自升式平台桩体ICCP技术的应用

2022-08-12闫则明李风顺庄则敬纪蒙生张修武刘登辉李文言

全面腐蚀控制 2022年7期

王海闫则明李风顺庄则敬纪蒙生张修武刘登辉李文言

（1. 中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海铠防腐工程技术分公司，上海 200131；2. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300450；3. 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，山东青岛 266071；4. 天津瑞洋海洋工程有限公司，天津 300450）

0 引言

自升式平台是移动式海洋平台的其中一类。自升式平台配备了动力装置、居住设备、钻井机械和船体的支撑用可升降桩腿，作业时桩腿着地，船体平台升至海面上一定高度，需要移动时则把平台降至水面，收起桩腿由拖船拖至指定位置。因为平台的工作环境处于强腐蚀介质中，所以必须采取有效的防腐蚀措施从而减少环境对平台的破坏，延长设备的服务寿命。由于防腐涂层特别是水下的涂层的耐久性和维护难度，平台的防腐涂料并不能对平台桩腿起到彻底的防护作用，因此有必要对桩腿进行阴极保护，桩腿的升降系统结构复杂，且与平台结合紧密、空间狭小，并不适宜牺牲阳极阴极保护法。本文介绍了一种应对自升式平台腐蚀的阴极保护技术。

1 自升式平台外加电流阴极保护设计

1.1 系统简介

自升式平台外加电流腐蚀控制系统是用来保护平台桩体不受海水腐蚀的专用装置。外加电流阴极保护装置的工作原理是通过控制电源提供直流电流，电源正极接辅助阳极，负极接桩体，在海水构成的回路中，通过参比电极对极化的桩体进行电极监控，从而根据电位动态调节所需保护电流，以达到最佳保护电位范围。

1.2 外加电流阴极保护设计

1.2.1 概述

平台作为在天津渤海海域工作的自升式钻井平台。平台水下部位主要包括三根Ø3200×75m桩腿和Ø9200×1.65桩靴。整个桩腿吃水深度40米，入泥10m。

保护方式：ICCP系统与涂层联合保护。

1.2.2 设计计算

1）设计参数[1]

保护寿命：≥10年

最小保护电流密度：平台水下部位钢结构保护电流密度取35mA/m2。平台海泥中部位钢结构保护电流密度取20mA/m2。

技术指标：最小保护电位E保，min（高纯锌参比电极）＝0.25V。

最大保护电位E保，max（高纯锌参比电极）＝0.05V。

在有效保护期内，系统回路电阻不会增加；平台水下及泥中部位钢结构得到有效保护，腐蚀得到减缓或抑制，平台水下及泥中部位钢结构外壁没有明显减薄。

2）阴极保护设计计算

（1）桩腿和桩靴保护面积计算

计算单只桩腿最大入水保护面积：（桩体最大入水40m）：

计算单只桩靴及桩腿入泥的保护面积：（桩体最大入泥10m）：

（2）保护电流计算

根据设计规范[7,8]，阴极保护总电流应不小于按下式计算所得值：

式中：

Sz为阴极保护区结构的面积；

iz为阴极保护区结构的保护电流密度，A/m2；

η为电流分配效率，取0.7～0.8；

n为油井口数；

K为裕量系数，取1.2。

考虑到投入运行后对涂层的破坏,结合平台工作海域的环境条件和同类平台的保护经验，平台水下部位钢结构保护电流密度取35mA/m2。平台海泥中部位钢结构保护电流密度取20mA/m2。

则需要的总保护电流为：

1.2.3 设计结果

设计寿命≥10年，根据设计计算和平台的结构特点，阴极保护系统选用1台型号为HFSF-200型恒电位仪，6支HFPY-1型辅助阳极和3支HFPZ-2型参比电极进行控制。恒电位仪额定输出电流为100A，额定输出电压为24V；辅助阳极电极材料为MMO，安装于每个桩靴各2支，每支阳极额定输出电流为15A。参比电极为高纯锌参比电极，安装于每个桩靴各1支。

2 安装工艺

2.1 恒电位仪的安装

恒电位仪安装在平台生活楼第四层升降控制室内，或其它便于监控和用电的位置。将恒电位仪安装在固定于船体上的阳极架上。恒电位仪工作释放的热量较低，机柜外壳为常温，变压器约为50℃，工作噪音低于42dB。工作时，阴极接桩体，阳极接辅助阳极，不可接反[2]。

