石油平臺水下部分陰/陽極監(jiān)測系統(tǒng)*

王在峰

(中海油信息科技有限公司北京分公司，北京　100027)

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石油平臺水下部分陰/陽極監(jiān)測系統(tǒng)*

王在峰

(中海油信息科技有限公司北京分公司，北京100027)

【目的】對石油平臺水下部分的陰極保護(hù)狀況進(jìn)行長期監(jiān)測評價(jià)，以保證平臺安全?！痉椒ā客ㄟ^實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)篩選電位及電流探頭，然后在現(xiàn)場布設(shè)陰/陽極電位監(jiān)測探頭、陽極電流監(jiān)測探頭，并開展長期監(jiān)測實(shí)驗(yàn)?！窘Y(jié)果】10個陰極監(jiān)測點(diǎn)的電位數(shù)據(jù)均為-1 031～1 009 mV，6個陽極監(jiān)測點(diǎn)的電位數(shù)據(jù)在陽極的正常工作電位范圍內(nèi)，陽極的發(fā)生電流為1.30～1.55 A。【結(jié)論】打樁中探頭未出現(xiàn)損壞情況，均獲取了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，10個陰極監(jiān)測點(diǎn)的電位達(dá)到保護(hù)要求，6個受監(jiān)測陽極工作正常。

陰極保護(hù)腐蝕監(jiān)測電位探頭電流探頭

0　引言

【研究意義】為降低石油平臺水下部分的腐蝕，在石油平臺的水下部分安裝犧牲陽極或者外加電流系統(tǒng)已經(jīng)成為美國防腐工程師協(xié)會(NACE)和挪威船級社(DNV)的推薦做法[1]。但是很多石油平臺打樁到位以后，需要服役20年以上，有的平臺甚至需要延長壽命繼續(xù)生產(chǎn)，水下部分的陰極鋼表面的保護(hù)狀態(tài)、陽極部分的工作電位和發(fā)生電流直接反應(yīng)了保護(hù)效果，因此必須對陰極鋼表面的電位、陽極工作電位和發(fā)生電流進(jìn)行長期實(shí)時(shí)的采樣[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前關(guān)于石油平臺水下結(jié)構(gòu)的陰極及陽極的監(jiān)測主要有兩個技術(shù)流派。一是后期安裝，在平臺下水以后，采取潛水作業(yè)進(jìn)行探頭布設(shè)及安裝采集系統(tǒng)。孫虎元等[3]和孫寧松等[4]在渤海數(shù)座平臺設(shè)計(jì)了陰極及陽極采樣系統(tǒng)，由于其采樣水深較淺，且平臺有較好的涂裝，多數(shù)地方保護(hù)較好，可以大大減少采樣點(diǎn)數(shù)量，主要選擇兩塊陽極間隔的中間部位作為薄弱點(diǎn)進(jìn)行采樣分析。這是符合渤?？拷哆叺钠脚_的實(shí)際情況的。二是前期安裝，在平臺下水之前預(yù)選部分節(jié)點(diǎn)及陽極進(jìn)行探頭布設(shè)。文獻(xiàn)[5-9]在平臺中抽出兩根主樁腿的陽極、節(jié)點(diǎn)等處布設(shè)采樣點(diǎn)，主要是為保證采樣系統(tǒng)的耐久性及可靠性。通過在主樁腿焊接牢靠的護(hù)管和結(jié)實(shí)的探頭實(shí)現(xiàn)長期的持久采樣，部分探頭下水十幾年后還在穩(wěn)定地工作，對于一些結(jié)構(gòu)除考慮主樁腿外，還在斜撐設(shè)立分支采樣點(diǎn)，為與斜撐相配套，其設(shè)計(jì)的護(hù)管及探頭體型小，這樣做的好處是照顧了部分細(xì)小結(jié)構(gòu)，精度較好?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】吸收以上兩種技術(shù)流派的優(yōu)點(diǎn)，以一個八樁腿的平臺(共有陽極325塊，在水下部分的結(jié)構(gòu)分3層)為分析對象，設(shè)計(jì)陰/陽極監(jiān)測系統(tǒng)[10]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)對電位及電流探頭進(jìn)行篩選，現(xiàn)場布設(shè)陰/陽極電位監(jiān)測探頭、陽極電流監(jiān)測探頭，并開展長期監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

