深水FPSO水下系泊系统防腐蚀设计

徐田甜，高德欢，张美荣

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油安全技术服务有限公司，天津 300452；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

浮式生产储卸油装置（FPSO）是深水油田开发的重要工程设施。FPSO系泊系统主要包括甲板机械、导链装置、锚链、锚缆、海底定位锚和监测设施等，是事关FPSO安全的关键系统之一［1］。海洋环境中的各种腐蚀因素都会不同程度地引起FPSO系泊系统的腐蚀，其中锚链、锚缆的腐蚀速率较快，已诱发了多次深水FPSO服役早期的系泊线断裂事故［2］。西非、巴西、中国南海等热带海域FPSO实测到的飞溅区锚链最大腐蚀速率超过了美国石油学会API-RP-2SK规范的推荐设计值；锚缆发生了钢丝松股、钢丝腐蚀后直径减小或断丝；水下掣链器因防腐蚀设计缺陷造成转轴部件局部严重坑蚀、点蚀；故锚链、锚缆、掣链器的耐腐蚀、抗疲劳性能越来越受到重视［3-5］。水下系泊系统与FPSO船体、海底定位锚的防腐蚀设计界面成为重要的技术界面［6-8］。

本文以一艘西非深水FPSO水下系泊系统为例，介绍其所属石油公司的企业标准——《FPSO系泊设计总则》（简称企标Ⅰ）、《FPSO船体结构设计总则》（简称企标Ⅱ）、《水下装置防腐蚀设计总则》（简称企标Ⅲ）、《海上浮式装置防腐蚀涂层设计总则》（简称企标Ⅳ）、《海上浮式装置阴极保护设计总则》（简称企标Ⅴ）和水下系泊系统防腐蚀设计的要点和成果，从深水海洋环境、结构选材、防腐涂层和阴极保护等方面对水下系泊系统防腐蚀进行总结。

1 FPSO系泊系统概况

深水油田位于西非几内亚湾，开发采用“多点系泊FPSO+水下生产系统”工程模式。FPSO船体总长×型宽×型深为330 m×61 m×33.5 m，入法国船级社（BV）级［9-11］。按照企标Ⅰ要求，FPSO系泊设计满足国际标准化组织的ISO19901-7、美国石油学会的API-RP-2SK和法国船级社的BV-NR216、NR493等规范的要求［1213］。FPSO系泊设计要求服役25年不解脱，并考虑服役之前3年建设施工期间的腐蚀冗余［10］。

FPSO定位采用4组共16根系泊线，总体布置如图1所示。每根系泊线由上部锚链、中部锚缆、海底锚链（包括锚头链）及连接器（Link）组成（见图2）。上部锚链由FPSO舷侧的水下掣链器锁紧控制，如图3所示［10］。16个海底锚链出泥点为理论锚固点（图1中的P1～P8、S1～S8），理论锚固点与FPSO水下掣链器之间的水平距离均为2 100 m；海底锚链的连接、安装需要水下机器人（ROV）作业，如图4所示。水下系泊系统主要设计参数如表1所示。

