番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)修復(fù)方案設(shè)計(jì)與安裝實(shí)踐

許慶華 吳志偉 王曉東 張 軍

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司)

番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)修復(fù)方案設(shè)計(jì)與安裝實(shí)踐

許慶華 吳志偉 王曉東 張 軍

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司)

在營(yíng)運(yùn)1年后的年度水下檢查中,發(fā)現(xiàn)番禺30-1氣田平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)存在保護(hù)不足的問(wèn)題。為此,開(kāi)展了該氣田平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)修復(fù)方案研究,最終采用了Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)的修復(fù)方案,并進(jìn)行了方案設(shè)計(jì),主要包括水下陽(yáng)極橇塊設(shè)計(jì)、預(yù)保護(hù)面積計(jì)算、保護(hù)電流計(jì)算、水下陽(yáng)極與導(dǎo)管架距離計(jì)算、水下陽(yáng)極之間距離計(jì)算、水下電纜的規(guī)格及長(zhǎng)度設(shè)計(jì)、電纜棄頭設(shè)計(jì)等。通過(guò)一系列優(yōu)化措施與風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略的實(shí)施,實(shí)現(xiàn)了該氣田平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)的成功安裝,取得了很好的保護(hù)效果,可為其他類似導(dǎo)管架提供經(jīng)驗(yàn)。

番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架;陰極保護(hù)系統(tǒng);修復(fù)方案;設(shè)計(jì)與安裝

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是一項(xiàng)比較成熟的防腐技術(shù),在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。近30年來(lái),外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速,在國(guó)內(nèi)的港口工程水下鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)方面已有應(yīng)用實(shí)例[1],而采用外加電流有效防止海洋環(huán)境下的船舶腐蝕破壞也是當(dāng)今世界各國(guó)的普遍做法[2]。但是,由于外加電流陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的保護(hù)不夠理想,系統(tǒng)容易在安裝和操作過(guò)程中受到損傷,且容易產(chǎn)生過(guò)保護(hù)現(xiàn)象,所以在導(dǎo)管架保護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例還比較少。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,外加電流系統(tǒng)的各個(gè)部件,如輔助陽(yáng)極、參比電極、控制電源等技術(shù)的逐漸成熟[3-4],外加電流陰極保護(hù)技術(shù)也開(kāi)始在導(dǎo)管架腐蝕保護(hù)中廣泛應(yīng)用。

番禺30-1氣田位于香港東南部240 km的中國(guó)南海珠江口盆地,平均水深200 m。該氣田平臺(tái)在下水前預(yù)裝了犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)系統(tǒng),用于對(duì)平臺(tái)導(dǎo)管架水下部分的防腐保護(hù)。在2009年及2010年ROV水下陰極保護(hù)系統(tǒng)檢查中均發(fā)現(xiàn),導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)EL-100 m以下到海床(EL-198 m)結(jié)構(gòu)電位均沒(méi)有達(dá)到DNV對(duì)于腐蝕保護(hù)電位(-800 m V vs.Ag/AgCl)[5]的最低要求,同時(shí)平臺(tái)水深-100 m以下部分犧牲陽(yáng)極本身電位異常,未正常工作,導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的浮銹。同時(shí),該氣田平臺(tái)上陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)到的數(shù)據(jù)也表明陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)不足。根據(jù)安全生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備完整性管理的需要,確定進(jìn)行番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)修復(fù)工作,為此開(kāi)展了陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),并進(jìn)行了成功安裝,取得了很好的保護(hù)效果。

1 陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)不足的原因分析及修復(fù)方案的選擇

1.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)不足的原因分析

分析認(rèn)為,番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架出現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)不足的情況可能是由于南海東部海域復(fù)雜的海況引起的。南海東部海域海水成分不均,存在較強(qiáng)的內(nèi)波等都對(duì)陽(yáng)極的保護(hù)存在很大的影響。如果該氣田平臺(tái)失去腐蝕保護(hù),將大大縮短平臺(tái)的使用壽命,再加上局部腐蝕的存在,也使我們無(wú)法預(yù)估平臺(tái)的使用年限,從而有可能出現(xiàn)突發(fā)性的事故,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)該氣田平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)修復(fù)至關(guān)重要。