1　材料與方法

1.1探頭的實(shí)驗(yàn)室篩選

1.1.1電位測量探頭

用于測量平臺水下部分陰極保護(hù)電位及犧牲陽極工作電位的電位測量探頭為長效、防污損生物附著的電極(Ag/AgCl，Zn)電位測量探頭。Ag/AgCl電極材料采用純度≥99.95% AR級試劑制備。Zn合金電極材料采用高純鋅(99.995%)材料制備，雜質(zhì)Fe≤0.0009%，Cu≤0.0005%。在安裝前，探頭(含一個備用探頭)均在海水中(恒溫25℃)進(jìn)行為期20 d的性能測試，用標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極(SCE)分別測量兩種電極的電極電位。

1.1.2犧牲陽極電流測量探頭

用于平臺犧牲陽極電流檢測探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)：測量電流為0.1～10(20)A，取樣標(biāo)準(zhǔn)電阻為0.005 Ω。每個電流探頭分別用直流恒流電流1.0 A和5.0 A測試，并分別用Fluke 8845A數(shù)字萬用表測量其相應(yīng)電壓。

1.2探頭的現(xiàn)場布設(shè)

1.2.1陰極電位探頭布設(shè)

平臺水下3層的深度分別為6.2 m，20.3 m和33.6 m。為了全面了解平臺水下導(dǎo)管架陰極保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)，選擇A1、A2和B3、B4樁腿及3個水平層上共10個代表點(diǎn)(表1)，安裝平臺水下導(dǎo)管架陰極保護(hù)電位測量探頭。探頭外部為鋼殼，將實(shí)驗(yàn)室篩選過的Ag/AgCl電極和高純Zn電極封裝在殼內(nèi)，只留電極的工作面，并用樹脂密封；殼外部設(shè)銅網(wǎng)作為防污損過濾網(wǎng)。該結(jié)構(gòu)具有抗強(qiáng)烈沖擊和振動能力，能承受與平臺水深相應(yīng)的壓力，并具有長效和防污損生物附著的特點(diǎn)。

表1陰極電位探頭位置

Table 1The positions of monitoring probes of cathode

探頭編號Numberofprobe安裝深度(水下)Installationdepth(underwater,m)安裝位置InstallationlocationT16.2A1A2樁腿間1/2處InthemiddleoflegA1A2T26.2A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1T320.3A2B2樁腿間1/2處InthemiddleoflegA2B2T420.3A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1T533.6A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1T633.6A2樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA2T76.2B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4T820.3B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4T933.6B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4T1033.6B3樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB3

1.2.2犧牲陽極的電流監(jiān)測探頭布設(shè)

在平臺導(dǎo)管架水下部分陰極保護(hù)系統(tǒng)中，犧牲陽極為平臺導(dǎo)管架提供其所需的陰極保護(hù)電流，其性能好壞直接決定了平臺水下導(dǎo)管架能否得到有效保護(hù)而免遭腐蝕破壞。根據(jù)平臺水下導(dǎo)管架的深度及節(jié)點(diǎn)的分布，分別在A1腿和B4腿的水下6.2 m、20.3 m和33.6 m節(jié)點(diǎn)處選擇6支陽極作為代表性陽極(表2)，監(jiān)測其陽極的工作電位和輸出電流。陽極工作電位測量探頭采用Ag/AgCl電極和高純Zn電極電位測量探頭，陽極輸出電流測量采用無源陽極電流測量探頭，被監(jiān)測陽極采用絕緣法來使陽極與平臺導(dǎo)管架絕緣。

1.3監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(包括信號調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換板、微機(jī)、打印機(jī)及相應(yīng)軟件)安裝在中控室的多層儀器架上，用來自動巡回采集、存貯、顯示和打印水下探頭的測量結(jié)果。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果，并對異常數(shù)據(jù)具有報(bào)警功能，同時(shí)，對水下電位測量探頭實(shí)施保護(hù)和養(yǎng)護(hù)，確保探頭能長期、穩(wěn)定地工作。本研究監(jiān)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從平臺下水穩(wěn)定運(yùn)行半年后開始截取。為確認(rèn)監(jiān)測結(jié)果的正確性，在水下特檢時(shí)用人工測量的方式獲取各點(diǎn)的特檢數(shù)據(jù)值。