表1 水下系泊系统主要设计参数Tab.1 Main design parameters for underwater mooring system

图1 FPSO系泊总体布置示意图Fig.1 General arrangement of FPSO spread mooring

图2 上部锚链、中部锚缆、海底锚链及连接器Fig.2 Top chain，mooring wire，bottom chain，and link

图3 FPSO船首左舷水下掣链器布置Fig.3 Arrangement of FPSO bow port side fairlead chain stopper

图4 海底吸力锚和锚链Fig.4 Suction pile and bottom chain

2 FPSO系泊系统基本耐腐蚀性能

通常FPSO船体和水下系泊系统综合采用耐腐蚀材料、腐蚀余量、防腐涂层和牺牲阳极阴极保护等方法，以满足基本耐腐蚀性能要求。锚链在热带海域和飞溅区要求的腐蚀余量明显高于其他部位。西非海域对上部锚链造成的坑蚀是由微生物导致的，和温暖的气候及富氮海水有关，硫酸盐还原菌是造成微生物腐蚀和坑蚀的主要原因，如图5所示［2］；锚链表面出现局部腐蚀受到钢材中的Mn、S等夹杂质的影响。深水的水温和系泊线运动对海底锚链的磨损、腐蚀有显著影响［4］。按照企标Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ要求，FPSO船体和水下系泊系统各部件设计了腐蚀余量和防腐涂层，如表2所示，其中系泊线各部件的腐蚀余量按28年寿命计算取值［9-11］；锚链、锚缆设计保证在扣除腐蚀余量后，最小破断拉力的安全系数仍能满足规范要求［10］。

图5 西非几内亚湾FPSO上部锚链腐蚀（服役5年后）Fig.5 Corrosion of FPSO top chain in Gulf of Guinea，West Africa（after 5 years of service）

表2 FPSO船体和水下系泊系统设计腐蚀余量和防腐涂层Tab.2 Corrosion allowance and anti-corrosion paint for FPSO hull and underwater mooring system

企标V对系泊线部件的化学成分要求如表3所示。Cr和Mo元素可使不锈钢表面在海水中形成钝化膜；在海底锚链材料中加入Cu可提高材料的抗菌性能，起到抑制海底微生物腐蚀的作用；增大锚链连接器、锚缆端节头材料中Ni的含量可提高材料的力学性能、延展性和耐腐蚀性［14］。

表3 系泊线部件化学成分要求Tab.3 Chemical composition requirement for mooring line elements

FPSO水下系泊系统及掣链器船体基座处钢材具有氢脆敏感性，采用低驱动电位铝-锌-铟合金牺牲阳极保护，其工作电位为-800～-850 m V，可使水下系泊系统及掣链器船体基座处既得到有效保护，又不致增加其氢脆敏感性。在水深大于500 m的高压强环境中，吸力锚和锚缆端节头表面难以形成钙沉积层，阳极须提供足够的电流以保证吸力锚和锚缆端节头充分极化［15］。

企标V要求的FPSO船体外部、掣链器、锚缆端节头、海底吸力锚等处安装的阳极化学成分要求如表4所示。阳极中的锌含量小于3%时电流效率较高，锌含量为4%～5%时电流效率下降，故锌含量不宜大于5%；铟含量小于0.03%时电流效率增高，大于0.03%时电流效率下降［16-17］。企标V要求20℃温度时，该型阳极的电化学容量不小于2 433 A·h/kg。

表4 牺牲阳极化学成分要求Tab.4 Chemical composition requirement for sacrificial anode

3 水下系泊系统阴极保护设计基础

保护电位和保护电流密度是FPSO水下系泊系统阴极保护设计的2个重要参数。牺牲阳极方法须在FPSO掣链器船体基座、掣链器、锚缆端节头、海底吸力锚等处安装足量的阳极来保证保护电位和保护电流密度，而阳极输出电流的自我调节能力有限，因此需要较为精确的设计。

水深超过500 m的深水腐蚀环境特征与表层海水显著不同。深水环境的压强、温度、盐度、溶解氧浓度、p H值、流速、微生物等因素对金属材料的腐蚀均有影响，其中对腐蚀影响最大的是溶解氧浓度，其次是温度和流速［8］。阴极保护设计主要环境参数如表5所示。

表5 阴极保护设计主要环境参数Tab.5 Main environmental parameters for cathodic protection design

3.1 企业标准要求

3.1.1 阴极保护电位

碳钢结构在海水环境中采用阴极保护被极化至-800 m V（相对于Ag/AgCl海水参比电极）时，腐蚀速率可被抑制到可接受的低水平。企标V要求：阴极保护系统将飞溅区及以下系泊设施极化后，阴极保护电位E0c应满足以下要求：

（1）E0c≤-800 m V。

（2）碳钢结构屈服强度≤550 MPa时，-1 100 m V≤E0c≤-800 m V。

（3）如结构易遭受氢致应力腐蚀开裂（HCC），-1 050 m V≤E0c≤-800 m V。

（4）可能发生硫酸盐还原菌微生物腐蚀区，E0c≤-900 m V。

FPSO船体外部、掣链器及基座、锚链、锚缆端节头的阴极保护电位E0c为-800 m V，吸力锚的阴极保护电位E0c为-900 m V。

有若干文献(文[1]～文[3])都讨论了如何将矩形剪拼成等面积正方形，此阶段我们参考文[1]中的做法，其剪拼次数相对较少.

