張力腿平臺(tái)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)研究

蔡伊揚(yáng) 尚世超 劉玉軍

（1. 中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司 深圳518000；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

張力腿平臺(tái)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)研究

蔡伊揚(yáng)1尚世超2劉玉軍1

（1. 中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司 深圳518000；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

針對(duì)張力腿平臺(tái)下浮體的防腐設(shè)計(jì)，進(jìn)行陰極保護(hù)方面的研究：首先分析了外加電流陰極保護(hù)方法和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方法的特點(diǎn)，選擇后者作為保護(hù)措施；然后結(jié)合犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)機(jī)理，比對(duì)國(guó)標(biāo)和DNV等規(guī)范提供的相關(guān)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法的異同，選擇后者作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；最后以某張力腿平臺(tái)為例進(jìn)行基于DNV RP B401規(guī)范的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。研究表明：犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)成熟，DNV RP B401規(guī)范設(shè)計(jì)過(guò)程較為周詳，能應(yīng)用于張力腿平臺(tái)下浮體的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。

張力腿平臺(tái)；陰極保護(hù)；犧牲陽(yáng)極；DNV RP B401

引 言

海洋環(huán)境具有極強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)直接影響海洋結(jié)構(gòu)物的服役安全和使用壽命，甚至?xí)l(fā)安全事故［1］，是張力腿平臺(tái)需要面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。張力腿平臺(tái)主要由上部組塊、下浮體、張力筋腱、錨泊基礎(chǔ)、鉆井設(shè)施、頂張緊立管等組成，其中下浮體是支撐上部組塊，并為平臺(tái)提供浮力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。為確保張力腿平臺(tái)安全運(yùn)行，需要對(duì)下浮體采取可靠有效的防腐措施。陰極保護(hù)是防腐工程中常用而有效的電化學(xué)保護(hù)方法［2］，分為外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，兩者都可以有效地減緩腐蝕進(jìn)程，但適用性不完全相同［3］。各大船級(jí)社對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也不盡一致［4］，國(guó)外有 DNV RPB401［5］、NACE SP 0176［6］和 NI 423 DT R01 E［7］等，但設(shè)計(jì)內(nèi)容基本相同；國(guó)內(nèi)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)GB8841［8］，與國(guó)外設(shè)計(jì)規(guī)范差異較大。

本文針對(duì)張力腿平臺(tái)的特點(diǎn)，選擇適用的陰極保護(hù)方法，比較國(guó)內(nèi)外陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范的不同，確定適用于張力腿平臺(tái)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1 外加電流陰極保護(hù)與犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)

外加電流陰極保護(hù)方法與犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方法基本原理相同，都使平臺(tái)極化到一定程度，降低平臺(tái)構(gòu)件的腐蝕速度，達(dá)到保護(hù)目的。外加電流陰極保護(hù)是通過(guò)一套裝置將外部電流施加到平臺(tái)上，為平臺(tái)提供保護(hù)電流；犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)則是采用自然電位負(fù)于平臺(tái)自然電位的金屬或者合金，與平臺(tái)構(gòu)和海水成原電池系統(tǒng)，從而為平臺(tái)提供保護(hù)電流。外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)均可有效減緩腐蝕進(jìn)程。二者的主要差別如下：［9］

（1）犧牲陽(yáng)極在設(shè)計(jì)安裝完畢后相對(duì)固定，不需要根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行調(diào)整；外加電流陰極保護(hù)需根據(jù)平臺(tái)的具體情況調(diào)整保護(hù)電流輸出。

（2）犧牲陽(yáng)極在安裝下水后，在壽命期內(nèi)基本不需要維護(hù)；外加電流陰極保護(hù)中的電源、參比電極等設(shè)備需要定期維護(hù)。

（3）犧牲陽(yáng)極使用壽命是固定的，延壽施工難度大，費(fèi)用高；外加電流陰極保護(hù)則可僅調(diào)控系統(tǒng)的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)延壽。

（4）犧牲陽(yáng)極溶解產(chǎn)物會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成一定程度的污染。外加電流保護(hù)對(duì)環(huán)境基本無(wú)不良影響。

（5）犧牲陽(yáng)極增加平臺(tái)質(zhì)量和載荷，增加設(shè)計(jì)和建造成本；外加電流則對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)以及質(zhì)量和載荷的影響很小。

