远地式导管架外加电流阴极保护集成装置安装技术

赵 刚

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海上油气田设施水下结构防腐通常采用牺牲阳极技术，即在导管架桩腿和拉筋结构上安装大量阳极块；近年来，随着技术进步，越来越多海洋平台采用外加电流阴极保护技术。与前者比较[1]，后者可节约阳极材料，降低平台负重，减少环境污染，尤其针对较深海域的油气田设施，包括应用在老平台结构延寿方面，降本增效成果显著。而远地式导管架外加电流阴极保护技术就是其中一种形式[2]：将辅助阳极框架（内嵌若干套阳极）放置在平台外部一定距离的海床表面，再由平台电源供电，在被保护平台结构周围形成富电子环境，减缓结构腐蚀从而起到保护目的。

1 概述

远地式导管架外加电流阴极保护技术采用的系统集成装置（见图1） 包括辅助阳极主电缆、参比电极电缆、支撑钢缆、固定式沉块及辅助阳极框架等。该系统构成复杂、集成度高，能否顺利实施海上安装是该技术得以应用的关键，因此，本文主要研究集成装置的海上安装技术。

图1 远地式导管架外加电流阴极保护集成装置三维模拟

系统集成装置须在入水前完成连接，采用常规方法无法保证系统安装的连续性与安全性，无法实现阳极主电缆的安全释放与有效控制，无法保证各设备、各组成部件在安装过程中互不干涉而又能作为一个整体实现水下安装。

为解决辅助阳极框架及固定式沉块随主电缆同步入水、就位及安装的问题，提出新的安装方案，经过三维模拟、理论计算及现场试验，最终成功应用。

2 总体安装思路

阳极主电缆平台端接平台上部变压器，末端接辅助阳极框架接线口，辅助阳极框架置于平台外部一定距离的海床表面。安装时，利用张紧器控制主电缆释放速度，通过入水桥下水，待电缆通过张紧器后，按照标定的设计位置将参比电极电缆及钢缆利用若干小夹具与主电缆集成在一起，钢缆起到支撑作用，其上端利用吊耳固定于抱桩腿卡子处，下端与固定式沉块连接，沉块利用浮吊吊机就位安装。待主电缆释放到最后，将其末端接辅助阳极框架接口处，并固化密封、检验合格，框架利用浮吊吊机就位安装。

3 校核分析

在利用吊机下放固定式沉块及辅助阳极框架的同时，须保证阳极主电缆释放的同步性，保证电缆弯曲半径大于许用弯曲半径且敷设张力小于许用张力。因此，作业前要对系统集成装置进行安装过程模拟、计算及分析，利用CAD及ORCAFLEX软件模拟整个电缆集成系统的水下姿态及轨迹，确定安全作业工况，包括风、浪、流等环境因素的限制条件[3]。

4 试验

利用张紧器对电缆受力状态进行定性试验，包括测试电缆的夹持状态及绝缘护套的极限拉力，确保张紧器专用设备的匹配性以及电缆绝缘护套的可靠性，测试结果良好。张紧器对电缆的夹持状态测试见图2，电缆绝缘护套的拉力极限测试见图3。

图2 张紧器对电缆的夹持状态测试

图3 电缆绝缘护套的拉力极限测试

5 安装工艺

采用该工艺及方法可以保证集成装置安装的连续性、安全性，还可实现阳极主电缆的安全释放与有效控制，特别是保证了系统内各设备、各组成部件在安装过程中互不干涉且又能作为一个整体进行安装。

5.1 系统集成装置组成

系统集成装置构成见图4，包括辅助阳极主电缆、参比电极电缆、支撑钢缆、固定式沉块、辅助阳极框架、变压器等。

图4 远地式导管架外加电流阴极保护集成装置构成

5.2 安装资源

海上安装资源包括浮吊船舶、入水桥、张紧器、电缆滚筒、牵引绞车等，作业线布置见图5。

图5 作业线布置

5.3 复合缆安装技术[4]

待辅助阳极主电缆通过张紧器后，利用若干特制小夹具（见图6）将参比电极电缆与支撑钢缆负荷集成在辅助阳极主电缆上，构成复合缆。复合缆作为一个整体通过入水桥后下水安装，支撑钢缆起到结构支撑作用，其上端利用吊耳固定于抱桩腿卡子处（空气潜水作业完成），下端与固定式沉块连接（甲板上完成）。

图6 特制小夹具

5.4 固定式沉块水下就位及安装技术

浮吊吊机吊装固定式沉块入水、就位及插桩固定[5]，该过程需吊机与电缆作业线协同指挥，保持复合缆、固定式沉块及阳极主电缆（固定式沉块与辅助阳极框架之间）同步下放，ROV水下实时观察各组成部件的姿态及相对位置，沉块携带信标设备精准定位，确保操作安全、可靠，固定式沉块水下就位及安装见图7。

图7 固定式沉块水下就位及安装

5.5 辅助阳极框架水下就位及安装技术

辅助阳极主电缆末端接辅助阳极框架接口并固化密封，随后浮吊吊机吊装框架入水、就位[5]，在此之前，利用牵引绞车与张紧器相互配合，使辅助阳极主电缆随辅助阳极框架一同入水、安装。水下利用ROV实时观察各组成部件的姿态及相对位置，辅助阳极框架携带信标设备精准定位，同时缓慢移船进行适当配合，确保操作安全、可靠，辅助阳极框架吊装见图8。

图8 辅助阳极框架吊装

5.6 水下定位、连接及自动脱扣回收技术

浮吊吊钩上部绑扎信标，精准确定结构物（固定式沉块及辅助阳极框架）水下安装位置，信标定位布置见图9；采用弹簧卸扣连接吊索具，以便利用ROV实现水下自动脱扣、回收吊索具，弹簧卸扣布置见图10；利用ROV抓手在水下连接牵引绳索，如图11所示。

图9 信标定位

图10 弹簧卸扣布置

图11 ROV水下连接索引绳索

6 结束语

与常规水下安装牺牲阳极的保护方案相比较，外加电流保护方式效果更为显著，成本低，环境污染小，成为了海洋平台水下结构防腐蚀重要的途径和砝码。应用该技术时，系统集成装置的安装尤为关键。本文所述工艺方法解决了海上安装的难题，增加了张紧器设备，可实现阳极主电缆的安全释放与有效控制；利用浮吊吊机配合，解决了固定式沉块、辅助阳极框架随电缆系统同步入水、就位及安装的问题。高度集成的一体化系统确保了海上安装的连续性与安全性。该系统集成装置在南海（水深123 m） 某平台的安装，实现了国内首次成功应用，未来可考虑在国内其他油田海域继续推广应用。