水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

對于深水水下油氣開采，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)模式已經(jīng)成為主流的深海油氣開采模式，水下生產(chǎn)系統(tǒng)包含有水下采油樹、海底管匯、海管終端、水下分配單元等等眾多水下生產(chǎn)設(shè)施，且由于水下系統(tǒng)的高可靠性和不可維護(hù)性的特點(diǎn)，對于這些深水水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文主要依據(jù)2011年版DNV RP B401陰極保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，介紹了水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)過程，同時也簡述了深水環(huán)境下陰極保護(hù)設(shè)計(jì)所需注意的主要事項(xiàng)。

水下生產(chǎn)設(shè)施；陰極保護(hù)；DNV-RP-B401

1 設(shè)計(jì)原則

水下生產(chǎn)設(shè)施通常結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包含有管線、閥門、管支架、控制系統(tǒng)分配單元等部件，因此可供犧牲陽極布置的空間較小，為了減少犧牲陽極用量，通常對水下設(shè)施的防腐主要采用犧牲陽極和水下防腐涂層聯(lián)合保護(hù)的方案。

水下生產(chǎn)設(shè)施通常不可維護(hù)和保養(yǎng)，因此要求水下設(shè)施必須具有較高的可靠性，出于此目的，水下生產(chǎn)設(shè)施的選材要求通常較常規(guī)海洋設(shè)施更高，因此對水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮陰極保護(hù)同不同金屬材料的匹配性問題，尤其對于某些高強(qiáng)鋼更應(yīng)該注意陰極保護(hù)對其的影響，考慮適當(dāng)?shù)慕^緣等措施，避免出現(xiàn)氫脆等過保護(hù)現(xiàn)象。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1 設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)和工藝參數(shù)

設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)主要指海水溫度、海水鹽度、pH值、海水/海泥電阻率、氧化還原電位；設(shè)計(jì)工藝參數(shù)主要包括水下設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)部位的長度、管徑、陽極類型、陰極保護(hù)極化電位和需要的電流密度等。

2.2 水下生產(chǎn)設(shè)施表面積的計(jì)算

水下生產(chǎn)設(shè)施表面積的計(jì)算包括主體結(jié)構(gòu)和附屬物，主要分為涂層覆蓋區(qū)域、裸鋼區(qū)域和海泥區(qū)域，分別計(jì)算出各個區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)表面積。

2.3 設(shè)計(jì)過程

水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是得到合理的陽極重量和陽極塊數(shù)，這個過程中會涉及到三個陽極塊數(shù)。

2.4 根據(jù)初期需要的保護(hù)電流確定的陽極塊數(shù)

首先需要確定需要的保護(hù)電流密度，根據(jù)DNV-RP-B 401（附錄A）進(jìn)行選取，該電流密度與水深和溫度有關(guān)，通常南海熱帶地區(qū)深海水下推薦的保護(hù)電流密度如表1：

表1 陰極保護(hù)所需電流密度

2.5 水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)電連續(xù)設(shè)計(jì)

水下生產(chǎn)設(shè)施通常存在有螺栓、鉸鏈等機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，同時針對典型的水下海管終端、水下管匯等設(shè)施，管線上通常不單獨(dú)設(shè)計(jì)陽極，依靠主結(jié)構(gòu)上陽極來保護(hù)，而管線支架墊有絕緣墊板，與主體鋼結(jié)構(gòu)絕緣，保護(hù)電流無法到達(dá)管線上，需額外考慮電連接。同時，對于機(jī)械連接方式，連接電阻較大，同時連接縫隙處若發(fā)生銹蝕將進(jìn)一步增加連接電阻，影響影響陽極輸出電流的均勻分布，進(jìn)而影響整體陰極保護(hù)效果，因此對水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護(hù)必須考慮電連續(xù)性設(shè)計(jì)。

對于水下生產(chǎn)設(shè)施的電連接設(shè)計(jì)，可以采用齒形墊片和電連接導(dǎo)線的方式。對典型水下管匯/海管終端管線與主結(jié)構(gòu)的電連接，可以在管線支架和管線上焊接帶螺栓孔的鋼制接線基板，然后采用帶齒形墊片的螺栓螺母來連接電導(dǎo)線，齒形墊片可以咬合進(jìn)入接線板和導(dǎo)線耳表面，保證管線和主體鋼結(jié)構(gòu)間的電連續(xù)性，保證一定的伸縮余量，以免管線位移或其他施工碰撞而將導(dǎo)線扯斷。

2.6 水下生產(chǎn)設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)上陽極的安裝布置

確定了滿足水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)所需要的陽極數(shù)量之后，需要進(jìn)行陽極的安裝布置設(shè)計(jì)，具體的原則如下：①陽極的安裝應(yīng)盡量保證均勻分布；②陽極應(yīng)焊接在結(jié)構(gòu)物內(nèi)側(cè)，防止下水安裝時將陽極損壞；③陽極應(yīng)安裝在結(jié)構(gòu)物保護(hù)面積集中的部位；④在后續(xù)的涂敷涂層作業(yè)過程中，已安裝好的陽極必須被很好的保護(hù)起來以保證陽極表面干凈清潔。

3 結(jié)論和建議

1）根據(jù)水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，得出了三個陽極塊數(shù)：根據(jù)初期需要的保護(hù)電流確定的陽極塊數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)壽命得到的陽極塊數(shù)；根據(jù)末期需要保護(hù)電流得到的陽極塊數(shù)。選取三者當(dāng)中最多的陽極塊數(shù)進(jìn)行校核，分別校核初期/末期保護(hù)電流和設(shè)計(jì)壽命是否滿足需要。

2）因水下生產(chǎn)設(shè)施和周邊海管等其他結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)都是獨(dú)立設(shè)計(jì)，所以要保證各自陰極保護(hù)計(jì)算的陽極數(shù)量足夠并且布置合理，互不干擾。

3）水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)必須考慮電連續(xù)性設(shè)計(jì)。

4）陽極的安裝布置應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況酌情處理，應(yīng)盡量保證均勻分布在水下生產(chǎn)設(shè)施保護(hù)面積集中的區(qū)域。

[1] 利軍，王春升，郭宏.水下生產(chǎn)系統(tǒng)清管方案研究[J].化工設(shè)備與管道，2013，50（S2）：79-80.

Design of Cathodic Protection System for Underwater Production Facilities

Qian Si-cheng

At present，the development model of underwater oil and gas exploitation and underwater production system has become the mainstream deep-sea oil and gas exploration mode.Underwater production system includes underwater oil production tree，submarine manifold，sea pipe terminal，underwater distribution unit And many other underwater production facilities，and because of the underwater system of high reliability and non-maintainability of the characteristics of the deepwater underwater production facilities for the cathodic protection design is particularly important.Based on the design of DNV RP B401 cathodic protection design in 2011，this paper introduces the design concept and design process of cathodic protection in underwater production facilities.At the same time，it also highlights the main issues needing attention in cathodic protection design in deep water environment.

underwater production facility；cathodic protection；DNV-RP-B401

TG174.41

A

1003–6490（2017）05–0046–01

2017–04–20

錢思成（1981—），男，天津人，工程師，主要從事海洋石油工程水下系統(tǒng)與產(chǎn)品研究設(shè)計(jì)工作。