一种导管架平台立管镯式阳极安装夹具设计

2022-10-18张国亚陈志硕

石油和化工设备 2022年9期

张国亚，陈志硕

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520 ）

随着我国海洋石油工业的发展，技术较为成熟的导管架式平台被广泛应用于海洋石油开发工程中[1]。导管架平台一般由上部的生活组块、生产模块和下部的导管架、立管、钢桩等结构物组成[2]，其结构较为简单，在浅水油气的开发过程中应用较为广泛，是目前海洋油气资源开发的重要设施[3]。导管架平台的结构物一般为钢结构，如不采取有效的防腐措施，这些钢结构物极易在海水中发生严重的腐蚀，极大缩短平台服役寿命，造成巨大经济损失[4]。为了防止海水对导管架平台的腐蚀，工程人员通常在导管架平台上采用涂层防护和牺牲阳极阴极保护法两种主要防腐措施，并取得了良好的防腐蚀效果。涂层防护主要是通过对钢结构物涂装形成漆膜，从而将金属与环境分隔开，保护金属免受侵蚀[5]。牺牲阳极阴极保护法主要是将阳极材料通过阳极腿焊接到钢结构上，通过电偶作用溶解阳极，产生阴极保护电流，从而对平台钢结构起保护作用。

立管作为海洋工程结构系统的重要组成部分，是海洋平台上部生产设施管线与海底管道连接的重要管段，通常分为刚性立管和柔性立管[6,7]。对于立管的腐蚀防护通常采用涂装防腐涂层和安装镯式阳极的方法。本文以荔湾3-1导管架平台立管陆地建造施工为题，对立管镯式阳极安装工艺进行分析，设计了一种镯式阳极安装夹具，对于提高阳极安装效率和安装质量，降低操作人员劳动强度，节省费用等具有重要意义。

1 阳极安装工艺分析

安装在立管上的牺牲阳极一般为铝合金材质的镯式阳极，结构形式如图1所示。

图1 镯式阳极结构图[8]

1.1 焊接工艺

镯式阳极通常采用焊接方式固定在立管上，即首先剥离涂层，露出管体后再与阳极腿焊接固定，安装完阳极后再对破损涂层进行修补。该工艺存在如下缺点:

1. 为满足焊接需要，镯式阳极在焊接前需对立管已有防腐涂层进行打磨去除，由此造成大量的立管原有防腐层被破坏；

2. 被破坏的立管防腐层面积较大(平方米量级)，需采用热缩带、玛蹄酯等材料进行修补，修补程序复杂，浪费人力、物力。

3. 焊接过程中，焊接的热输入量较大，进一步破坏焊接区周围立管原有防腐层；

1.2 卡装工艺

镯式阳极还可采用卡装方式进行固定，与常规的焊接方式相比，此方法镯式阳极不需要直接焊接在立管上，而是通过阳极芯扁铁相互焊接使阳极半瓦抱紧固定于立管上，阳极和立管间的电连接采用电缆进行，如图2所示。采用该工艺，阳极破坏立管的防腐涂层面积小（平方厘米级），防腐层修补简便。

图2 镯式阳极卡装方式安装[9]

该工艺对镯式阳极的安装提出了更高的要求，需采用夹具在阳极上施加一定的压力，然后将镯式阳极的两个半片阳极进行焊接，使阳极抱紧在立管上。由于镯式阳极为环形，厚度薄，在对阳极使用夹具施加压力过程中，若施加的压力不够，阳极和立管间的摩擦力太小，阳极会在重力或振动的作用下滑动；若施加压力太大，则可能破坏阳极或立管。

2 镯式夹具设计

2.1 设计思路

为了满足镯式阳极卡装工艺的安装要求，需要考虑并解决的关键技术问题如下：

1. 压力需要均匀分布在阳极表面；

2. 保证阳极在安装过程中不受机械损伤；3. 准确控制施加在阳极上的压力。

基于此，设计发明了一套镯式阳极安装夹具，该夹具可以准确的控制施加压力，而且满足立管镯式阳极安装的要求。

该立管镯式阳极安装夹具，由两个碳钢半瓦组成，内部粘贴氯丁橡胶片，两个半瓦端部具有水平板，水平板上设有螺栓孔，两半瓦通过螺栓连接固定。通过力矩扳手张紧夹具上的螺栓，而达到在阳极上施加压力的目的（如图3所示）。

图3 镯式阳极安装夹具

2.2 施工步骤

该镯式阳极安装夹具在荔湾3-1导管架平台立管阳极安装上得到了充分应用，具体施工步骤如下：

1. 准备工作：根据立管的壁厚和材质，计算立管所能承受的最大压强，根据阳极和立管接触面积，计算需可以施加的最大压力Fmax；根据阳极的尺寸、重量和立管原有涂层的摩擦特性，计算固定阳极所需的最小压力Fmin。根据项目需要确定阳极安装过程中所需施加的压力F，该压力应小于等于立管可承受的压力Fmax，大于等于固定阳极所需的压力Fmin，既Fmin≤F≤Fmax。

2. 将阳极放置在立管上，阳极安装夹具放置在阳极外侧。

3. 使用力矩扳手旋转夹具上的螺栓，向阳极施加压力，直至达到所要求的压力。

4. 达到压力后，将两片镯式阳极间进行焊接固定，所有阳极安装均按照此步骤进行。