海洋工程结构物快速连接新型牺牲阳极的研究

2022-08-15阳利军张国庆刘福国

石油工程建设 2022年4期

阳利军,张国庆,李妍,刘福国,于萱

海洋石油工程股份有限公司,天津 300451

牺牲阳极阴极保护系统主要由均匀布置在结构物上的牺牲阳极组成，通过消耗牺牲阳极本身为结构物提供阴极保护，其优点是一次性投入，简单可靠，不需要维护，保护效果好[1]。

海洋工程结构物的阴极保护电流密度应根据保护初期、中期和后期的不同阶段分别设计。在保护初期，结构物裸钢表面还未形成钙质沉积层，因此初期极化需要较大的保护电流密度以加速结构物表面极化，加快钙质沉积层的形成，以使结构物能够在较短时间内极化到保护电位[2]；经过初期的大电流极化以后，结构物表面已经形成钙质沉积层，因此中期稳定维持期需要的保护电流密度减小：后期再极化所需保护电流密度较中期高，但因结构物表面已有钙质沉积层及海生物覆盖，因此后期所需保护电流密度较初期要小。目前，海洋工程常规用牺牲阳极多为梯形或矩形截面，这种截面的牺牲阳极在不同的保护阶段表面积变化较小，不能根据不同阶段保护电流密度的需求灵活提供不同大小的保护电流，因此牺牲阳极的截面形式有待优化。

另外，在对海洋石油平台导管架和海底管道进行阴极保护状态检查时，发现某一段或某一局部区域的牺牲阳极存在消耗过快现象，致使一些局部区域处于欠保护状态，如不及时采取有效的补救措施，将可能引发腐蚀失效风险。若采用水下焊接牺牲阳极进行修复，需要动用多种水下水上设备配合协同作业，费用高昂。

针对上述问题，本文研发一种可实现水下快速连接的新型牺牲阳极，能够用于海洋结构物局部阴极保护缺陷的快速修复。

1 快速连接装置的研究

为了实现牺牲阳极在被保护结构物上的快速安装和电连接，研制了一种快速连接卡箍装置，见图1。快速连接卡箍装置的作用是实现水下安装时快速连接，并保证牺牲阳极与被保护结构杆件之间形成可靠的电连接。快速连接卡箍装置主要由位于顶端的手柄顶针、环形卡箍和底部的活动式弹簧张力板组成。电缆线与卡箍上的接线柱相连，实现牺牲阳极与被保护结构杆件的电连接。

图1 快速连接卡箍装置

该快速连接卡箍装置结构简单、安装方便，能够有效降低安装成本。除了可以为牺牲阳极提供快速电连接，还具备搭载参比电极、固定电缆、固定阴极点等多种功能。

快速连接卡箍装置的安装方式如图2所示。设计的环形卡箍直径略大于被保护的结构杆件，底部的两片张力板分别由弹簧拉紧。安装时将两片张力板扳向卡箍架一侧，使结构杆件能顺利滑入环形卡箍内，当结构杆件滑入环形卡箍后，弹簧将张力板拉紧，钢管滑入后，张力板被弹簧拉紧，紧紧抵住结构杆件，使自身固定在钢管上。这时轻轻旋转位于顶端的手柄顶针，顶针向下紧紧顶在结构杆件上，通过顶针顶部的尖端与钢管实现电连接（如果结构杆件表面有涂覆涂层，则应旋紧手柄顶针使顶针尖端刺破涂层实现电连接）。在旋转手柄顶针将顶针压紧结构杆件过程中，杆件向下滑，张力挡板被弹簧拉动使之紧紧抵在钢管上，保证了整个装置的固定与电连接。拆卸时只需旋松手柄顶针，搬动张力板即可将快速连接卡箍取下。

图2 快速连接卡箍安装示意

2 新型牺牲阳极的研究

研制的新型牺牲阳极结构示意见图3，截面为“T”形。相比于常规牺牲阳极，主要增加了较薄的“T”形侧翼结构。这种结构形式增加了牺牲阳极的表面积，能够更好地满足结构物初期极化所需较大保护电流密度的需求，使被保护结构物能够在初期实现快速极化[3]，同时由于“T”形侧翼结构部分相对较薄，在初期快速极化被消耗后，牺牲阳极的截面基本上恢复到常规的梯形截面，后续提供的保护电流降低，从而与中期稳定维持期需要的较小保护电流密度匹配。通过初期加速极化，使得结构物表面快速形成钙质沉积层，整体上降低牺牲阳极的用量，节约了成本。

