渤海油田平台导管架牺牲阳极脱落原因浅析

赵庆凯 黄卫国 纪蒙生 刘登辉 李风顺

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300457）

1 背景概况

2016年作业公司实施平台定期检验及海生物清理时发现，渤海辽东区域三座平台导管架阳极脱落情况严重，阳极块脱落主要集中在平台的北侧水下3米至水下7米之间，并且是与平台桩腿焊接部分整体脱落，最高脱落比例达到11%。极大的影响了平台导管架的防腐蚀效果，进而影响了导管架结构安全性。

图1 牺牲阳极脱落处

2 阳极脱落原因分析

对平台导管架阳极脱落问题的研究和讨论，判断引起阳极断裂/脱落的原因有以下几方面：

2.1 结构设计影响

三个导管架阳极的连接结构（Φ114*8.5mm阳极芯、8mm包板）和焊缝（6mm角焊缝）尺寸属于最小的一种。在设计时间更晚的重量相近阳极的连接结构和焊缝都得到了增强。由于该海域也有连接结构规格较小的牺牲阳极的存在，因此“牺牲阳极连接结构规格偏小”在正常荷载下不会成为阳极脱落的根本原因，但如果后期荷载情况超出正常范围，则该因素可能成为阳极脱落的助力条件。

2.2 打桩振动影响

通过对相关资料的统计、分析，以及对阳极芯/包板及连接焊缝的尺寸等技术参数的分析，并且考虑到近年来设计单位已经开始对牺牲阳极连接结构进行打桩荷载的分析等情况，而且调增了后续项目新建导管架牺牲阳极的连接结构强度。针对打桩的冲击荷载对阳极连接结构（阳极芯及焊缝、包板及焊缝）的强度影响进行了初步校核，结果显示阳极芯的焊缝、包板强度较弱。但由于同期或其它海域的打桩作业同样存在，其它导管架并无或较少出现牺牲阳极断裂/脱落的情况，因此确认该因素不是阳极断裂/脱落的首要条件，但打桩过程中的疲劳或损伤有可能成为助力条件。

2.3 冰激振动影响

根据2009-2010年的《海冰管理项目技术总结报告》显示，2009-2010年期间，冬季辽东湾海域冰情严重，其中“盛冰期”2010年1月中旬渤海海冰范围达到上世纪八十年代开展气象卫星监测海冰以来同期最大值，该年度渤海发生了30年以来最大的冰灾。

图2 1998-2010年内202海域冰期趋势图

图3 1998-2010年内平均冰厚趋势图

基于对原型结构的现场监测，发现渤海的抗冰导管架平台在极值静冰力作用下,结构的变形比较小,安全储备较大。但是在交变冰力作用下,无论是直立结构还是锥体结构都存在冰激共振现象，动冰力引起的动力放大显著。平台振动比往年更加明显且持续时间更长，对平台导管架管节点的疲劳损伤尤其明显。”

由于平台在冰激作用下振动主要为水平方向的振动，而阳极均处于垂直面内，A、B轴面内的阳极或处于平行于A、B轴面的阳极连接结构在遭受来自北侧的水平力（该力即冰力垂直于阳极所在平面）时最容易破坏，而1、2、3轴面内的阳极或处于平行于1、2、3轴面的阳极连接结构由于与来自北侧的冰力处于平行方向，因此不易受到破坏。

图4 平台导管架受损阳极分布图（蓝色牺牲阳极已脱落）

由于冰在撞击北侧导管腿后发生破碎，因此南侧导管腿受到的冰力比北侧导管腿明显下降，由此产生的冰激振动对阳极连接结构的破坏影响很小，因此三个导管架的阳极断裂/脱落主要集中在北侧，而南侧只有一个阳极发生脱落。

2.4 导管架独立过冬影响

导管架安装后当年未安装上部组块，导管架在没有上部组块的情况下独立过冬时，由于没有上部组块对导管架顶部的约束，独立越冬导管架的冰激振动比完整平台的冰激振动更加剧烈，这也解释了为什么上述3个导管架发生阳极断裂/脱落的情况而邻近的带有上部组块的导管架没有发生阳极断裂/脱落的情况。由于导管架北侧为迎冰面，其受到的冰激振动比南侧更剧烈，因此受损阳极主要集中在这一侧，同时由于导管架上各部位的振动幅度从泥面到水面逐渐增加越来越大，因此受损阳极在导管架上的部位主要集中在水下3米（水下3米以上无阳极）至7米。三座脱落阳极的导管架共同的特点是均为适应组块吊装就位、独立越冬、平台北侧水下3米至水下7米阳极受损。因此推测，如果组块在当年就安装完毕，则非独立越冬有上部约束的导管架就可能不会产生更为剧烈的冰激振动，阳极的连接结构就可能不被破坏；如果阳极的连接结构更强一些，可能会增加抵抗打桩冲击及冰激振动的能力；如果当年冬季冰情不严重，冰激振动的影响可能会降低。

3 总结和建议

综上所述，本次阳极脱落的原因是多方面的，主要包括阳极连接结构的尺寸参数偏小（相对）、打桩作业对阳极连接结构的冲击、导管架独立越冬情况下冰激振动对阳极连接结构的疲劳破坏等，其中导管架独立越冬情况下的冰激振动是导致阳极脱落的触发条件。

由于导管架北侧为迎冰面，其受到的冰激振动比南侧更剧烈，因此受损阳极主要集中在这一侧，同时由于导管架上各部位的振动幅度从泥面到水面逐渐增加越来越大，因此受损阳极在导管架上的部位主要集中在水下3米（水下3米以上无阳极）至7米，水下7米以下因振动幅度越来越小，因此没有阳极断裂/脱落的情况发生。因此推测，本次阳极脱落的主要原因是导管架独立越冬情况下产生更为剧烈的冰激振动从而导致阳极的连接结构产生破坏。

随着我国海洋石油行业的发展，作为一种经济有效的金属防腐方法，牺牲阳极在工程防腐的应用日趋广泛。为了避免类似事件的发生，提出建议如下：

1）、对导管架进行打桩振动分析并据此确定牺牲阳极连接结构的尺寸参数；

2）、尽量避免辽东区域新安装的导管架独立海上越冬，如有必要的话需进行针对独立越冬导管架的冰激振动分析；

3）、增加导管架、组块安装后的水下调查，细化要求并留存资料。

4）、增加水下检测范围，对辽东区域平台导管架阳极状况及防腐寿命进行全面评估。