在役海洋石油导管架阴极保护评估技术研究

朱飞越，张国庆，齐江涛，刘宽禄，姚远

（海洋石油工程股份有限公司，天津，300451）

1 引言

导管架平台是目前海洋工程使用最广泛的一种海洋石油钢结构物平台，由于海洋是一个严酷的腐蚀环境，如果不采取有效的防腐措施，导管架平台在苛刻的海洋环境中必遭受腐蚀破坏，影响平台寿命和安全生产，增加平台维护成本[1-2]。

海洋石油导管架平台的全浸区腐蚀控制一般采用牺牲阳极阴极保护方法，随着早期采用牺牲阳极保护的开采工艺的不断提升，海洋石油平台导管架服役年限会相应增加，很多导管架平台已经接近甚至超出了当初阴极保护设计的使用年限。通过对导管架阴极保护系统进行检测，并对检测的结果进行评估分析，评价导管架阴极保护状态，可以为导管架阴极保护系统使用年限提供依据，同时掌握导管架阴极保护评估方法，提高导管架的利用效率，创造巨大的经济效益[1-2]。通过实例对导管架阴极保护设计参数、标准等分析，采用数学模型进行计算，根据计算结果分析导管架牺牲阳极阴极保护效果及使用年限[3-4]。

2 评估技术基础

在役海洋石油导管架阴极保护评估技术基础包括导管架结构示意图如图1、导管架阳极结构示意图如图2、阳极结构参数、导管架阴极保护设计参数、现阶段牺牲阳极尺寸及电位测量数据、现阶段导管架结构电位测量数据等[5]。

图1 导管架阳极结构示意图

3 实例评估分析

渤海某海洋石油平台导管架主要由上部模块、导管架和桩组成，平均水深5.7m。导管架平台2000年投产，设计寿命20年，目前平台及导管架即将到达服役年限。根据油田后期开发需要，导管架平台计划延期使用至2029年，因此需要对导管架平台进行延长使用期内的评估，以保证进入延长使用期时，牺牲阳极阴极保护满足设计和标准的要求。

本文选择渤海某实际导管架结构，采用数学模型对导管架的阴极保护系统的阳极进行检测，主要包括阳极尺寸，导管架表面被保护电位等。

3.1实例评估基础

阳极结构参数如表1，导管架阴极保护设计参数如表2，现阶段牺牲阳极尺寸及电位测量数据如表3，现阶段导管架结构电位测量数据如表4。

表1 阳极结构参数

表2 阴极保护设计参数

表3 现阶段牺牲阳极尺寸及电位测量数据表

表4 现阶段导管架结构电位测量数据表

3.1.1 小结

从表1 中阳极初始设计尺寸和表3 中阳极实测尺寸对比分析，可以看出导管架阳极尺寸有所减小，说明随着使用年限的增加阳极已逐步消耗。由表3和表4可以看出阳极电位实测值在-1061mV～-1085mV之间，钢结构电位实测值在-1006mV～-1042mV之间满足设计和标准DNVGL-RP-B401的要求，说明目前导管架阴极保护系统正常，导管架处在良好保护状态。

3.2 牺牲阳极阴极保护评估数学模型

依据DNVGL-RP-B401标准规范和检测阳极尺寸通过等效半径计算、电阻计算、电流计算等公式建立数学模型评估现阶段牺牲阳极阴极保护状态。

3.2.1 牺牲阳极发出电流数学模型

通过阳极尺寸计算牺牲阳极接水电阻，根据欧姆定律、阴极保护电位差计算每个阳极发出电流。对比分析导管架阳极发出总电流与导管架需求总电流之间的关联，评价导管架牺牲阳极阴极保护状态。

DNVGL-RP-B401规范，计算结果如表5。

表5 阴极保护电阻电流计算

本案例中的导管架共有154块牺牲阳极，本次共检测有代表性的阳极16块，。未测量阳极发出电流取16块阳极发出电流的平均值（表中列出平均值），得到导管架阳极发出总电流为612A。

由计算结果可以看出所有牺牲阳极可发出电流（612A）大于导管架阴极保护末期所需电流（399.8A），可知目前牺牲阳极能够很好地保护导管架，不存欠保护的风险。

3.2.2 牺牲阳极剩余使用年限数学模型

通过对牺牲阳极的消耗速率计算，等效牺牲阳极未来的消耗速率，计算分析牺牲阳极剩余使用年限。从而建立牺牲阳极使用年限的数学模型

基于2021年导管架延长设计使用年限特检及海生物清理检验报告，计算检测期到阴极保护末期阳极质量消耗，计算结果如表6。

表6 阳极质量消耗计算表

08 182 86 188.69 25.56 163.13 09 189 91 214.1 25.56 188.54 10 187 90 227.98 25.56 202.42 11 191 95 238.56 25.56 213 12 189 93 225.97 25.56 200.41 13 189 93 223.98 25.56 198.42 14 190 93 225.16 25.56 199.6 15 192 92 223.5 25.56 197.94 16 183 88 192.37 25.56 166.81

由于本次阳极尺寸共检验了16块有代表性阳极，未检测阳极按已检测16块阳极检测质量的平均值215.3kg考虑。未检测阳极按已检测16块阳极末期可消耗质量的平均值189.74kg考虑

因此，根据2021年的检测，阳极剩余总质量如下：

215.3×154=33156.21 (kg)

末期可消耗质量总和如下：

189.74×154=29219.96 (kg)

导管架从开始服役（2000年6月）到检测阶段（2021年6月）质量消耗如下：

255.6×154-33156.21=6206.19(kg)

阳极年平均消耗量如下：

6206.19÷19=295.54(kg/a)

剩余使用年限为：

29219.97÷295.54=98(a)

根据牺牲阳极消耗速率计算结果可知，本导管架牺牲阳极可以再继续使用98年，因此在2029年之前，导管架牺牲阳极阴极保护能够正常发挥作用。

3.2.3 结果校验数学模型

依据目前DNVGL-RP-B401规范，渤海区域导管架涂装区，全浸区，泥面以下部分中期电流密度分别为30mA/m2，70mA/m2，20mA/m2，渤海区域井口电流密度2A/井。由此，计算平台阴极保护系统中期电流需求见表7。

表7 中期电流需求计算表

从表7可以得出，导管架需要中期电流为346.8A。

导管架剩余使用年限为：

T=17.3 (年)

本次评估依据的检测报告中阳极检测日期为2021年5月，从标准设计的角度出发，导管架牺牲阳极还可安全运行17.3年，可以满足使用至2029年的要求。

4 结论

（1）通过对实例分析，掌握了一种在役海洋石油导管架阴极保护评估方法。

（2）从目前的检测结果可知，目前的导管架阴极保护系统满足原设计和标准的要求。

（3）实例中的在役导管架使用年限可以满足到2029年使用要求。