表2陽極監(jiān)測探頭位置

Table 2The positions of monitoring probes of anode

探頭編號Numberofprobe測量對象Measurementobject安裝深度(水下)Installationdepth(underwater,m)安裝位置InstallationlocationA1電位Potential6.2A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1C1電流Current6.2A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1A2電位Potential20.3A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1C2電流Current20.3A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1A3電位Potential33.6A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1C3電流Current33.6A1樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegA1A4電位Potential6.2B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4C4電流Current6.2B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4A5電位Potential20.3B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4C5電流Current20.3B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4A6電位Potential33.6B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4C6電流Current33.6B4樁腿節(jié)點(diǎn)處AtthejointoflegB4

2　結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)室電位探頭篩選

由圖1可知，浸入海水10 d后，17個Ag/AgCl電極其電極電位均穩(wěn)定在9.22～9.96 mV，其最大電位波動值≤0.74 mV。而在整個測試期間，Ag/AgCl最小電極電位值≥8.10 mV，最大電極電位值≤9.96 mV，其最大誤差≤2 mV，遠(yuǎn)低于DNV規(guī)范規(guī)定5 mV的誤差范圍；17個Zn電極電位值均穩(wěn)定在-1 058～-1 050 mV，其電位最大波動值≤8 mV，遠(yuǎn)低于DNV規(guī)范規(guī)定的20 mV誤差范圍。表明以上電極電位測量探頭的性能優(yōu)良，均符合國際船檢機(jī)構(gòu)的要求。

圖1Ag/AgCl和Zn海水電極電位穩(wěn)定性測試結(jié)果

Fig.1The test results of potential stability for Ag/AgCl and Zn electrodes in seawater

2.2實(shí)驗(yàn)室電流探頭篩選

根據(jù)表3的誤差分析，7號和8號探頭的誤差較大，因此，應(yīng)選擇1號到6號探頭作為最終的安裝探頭。

表3電流探頭取樣電阻值檢測結(jié)果

Table 3The test results of samplings resistance of current probe

探頭編號Numberofprobe電流表讀數(shù)Valueofcurrentmeter(A)電壓表測量值Valueofvoltagemeter(mV)探頭測量值Valueofprobe(A)誤差Error(%)11.0045.031.006+0.2004.99925.065.012+0.26021.0075.031.006-0.0994.99624.944.988-0.16031.0045.011.002-0.2004.99124.934.986-0.10040.9995.001.000+0.1005.01625.115.022+0.12051.0095.041.008-0.1004.99324.934.986-0.14061.0065.021.004-0.2005.00724.994.998-0.18071.0045.041.008+0.4005.00825.145.028+0.40081.0004.970.994-0.6005.01224.944.988-0.480

2.3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

如圖2所示，下水半年穩(wěn)定后，Ag/AgCl電極總體電位為-1 031～-1 009 mV，Zn電極總體電位為20～40 mV。說明測量點(diǎn)的陰極電位均達(dá)到NACE標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)要求，由于陽極是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)布設(shè)的，測量的陰極點(diǎn)也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮薄弱點(diǎn)布設(shè)，所以各層之間的電位不具有一定的規(guī)律性。Ag/AgCl電極和Zn電極的電位差在1 050 mV左右，說明兩種電極滿足工程測量的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖210個陰極監(jiān)測探頭的Ag/AgCl電極電位和Zn電極電位

Fig.2The potential on Ag/AgCl and Zn of 10 monitoring points of cathodes

圖3為所有陰極監(jiān)測點(diǎn)自動監(jiān)測電位的平均值與人工測量得到的電位平均值的相關(guān)性圖(均為Ag/AgCl電極)。方差為0.997 3，兩者之間有較好的相關(guān)性，證明所布設(shè)的陰極監(jiān)測點(diǎn)探頭處于正常的工作狀態(tài)，能獲取準(zhǔn)確的電位數(shù)據(jù)。