图3 新型牺牲阳极结构示意/mm

海洋工程结构物阴极保护装置中使用的牺牲阳极多为铝基牺牲阳极[4]。本文研究的新型牺牲阳极为铝-锌-铟系合金牺牲阳极，其组成成分见表1。

表1 新型铝基牺牲阳极成分

根据GB/T 17848—1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》，对新型牺牲阳极进行了电化学性能测试[5]，计算了实际电容量和牺牲阳极的消耗率，结果见表2。从表2可以看出，新型牺牲阳极的电化学性能符合GB/T 4948—2002《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》中的实际电容量≥2 400 Ah/kg和消耗率≤3.65 kg/(A·a)的要求[6]。

表2 新型牺牲阳极的电化学性能

3 快速连接新型牺牲阳极样机研制及实际海洋测试

3.1 快速连接新型牺牲阳极样机研制

在快速连接卡箍装置和新型牺牲阳极的研究基础上研制了快速连接新型牺牲阳极样机，如图4所示。快速连接新型牺牲阳极样机主要由牺牲阳极吊舱（包括吊耳、支架和支脚等支撑结构）、快速连接卡箍及连接电缆组成。

图4 快速连接牺牲阳极样机示意

为了对比测试新型牺牲阳极和常规牺牲阳极的性能，分别采用相同质量的新型牺牲阳极和常规牺牲阳极制作了牺牲阳极样机，上部是由角钢焊接的正方形框架，框架上安装有吊环，方便吊装；底部也是由角钢焊接而成的正方形框架，框架的每个角有一个角钢支脚，保证整个结构稳固性，如图5所示。其中每根牺牲阳极质量约50 kg，总质量200 kg。

图5 牺牲阳极样机

3.2 快速连接新型牺牲阳极样机实际海洋测试

设备样机制作完成后进行一年的实际海洋测试，测试新型牺牲阳极和常规牺牲阳极发生电流的变化，并对比其性能。

测试地点选择在青岛海洋腐蚀研究所海水试验站内，试验站内的海水处于流动状态，为新鲜的天然海水，有一定的含沙量，可以较好地模拟牺牲阳极的实际工作环境。试验站内在天文大潮时最低潮位水深仍可达4 m左右，天文大潮水深可到8 m，保证了牺牲阳极的全天候不间断运行。海水流速0.1～0.5 m/s，便于测试牺牲阳极与结构物电连接的可靠性。采用ZF-10B数据采集存储器采集数据，采集器为高精度多通道电流采集器，可同时采集4路电流。

图6为试验样机在实际海洋测试3个月左右的照片，从图中可以看出新型牺牲阳极和常规牺牲阳极表面均溶解均匀，未见局部腐蚀脱落或坑洞，尺寸变化微小。

图6 实际海洋测试照片

图7～图10为实际海洋测试牺牲阳极发生电流对比图，分别对应的实际海洋测试时间是300 h、3个月、6个月、10个月。从图7可以看到实际海洋测试的前300 h新型牺牲阳极较常规牺牲阳极发生电流多出50%。牺牲阳极发生电流呈现周期性变化，原因是发生电流随潮汐变化，24 h为一周期，涨潮时发生电流逐渐增加，退潮发生电流减小。测试结果验证了“T”形截面新型阳极能够在初期发出较大保护电流。

图7 前300 h牺牲阳极发生电流对比

图8 第3个月牺牲阳极发生电流对比

图9 第6个月牺牲阳极发生电流对比

图10 第10个月牺牲阳极发生电流对比

从图8中可以看出3个月后新型牺牲阳极与常规牺牲阳极发生电流大小趋势发生改变，新型牺牲阳极发出电流最大值和最小值分别为1.7 A和0.8 A，常规牺牲阳极发出电流最大值和最小值分别为2.1 A和1.0 A，新型牺牲阳极较常规牺牲阳极发出电流低20%左右，表现出“节约”阳极特征；分析原因为新型牺牲阳极初期发生电流大，钢结构快速极化达到保护，后期需要电流减小，而常规牺牲阳极未表现出此特点，可为后期大型牺牲阳极实际海洋性能测试的系统设计、实施方案提供参考依据。从图9和图10可以看出新型牺牲阳极和常规牺牲阳极发生电流规律与第3个月基本相同，新型阳极都表现出节约阳极特征，同时牺牲阳极的发生电流随潮汐和季节水温的不同有所变化。