2.2 辅助阳极的安装

辅助阳极的主体确保与平台桩体绝缘，干燥状态下（即没有下水前）绝缘电阻应大于1MΩ[3]，同时，阳极结构应确保其水密性能及能耐受大于0.7MPa的压力。辅助阳极安装在桩靴上，每支桩靴安装2支辅助阳极，对称分布在桩靴上表面。辅助阳极采用附板式安装，首先在桩靴外板开安装孔，将附板焊接在桩靴外板上，然后将阳极体采用螺栓方式固定在阳极体的附板上（如图1所示），最后将电缆引入桩靴内。辅助阳极周围涂刷阳极屏[5,6]。

图1 辅阳极助安装图（方形）

2.3 参比电极的安装

参比电极的主体确保与平台桩体绝缘，干燥状态下（即没有下水前）绝缘电阻应大于1MΩ[4]，同时，电极结构应确保其水密性能并且能耐受大于0.7MPa的压力。参比电极安装在桩靴上，每支桩靴安装1支参比电极，分布在与辅助阳极成120°角的同一水平面上。采用附板式安装（如图2所示）。参比电极在安装过程中应保护好电极体，防止碰伤、烧伤及涂料和其它物质的污染。

图2 参比电极安装图（圆形）

2.4 电缆的连接

辅助阳极和阴极连接电缆应选用船用电缆，参比电极电缆应选用屏蔽电缆。电缆连接应符合舰船电缆连接要求，电缆传输中不允许有接头，若有应装置防爆装置。每支升降桩电缆应编号标明。阳极电缆要与桩体绝缘，要求绝缘电阻大于1MΩ。穿过舱室应做好密封。

2.5 电缆敷设方案

辅助阳极和参比电极安装后，其电缆接点在桩靴内的水密罩内，将电缆连接好从水密罩电缆出口穿出后，用螺栓将水密罩密封。电缆在桩腿内汇总共同走线，从桩腿内部引到平台上，再从上部的相应出口引出，引到主控制室。穿过舱室应做好密封。电缆布置如图3所示。

图3 电缆布置图

3 设备现状及前景

3.1 设备运行效果

图4 电极电缆安装（桩顶敷设）

通过对平台ICCP使用效果的回访了解到平台外加电流阴极保护系统运行正常，辅助阳极和参比电极运行良好，设备自动运行时参比电极监测平台桩腿电位处于0～250mV保护电位范围内[8]，保护效果良好。使用便携式参比电极检测了平台桩腿上部和船体的电位，测得桩腿上部电位为-916mV，船体电位为-913mV，说明整个桩腿都达到了保护状态。平台已投产工作4年后水下检查时发现平台的桩靴和桩腿表面状态良好，无明显锈蚀现象。说明整套外加电流阴极保护设备运行状态良好，大大降低了平台的腐蚀速度，保证采油平台长寿命的安全运营。下面以其中一平台的运行数据为例分析系统的运行状态和平台的保护效果。

图5为某平台运行52个月的外加电流阴极保护系统的运行数据。腐蚀控制建成系统采用自动控制运行，调试运行时自动控制给定电位为150mV（相对于高纯锌电极）。由于平台的桩腿和平台船体都做了涂层防腐，因此初始时需要保护电流较小。从图5可以看出，随着平台服役时间的增加，阴极保护需要的保护电流也逐渐增加，这是由于随着平台服役年限的增加，涂层破损率逐渐增大。图中第32个月参比电极的电位下降是由于平台工作人员调节了给定电位。从图5还可以看出在自动控制状态下，外加电流腐蚀控制系统运行稳定，平台的3个桩腿的保护电位始终处于被保护范围。

图5 系统运行数据图

3.2 应用前景

现在海洋工程中的半潜式平台和导管架平台仍然普遍使用牺牲阳极的方式进行阴极保护[9]。但是随着海洋开发的进一步加快，拥有资源节约和环境友好等优点的自升式平台外加电流阴极保护技术也可在进一步改进后应用于半潜式平台和导管架平台。此技术在可以实现对新建平台进行阴极保护的同时，也可实现对老旧平台的延寿修复，因而具备广阔的市场前景。我国目前尚且欠缺深水平台外接电流尤其是超200m水深的平台的设备设计、制造、安装经验，设备安全性和可靠性都需要进一步验证。对此既需要在设计生产的过程中严格要求，并结合实际工程进行改进，同时也要学习借鉴国外的先进技术和科研成果。为我国蓝色海洋经济的发展做出贡献。