基于缩比模型的海底管道外加电流阴极保护系统延寿技术研究

2021-05-29胡丽华宣超杰鞠孝行宋世德

全面腐蚀控制 2021年4期

贾旭胡丽华宣超杰常炜鞠孝行宋世德

（1. 大连理工大学，辽宁大连 116024；2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引言

随着油气资源需求的日益增加，海底油气管道也迅速在海底蔓延开来。海底管道因其使用寿命长、制造成本相对低廉等原因，铺设距离逐年增加。截至2017年，全球在役油气管道数量达3800条，总里程约196万公里，在海上能源输送中发挥着重要作用[1]。由于长期处在高压、低温的复杂海洋环境下，海底管道在投入运行之前需进行合理的阴极保护系统设计，目前普遍采用的是牺牲阳极和外防腐涂层结合的方法[2]。但随着服役年限的增加，管道防腐涂层不断降解恶化，外加水下外力对管道的剐蹭或者导管架平台等连接结构短接的原因，造成牺牲阳极的丢失或过度消耗，导致管道直接与海水接触，阴极保护系统提前进入中后期阶段[3]。为了保证海洋油气开发的持续性和安全性，在检测到管道缺陷的情况下，选择经济合理的腐蚀防护方式延长在役海底管道阴极保护系统服役寿命的工作势在必行。

目前海洋结构的阴极保护延寿技术包括牺牲阳极阴极保护（SACP）技术和外加电流阴极保护（ICCP）技术。牺牲阳极阴极保护的设计相对简单，但其制造和使用过程中会伴随生态污染，水下施工量大，工程投资和维修费用相对较高。而外加电流阴极保护是通过外加直流电源和辅助阳极向被保护结构物施加阴极电流，使被保护结构物达到保护状态，其保护电流可调，水下施工量小，是一种环境友好型产品，尤其随着油气的开采范围逐渐向深海区域发展，外加电流延寿的经济性则逐渐凸显[4-6]。但目前，外加电流阴极保护在海洋导管架平台阴极保护中被广泛使用，在海底管道延寿方面的研究和报道几乎为零。目前的外加电流阴极保护系统有远地式、拉伸式和固定式三种，仅远地式可适用于海底管道，因此提出一种针对海底海底管道的远地式外加电流阴极保护延寿方法[7,8]。图1为远地外加电流方法示意图。

图1 远地外加电流方法示意图

外加电流阴极保护系统的设计方法有数值模拟和缩比实验方法2种[9]。缩比实验是将被保护结构物的外形尺寸和海水电导率等参数进行一定比例的缩放，分析被保护结构物表面电位的方法。此种方法的局限性是一种模型只能进行一种结构的研究，但可以更实际的评估阴极保护系统的设计。因此，本文基于缩比模型理论，建立实验室实验物理模型和相应的外加电流阴极保护系统，对远地外加电流阴极保护延寿技术的有效性进行实验室层面的验证，并研究其相应规律。

1 实验部分

海底管道外加电流阴极保护室内模拟模型包括：模拟实验水池、海底管道缩比模型、外加电流阴保护系统、电位检测系统和相关配套组件等[10]。

1.1 模拟实验水池

模拟实验水池选取大连理工大学船舶拖曳实验水池，该水池尺寸为160×7×3.7m。池水电导率为505μs/cm，大连小平岛海域海水电导率为31846μs/cm，因此确定缩尺比例为1:63，并按照此缩尺比例建立管道模型，图2为实验水池。

图2 实验水池

1.2 管道缩比模型

图3为管道模型，管道缩比模型以外径为762mm的管道为原型，按照确定的缩尺比例，选取外径为12mm的Q345钢质管道模型，管道模型通过若干管段连接而成，每段管段长度在3～4m不等，两管段之间通过焊接螺丝公头和母头进行连接，同时在管段连接处两端通过铜线连接以降低螺纹连接电阻的影响，连接总长度为50m，可用于模拟3km管道。管道表面使用带胶热缩管模拟涂层，对这个管道等距设置5处涂层破损，每处涂层破损长度为15cm，在其附近固定参比电极，用于检测涂层破损区域电位。