3.1.2 阴极保护电流密度

企标V要求：FPSO船体和水下系泊系统阴极保护电流密度应取为1.1倍的DNVGL-RPB401 2017《阴极保护设计》（以下简称DNV规范）要求值。水下系泊设施对保护电流密度设计需求如表6所示。

表6 FPSO船体和水下系泊设施保护电流密度Tab.6 Design requirements for protection current density of underwater mooring facilities

电阻率是计算阴极保护电流密度的重要影响因素。按企标V要求和DNV规范计算的阴极保护设计电阻率如表7所示。

表7 阴极保护设计电阻率Tab.7 Resistivity for cathodic protection design

3.2 牺牲阳极用量计算方法

FPSO水下系泊系统及掣链器船体基座处牺牲阳极用量按DNV规范计算确定。FPSO船体和系泊系统设计要求服役25年不解脱，并考虑服役之前3年建设施工期间的腐蚀冗余。FPSO船体出坞下水前，掣链器及基座即安装在船体舷外，故船体、掣链器及基座阳极设计寿命tf为28年。为了缩短FPSO海上安装工期，吸力锚和系泊线在FPSO海上安装前1年预先安装、铺设在海底，故吸力锚、锚缆端节头阳极设计寿命tf为26年［18］。吸力锚筒内阳极利用率取0.8，其他部位阳极利用率均取0.9。阳极理论电化学容量为2 433 A·h/kg（温度为20℃时）。表层海水中的阳极材料电化学容量按海水平均温度28℃修正后为2 217 A·h/kg，阳极消耗率为3.95 kg/（A·a）。海底阳极材料电化学容量为2 433 A·h/kg，阳极消耗率为3.6 kg/（A·a）。FPSO和水下系泊系统防腐涂层破损率fc计算结果如表8所示。

表8 防腐涂层破损率fc计算结果Tab.8 Result of anti-corrosion coating damage rate fc

4 水下系泊系统牺牲阳极设计结果

4.1 船体基座牺牲阳极

企标V要求：除非FPSO船体和舷外悬挂设施采用了外加电流保护，FPSO船体外部的牺牲阳极设计还须考虑水下系泊线等悬挂设施50%外表面积的保护电流密度需求［19］。上部锚链的出链长度（掣链器以下长度）约为121.3 m，故掣链器船体基座阳极设计考虑60 m长上部锚链保护电流密度需求。FPSO掣链器船体基座牺牲阳极设计结果如表9所示，即要求在掣链器船体基座附近再加密布置70块船体外部阳极，如图6所示。

表9 FPSO掣链器船体基座牺牲阳极设计结果Tab.9 Design result of FPSO fairlead chain stopper hull foundation sacrificial anode

图6 FPSO掣链器船体基座附近阳极Fig.6 Sacrificial anode near the hull foundation of FPSO fairlead chain stopper

4.2 掣链器牺牲阳极

掣链器设计保证始终有4个上部锚链的链环与主臂身内的弯曲筒接触，确保锚链和掣链器之间有良好的导电连续性。根据工程经验，掣链器阳极设计应考虑20 m长上部锚链的保护电流密度需求。单个掣链器牺牲阳极设计结果如表10所示。阳极布置位置避开了掣链器主臂身结构的高应力区和塑性变形区，如图7所示。掣链器顶部锁紧头、底部钟形嘴处的阳极安装空间受限，故采用了小块的阳极。20 m上部锚链所需阳极用量约占擎链器上阳极总用量的24.7%。

表10 单个掣链器牺牲阳极设计结果Tab.10 Design result of single fairlead chain stopper sacrificial anode

