有效的阴极保护电位范围。

（3）数值模拟技术可以预测深海水下采油树的阴极保护效果。深入研究深海环境下阴极保护系统的相关边界条件，可以提高数值模拟技术的准确性。

（4）安装牺牲阳极块，检测其保护性能是一项复杂的工程，不仅要保证牺牲阳极块满足焊接质量与相关规范标准要求，还需要满足电连续性要求。