由圖4可知，下水半年穩(wěn)定后，Ag/AgCl電極總體電位為-1 059～-1 050 mV，屬于鋁陽極的正常工作電位；Zn電極總體電位為-9～0 mV。各層之間的陽極電位不具有一定的規(guī)律性。Ag/AgCl電極和Zn電極的電位差在1 046～1 050 mV，說明兩種電極滿足工程測量的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5為6個陽極監(jiān)測點(diǎn)自動監(jiān)測電位平均值與人工測量電位平均值的相關(guān)性圖(均為Ag/AgCl電極)。方差為0.91，兩者之間有較好的相關(guān)性，證明所布設(shè)的陽極點(diǎn)探頭處于正常的工作狀態(tài)，能獲取準(zhǔn)確的電位數(shù)據(jù)。

圖3陰極監(jiān)測點(diǎn)自動監(jiān)測值與人工測量值的相關(guān)性

Fig.3Correlation between automatic monitoring and manual measurement of cathode

圖46個陽極監(jiān)測探頭的Ag/AgCl電極電位和Zn電極電位

Fig.4The potential on Ag/AgCl and Zn of 6 monitoring points of anodes

圖6為下水半年穩(wěn)定后長期監(jiān)測到的6個陽極的發(fā)生電流的平均值，為1.30～1.55 A，陽極發(fā)生電流較小，甚至小于NACE標(biāo)準(zhǔn)推薦的陽極電流值，說明在設(shè)計(jì)陽極總量時(shí)還是留了較大的余量。綜合圖2可以看出所抽測的6個陽極起到了保護(hù)作用，電位和電流值處于合理的區(qū)間，但陽極電流值小于最初的設(shè)計(jì)值，單就這6塊陽極的壽命要大于最初的設(shè)計(jì)壽命。

圖5陽極點(diǎn)自動監(jiān)測值與人工測量值的相關(guān)性

Fig.5Correlation between automatic monitoring and manual measurement of anodes

圖66個陽極發(fā)生電流

Fig.6The output current of 6 anodes

3　結(jié)論

監(jiān)測系統(tǒng)通過下水半年后穩(wěn)定運(yùn)行，工作正常，性能良好。其監(jiān)測結(jié)果表明，所測到的陰極點(diǎn)處于良好的保護(hù)狀態(tài)；陽極工作電位在合理的區(qū)間，發(fā)生電流小于最初的設(shè)計(jì)值和標(biāo)準(zhǔn)的推薦值，初步估計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)陽極量留了一定的余量；電位和電流監(jiān)測探頭的結(jié)構(gòu)承受了平臺導(dǎo)管架拖航、安裝等過程的強(qiáng)烈沖擊、震動，所有探頭均采集到了數(shù)據(jù)，性能良好。

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(責(zé)任編輯：陸雁)

Monitoring System for Cathode and Anode of Underwater Structures of One Offshore Platform

WANG Zaifeng

(CNOOC Information Technology Co.,Ltd.Beijing Branch，Beijing，100027，China)

【Objective】The study aimed to evaluate the effect of cathodic protection system and carry out long-term monitoring for cathodic protection system of an oil platform.【Methods】The monitoring probes of potential and current were selected through laboratory experiments and were installed in this platform.Long-term monitoring experiments were carried out to obtain the data of potential and current.【Results】The values of potential on 10 monitoring points for cathodes were between -1 031 mV and -1 009 mV.The values of potential on 6 monitoring points for anodes were in the range of working potential of anodes.The values of current of anodes were between 1.30 A and 1.55 A.【Conclusion】The probes were not damaged during piling and obtained accurate data.The protective potential of 10 monitoring points for the cathodes could reach the requirements and the 6 anodes of monitoring worked very well.

cathodic protection,corrosion monitoring,probes of potential,probes of current

2016-06-20

王在峰 (1980-)，男，高級工程師，主要從事海洋腐蝕與防護(hù)研究,E-mail:wangzf1@cnooc.com.cn。

TG174.41

A

1002-7378(2016)03-0180-05

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間:2016-08-26【DOI】10.13657/j.cnki.gxkxyxb.20160826.006

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1075.N.20160826.1048.012.html

*中國海洋石油公司綜合科研項(xiàng)目資助。