图7 FPSO掣链器上的阳极Fig.7 Sacrificial anode on FPSO fairlead chain stopper

按照企标Ⅰ、Ⅴ要求，FPSO在4组掣链器附近船体舷外均安装1套阴极保护监测系统装置，监测掣链器及附近船体的阴极保护电势。监测电位探头由Ag/AgCl海水参比电极和高纯Zn参比电极组成，可测量电位范围为-1 400～1 400 m V，电位分辨率为1 m V，电位阻抗大于1 MΩ。监测系统主面板可输出电位数据和模拟图，具备人机交互和自动报警功能。

4.3 锚缆端节头牺牲阳极

锚缆的钢丝经过热镀锌表面处理，每层钢丝上涂抹润滑油脂，锚缆外部采用11.25 mm厚的中密度聚乙烯护套保护。锚缆端节头处采用wirelock树脂胶水和TLMM型复合材质的衬套、密封圈将钢丝端头密封（见图8），并在每根锚缆的2个端节头处各安装1块可拆卸式牺牲阳极（见图9），对端节头进行阴极保护［20］。单根锚缆端节头牺牲阳极设计结果如表11所示。

表11 单根锚缆端节头牺牲阳极设计结果Tab.11 Design result of single mooring wire socket sacrificial anode

图8 向锚缆端节头中浇铸wirelock树脂胶水Fig.8 Re-socketing wirelock resin glue into wire socket

图9 锚缆端节头上的可拆卸式阳极Fig.9 Removable sacrificial anode on wire socket

4.4 吸力锚牺牲阳极

为保证吸力锚与土体之间的摩擦力和土的吸附力，按照企业标准《板裙基础和吸力锚设计、安装总则》要求，吸力锚在泥面以下结构的表面不能设防腐涂层。吸力锚仅在泥面以上的外表面有防腐涂层，其他部位均为裸钢表面，对所有结构表面均计算保护电流密度需求。根据工程经验，吸力锚阳极设计应考虑30 m长海底锚链的保护电流密度需求。单个吸力锚牺牲阳极设计结果如表12所示。30 m海底锚链所需阳极用量约占吸力锚上阳极总用量的3.2%。吸力锚内部的阳极均安装在顶部梁的侧面。

表12 单个吸力锚牺牲阳极设计结果Tab.12 Design result of single suction pile sacrificial anode

为便于ROV检测吸力锚和海底锚链的阴极保护电势，按照企标Ⅲ要求，在每个吸力锚上至少设一处电势检测点（电触点）；检测点由100 mm×100 mm钢板制成，对钢板表面喷砂除锈并涂上临时防腐漆。电势检测点钢板与海水直接接触，应位于ROV携带的检测仪易于触碰到的位置。为避免系泊线海上安装时锚头链刮碰到安装在吸力锚侧面的阳极，在可能受刮碰的阳极上、下方安装了防碰架。

5 结 语

图10 吸力锚顶外部阳极布置Fig.10 Layout of external sacrificial anode on suction pile top

图11 吸力锚顶内部阳极布置Fig.11 Layout of sacrificial anode inside suction pile top

西非深水FPSO系泊系统设计要求25年寿命期内不解脱，且吸力锚和系泊线在FPSO海上安装前1年预先安装、铺设在海底，给FPSO船体和水下系泊系统的防腐蚀设计提出了较高的要求。水下系泊系统根据热带深水海域的腐蚀环境特点，对锚链、锚缆、掣链器及基座、连接器和吸力锚等进行了耐腐蚀材料选型设计，并按规范和石油公司企业标准要求设计了FPSO船体和水下系泊系统各部件处的腐蚀余量和防腐涂层。

水下系泊系统的阴极保护采用可靠性较高的牺牲阳极方法，考虑了16根系泊线上的60 m上部锚链和30 m海底锚链的保护电流密度需求；全寿命期内所需的铝-锌-铟合金牺牲阳极总净质量达105.9 t。FPSO和吸力锚设计还考虑了阴极保护监测的需要，满足了水下系泊系统结构防腐蚀完整性管理的要求。