1.2 修復(fù)方案的選擇

陰極保護(hù)大致可以分為2種方式:采用犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng),其中外加電流保護(hù)系統(tǒng)還分VTA陰極保護(hù)系統(tǒng)和Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)。表1是這幾種陰極保護(hù)修復(fù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表1 3種陰極保護(hù)修復(fù)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)修復(fù)項(xiàng)目選擇采用Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)。Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)主要是將Retrobuoy陽(yáng)極放于離平臺(tái)30～100 m的海床上,通過(guò)電纜線連接到平臺(tái)頂端。由于Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)可以通過(guò)ROV安裝,安裝陽(yáng)極的深度可達(dá)到水深600 m,每組陽(yáng)極安裝時(shí)間只需要6～8 h,所以番禺30-1平臺(tái)4組陽(yáng)極的安裝整個(gè)過(guò)程不到32 h,可以為平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)修復(fù)項(xiàng)目節(jié)省大量的海上安裝費(fèi)用。

另一方面,Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)的安裝及存在對(duì)平臺(tái)本身沒(méi)有任何危害,同時(shí)可結(jié)合平臺(tái)上部現(xiàn)有的導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)管架陰極保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以在平臺(tái)上實(shí)時(shí)調(diào)整該保護(hù)系統(tǒng)輸出電流參數(shù)。此外,水下安裝部分距離平臺(tái)有一定距離,不會(huì)對(duì)平臺(tái)底部產(chǎn)生安全隱患問(wèn)題,可結(jié)合每年的ROV水下檢查情況,了解該裝置的現(xiàn)狀及對(duì)平臺(tái)的保護(hù)情況。當(dāng)然,平臺(tái)應(yīng)急撤離短時(shí)斷電也不影響人員返回平臺(tái)后繼續(xù)開(kāi)啟使用。

2 Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由輔助陽(yáng)極、參比電極、智能控制的直流電源及相關(guān)連接電纜組成。當(dāng)電流接通后,電流從輔助陽(yáng)極經(jīng)海水至導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形成閉合電路,不間斷地為被保護(hù)的導(dǎo)管架表面提供電子,在金屬表面富集電子,使導(dǎo)管架表面發(fā)生陰極極化,從而達(dá)到降低甚至完全遏制導(dǎo)管架水下金屬表面腐蝕的目的。

番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前工作包括對(duì)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)勘查、平臺(tái)上的線路安排以及導(dǎo)管架情況的勘查,并借助年度ROV檢測(cè)報(bào)告了解海底情況,同時(shí)對(duì)導(dǎo)管架預(yù)裝的犧牲陽(yáng)極故障原因進(jìn)行分析,并對(duì)陽(yáng)極分布進(jìn)行評(píng)估。Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括:

1)水下陽(yáng)極橇塊設(shè)計(jì)。水下陽(yáng)極橇塊包括安裝在模塊上的4個(gè)浮力混合金屬氧化物陽(yáng)極管,其設(shè)計(jì)要求為可以在額定最大工作電流(500 A)下工作20年,設(shè)計(jì)時(shí)考慮混合金屬氧化物陽(yáng)極有25%的冗余,同時(shí)確保電纜連接暢通后對(duì)陽(yáng)極橇塊進(jìn)行密封,防止海水入侵,確保陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命。浮力混合金屬氧化物陽(yáng)極管能夠承受水下200 m的海水壓力,橇塊上的接線盒和電纜終端在整個(gè)制造、岸上連接和海上安裝階段都要進(jìn)行全面的負(fù)載輸出和輸出測(cè)試。水下陽(yáng)極橇塊安裝時(shí)均配置一個(gè)電纜彎曲限制器,確保安裝過(guò)程中不損壞水下電纜。圖1為番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管陰極保護(hù)系統(tǒng)水下陽(yáng)極橇塊設(shè)計(jì)圖。

圖1 番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)水下陽(yáng)極橇塊設(shè)計(jì)圖