图3 管道模型

1.3 外加电流阴极保护系统

图4为外加电流阴极保护系统，外加电流阴极保护系统由Test CS系列电化学工作站和Pt 017铂丝辅助电极组成。使用电化学工作站双电极系统的恒电流极化提供恒定并稳定的电流输出。铂丝电极直径1mm，长37mm，电化学稳定性较稳定，电流效率较高。

图4 外加电流阴极保护系统

1.4 电位检测系统

图5为电位检测系统，电位检测系统主要由集成数据采集卡的工控机和Ag/AgCl固体参比电极组成。数据采集卡为NI 6218型号采集卡，此型号采集卡有16通道，输入阻抗高，可达10 GΩ，且采集数据噪声较小，数据采集卡的采集频率为0.5Hz。所使用的Ag/AgCl固体参比电极精度在±1mV范围内，实验前在环境中静置72h以上，并在实验室定期使用饱和甘汞电极进行标定。

图5 电位检测系统

1.5 实验方法

图6为实验室实验布置俯视图，实验室缩比模型建立完成之后，按照图6进行实验布置，完成两个工况的实验室实验，分别为：

（1）电流为14mA时，距离分别0.16m、0.48m、0.80m、1.12m，为对应实际距离为10m、30m、50 m、70m情况下，管道表面电位分布规律；

（2）距离为 30m时，施加电流大小分别为14mA、16mA、18mA、20mA情况下，管道表面电位分布规律。

图6 实验室实验布置俯视图

2 结果与讨论

首先在未施加电流的情况下，记录5个固定参比电极的开路电位作为自腐蚀电位，5个参比电极的数值上下波动不超过5mV，并将实验中测量的Ag/AgCl固体参比电极电位数据转化为同条件下的饱和甘汞参比电极数据，得到如表1所示数据。

表1 饱和甘汞电极自腐蚀电位表

2.1 等电流距离影响

实验保护电流为14mA不变，将辅助阳极垂直管道方向放置于1#参比电极附近池底，调整辅助阳极与管道之间的距离分别为0.16 m、0.48 m、0.8 m、1.12 m，整个管道电位极化数据如图7所示。

图7为距离影响极化数据图，显示管道表面各位置参比电极均极化并达到收敛状态，在任何距离下，远地阳极达到对50m（3km）管道的整体腐蚀控制。

图7 距离影响极化数据图

为研究管道表面电位变化规律，提取各距离下各参比电极的收敛电位值，与管道自腐蚀电位值做差得到电位差值（施加电流-未加电流），如图8所示。

图8 距离影响图

从图8中可以看出，随着远地阳极与管道之间距离的增加，1#参比电极电位逐渐正移，但降低幅度逐渐变小。1#参比电极与5#参比电极之间电位差逐渐减小，管道表面电位分布的更均匀。在各距离下，沿管长方向的各参比电极电位逐渐正移，电位变化逐渐变缓，除1#参比电极外，其余参比电极在各距离下的电位变化不超过5mV，可视为趋于稳定。

2.2 等距离电流影响

将远地阳极放置距离固定为0.48m不变，对应实际距离30m，调节施加保护电流分别为14mA、16mA、18mA、20mA，每一次施加电流都等到管道完全去极化至自腐蚀电位之后再进行施加，各电流下的极化数据如图9所示。

图10为同样计算各电流下电位差值绘制成的曲线图。从图中可以看出，随着施加电流大小增加，管道表面电位整体同步变负。单独就某一电流下的曲线来看，依然呈现在远地辅助阳极位置处，管道表面电位最负，沿管长路由方向逐渐正移且趋于幅度变小，电位差差值可以保证在5mV以内。

图9 电流影响极化数据图

图10 电流影响图

2.3 实验现象分析

根据以上两种工况的实验，分析呈现相应规律的原因是：在远地阳极附近的涂层破损处受辅助阳极释放电场的影响较大，在其周围附近表现为较负的电位场，而随着距离远地阳极的距离不断增加，电场受海水电阻率影响致使电位衰减增加，涂层破损处的电位逐渐正移；随着沿管长方向距离的增加，相应涂层破损处附近电位场区域稳定，变化很小，相应电位也趋于稳定，如图11所示。