2)預(yù)保護(hù)面積計(jì)算。Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)預(yù)保護(hù)面積計(jì)算需要考慮水下不同深度的裸鋼表面積,這是因?yàn)椴煌畹穆沅搯挝幻娣e需要的電流不同。經(jīng)計(jì)算,番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)需要保護(hù)的裸鋼面積如表2所示。

3)保護(hù)電流計(jì)算。保護(hù)電流計(jì)算公式為

式(1)中:I為電流,A;i為電流密度,m A/m2;A為保護(hù)面積,m2。

表2 番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)需保護(hù)的裸鋼面積及保護(hù)電流計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)需要的保護(hù)電流如表2所示,整個(gè)導(dǎo)管架需要的保護(hù)電流總量為4 179.58 A。

4)水下陽(yáng)極與導(dǎo)管架距離計(jì)算。根據(jù)海水中電壓、電流輸送規(guī)律,計(jì)算出水下陽(yáng)極在導(dǎo)管架周圍布置的合適位置,并避免產(chǎn)生過(guò)保護(hù)。經(jīng)計(jì)算,番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)電壓在不同水深的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)電壓在不同水深的變化趨勢(shì)

5)水下陽(yáng)極之間距離計(jì)算。為了維持低陽(yáng)極電阻和電壓,并滿足《Code of Practice for Safe Use of Electricity Underwater》中水下使用電壓小于30 V的要求,計(jì)算了4個(gè)水下陽(yáng)極之間的距離并確定其與番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架各面的位置,以保證水下陽(yáng)極發(fā)出的電流能夠?qū)?dǎo)管架水下的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行有效的保護(hù),最終確定的水下陽(yáng)極位置如圖3所示。

6)水下電纜的規(guī)格、長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。水下電纜的規(guī)格、長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要滿足電流輸送、深水高壓、安裝強(qiáng)度等要求。通過(guò)設(shè)計(jì)分析,4條水下電纜設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別為650、500、425、425 m,直徑設(shè)計(jì)為39.63 mm。

7)電纜拋棄頭設(shè)計(jì)。電纜拋棄頭專門為應(yīng)急情況時(shí)使用而設(shè)計(jì),是為了在海上施工中遭遇臺(tái)風(fēng)等極端海況時(shí),可以暫時(shí)把電纜拋棄至海中,并在過(guò)后方便時(shí)打撈上來(lái)。電纜拋棄頭的設(shè)計(jì)需要考慮其在拋棄電纜時(shí)在深水環(huán)境中的密封性及打撈電纜時(shí)的強(qiáng)度要求,同時(shí)還需要考慮其與電纜的連接方式,避免在作業(yè)過(guò)程中可能對(duì)電纜的傷害。番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)電纜拋棄頭示意圖如圖4所示。

圖3 番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)水下模塊布置圖

圖4 番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)電纜拋棄頭示意圖

3 Retrobuoy陰極保護(hù)系統(tǒng)海上安裝

3.1 安裝步驟

1)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)所需要的平臺(tái)上部進(jìn)行改造。這部分工作主要是進(jìn)行安裝變壓整流器、連接配電間到變壓整流器的交流電纜和連接變壓整流器到接線盒的直流電纜,并對(duì)所鋪設(shè)的電纜路由區(qū)域搭設(shè)電纜橋架,對(duì)電纜進(jìn)行固定。

2)陰極保護(hù)系統(tǒng)水下模塊安裝及電纜的連接。番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)水下模塊的安裝由ROV、船舶和定位人員配合進(jìn)行作業(yè);4條陰極保護(hù)系統(tǒng)直流電纜和2條參比電極電纜由5號(hào)電纜護(hù)管連接到平臺(tái)上。

3)EL-20 m水平層參比電極的安裝及電纜的連接。2個(gè)參比電極由潛水員安裝并固定在-20 m水平層的原電纜護(hù)管上,同時(shí)為了保護(hù)參比電極電纜不受破壞,在潮差帶到-20 m處安裝新電纜護(hù)管,參比電極電纜穿過(guò)新加護(hù)管連接到水面接線盒。

圖5為番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝完成后的總體示意圖。安裝完成后測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)管架有很好的保護(hù)作用,效果良好。

圖5 番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)總體安裝示意圖

3.2 優(yōu)化措施及效果

1)使用電纜護(hù)管穿4條海底電纜,節(jié)省了電纜管卡的使用,減少了大量的設(shè)備成本和安裝成本。

2)在電纜收放作業(yè)中,采用單個(gè)滾筒卷4根電纜,且4根電纜同時(shí)收放的安裝方式,避免了電纜在海底可能纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。

3)對(duì)水下陽(yáng)極進(jìn)行編號(hào)1#～4#,在海上安裝時(shí)1#、2#陽(yáng)極塊同時(shí)起吊下放,解決了電纜長(zhǎng)度不足問(wèn)題,同時(shí)使用支撐架進(jìn)行隔絕,避免了陽(yáng)極碰撞問(wèn)題。

4)確定水下陽(yáng)極安裝準(zhǔn)確坐標(biāo),并使用ROV提前對(duì)安裝區(qū)域和電纜布置區(qū)域進(jìn)行清理,確保電纜不掛上水下雜物。

3.3 主要風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)策略

1)邀請(qǐng)第三方檢驗(yàn)發(fā)證機(jī)構(gòu)DNV認(rèn)證,全程跟蹤設(shè)計(jì)、制造、安裝過(guò)程。

2)針對(duì)水下模塊進(jìn)行了土壤承載力分析,結(jié)果表明水下模塊安裝位置承載力滿足要求。

3)針對(duì)在電纜提拉作業(yè)中4根海底電纜同時(shí)穿護(hù)管可能被卡住的風(fēng)險(xiǎn),提出了多套解決方案,并召開(kāi)了多次專家審查會(huì)進(jìn)行論證篩選,最終順利地完成了電纜提拉的作業(yè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)修復(fù)項(xiàng)目從前期研究、設(shè)計(jì)制造、海上安裝到最后的調(diào)試運(yùn)行均很順利地完成,最后的測(cè)試結(jié)果也表明該氣田平臺(tái)導(dǎo)管架取得了很好的保護(hù)效果,說(shuō)明本項(xiàng)目中采用的Retrobuoy遠(yuǎn)程陰極保護(hù)系統(tǒng)是導(dǎo)管架完整性管理的解決手段。隨著超期服役導(dǎo)管架平臺(tái)數(shù)量的增加,這一做法可以在部分陰極保護(hù)系統(tǒng)失效的平臺(tái)推廣使用。此外,番禺30-1平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)修復(fù)方案設(shè)計(jì)與安裝實(shí)踐中所采取的多種風(fēng)險(xiǎn)分析和優(yōu)化措施,可以為以后其他相關(guān)項(xiàng)目提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] 李天.外加電流陰極保護(hù)在工程上的應(yīng)用實(shí)例[J].港口科技, 2007(8):29-32.

[2] 朱偉民.船舶腐蝕及其控制研討[J].船舶物資與市場(chǎng),2002(1): 33-44.

[3] 黃永昌.電化學(xué)保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù),2000,21(4): 191-194.

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[5] 挪威船級(jí)社.陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[S].2005.

The repair program design and installation of PY30-1 jacket cathodic protection system

Xu Qinghua Wu Zhiwei Wang Xiaodong Zhang Jun
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067)

After one year of operation,the insufficient protection issue was found in PY30-1 jacket cathodic protection system in the annual underwater inspection.So the repair program was researched for the platform jacket cathodic protection system,and finally the Retrobuoy remote cathodic protection system was adopted for the program. The program includes underwater skid cathodeblock design,pre-protection area calculation,protection current calculation,underwater anode-jacket distance calculation,anode-anode distance calculation,underwater cable size and length design and the cable abandon head design.The cathodic protection system was installed successfully in the gas platform jacket through a series of optimization and strategies for the risk,with good protective effect achieved.It can provide experience for other similar jacket.

PY30-1 jacket;cathodic protection system;repair program;design and installation

2013-11-21改回日期:2014-02-25

(編輯:葉秋敏)

許慶華,男,高級(jí)工程師,主要從事海洋石油采油及設(shè)施完整性方面的研究。地址:廣東省深圳市南山區(qū)蛇口工業(yè)二路1號(hào)海洋石油大廈(郵編:518067)。