（6）外加電流有導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)過(guò)保護(hù)和雜散電流的風(fēng)險(xiǎn)。

相對(duì)而言，犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)成熟、性能可靠，無(wú)產(chǎn)生過(guò)保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。從目前的應(yīng)用而言，平臺(tái)上大多采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的方法［3］。因此，選用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方法作為張力腿平臺(tái)下浮體的陰極保護(hù)措施。

2 國(guó)標(biāo)和DNV陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 陰極表面極化過(guò)程

犧牲陽(yáng)極發(fā)生溶解并向結(jié)構(gòu)物提供保護(hù)電流，使鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物表面電位從自然電位發(fā)生負(fù)向移動(dòng)。在一定保護(hù)電位和海水pH值條件下，鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物表面會(huì)發(fā)生吸氧或者析氫反應(yīng)，形成氫氧根。氫氧根和海水中的鈣離子、鎂離子發(fā)生反應(yīng)并沉積在結(jié)構(gòu)物表面，從而形成鈣鎂沉積層。只有適量較大的保護(hù)電流密度才能得到致密、結(jié)合力強(qiáng)的沉積層［10］。致密的鈣鎂沉積層能大大提高陰極保護(hù)的效果，這是因?yàn)樗梢杂行У刈璧K溶解氧向金屬表面擴(kuò)散和增大金屬的極化電阻，從而減小所需的保護(hù)電流密度和擴(kuò)大了陰極保護(hù)的范圍［11］。隨著鈣鎂沉積層形成過(guò)程的逐漸完成，結(jié)構(gòu)物表面所需的保護(hù)的電流密度值也逐漸減小，然后長(zhǎng)期保持基本穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)壽命末期，隨著犧牲陽(yáng)極輸出電流能力減弱、鈣鎂沉積層發(fā)生部分脫落，才需要較大的保護(hù)電流密度進(jìn)行重新極化［5］。

綜上所述，鋼質(zhì)海洋結(jié)構(gòu)物在陰極保護(hù)作用下表面會(huì)形成具有一定保護(hù)作用的鈣鎂沉積層，為能夠得到致密、結(jié)合力強(qiáng)的鈣鎂沉積層，初期極化階段需要足夠大的保護(hù)電流密度；然后隨著鈣鎂沉積層形成基本完成，只需要較小的保護(hù)電流密度即可；在壽命末期，又需要較大的保護(hù)電流密度。

2.2 GB8841和DNV RP B401設(shè)計(jì)方法

DNV RPB401、NACE SP 0176和 NI 423 DT R01 E等設(shè)計(jì)思路基本一致，故僅以DNV RP B401為例與GB8841進(jìn)行比較。GB8841和DNV RP B401的設(shè)計(jì)流程如下頁(yè)圖1和圖2所示。

圖1 GB8841設(shè)計(jì)流程圖

圖2 DNV RP B401設(shè)計(jì)流程圖

比較GB8841和DNV RP B401的設(shè)計(jì)流程圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者在確定保護(hù)電流密度和計(jì)算保護(hù)電流、計(jì)算單塊犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流、計(jì)算所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量［4］以及估算設(shè)計(jì)壽命方面具有較大差異。

DNV RP B401的保護(hù)電流密度是按照水深和水溫來(lái)確定的，且分為初期、平均和終期三個(gè)保護(hù)電流密度與陰極表面極化過(guò)程相對(duì)應(yīng)，從而能夠促進(jìn)結(jié)構(gòu)物表面在初期生成狀態(tài)較好的鈣鎂沉積層，保障終期具有足夠的重新極化電流。海水中的含氧量隨水深變化而不同，靠近表面的含氧量較高。海水的溫度也影響海水中的含氧量［12］。因此，按照水深和水溫選取初期、平均和終期保護(hù)電流密度的方法與腐蝕發(fā)生和陰極極化的機(jī)理相契合。在計(jì)算保護(hù)面積時(shí)，DNV RP B401規(guī)范考慮到涂層的保護(hù)作用，并且基于不同的涂層種類和質(zhì)量給出線性的涂層退化計(jì)算公式。而GB8841只是根據(jù)相對(duì)于水流的速度給出不同區(qū)域的保護(hù)電流密度，既沒有體現(xiàn)陰極極化的特性也沒有考慮到涂層等的影響。

DNV RP B401根據(jù)修正的Dwight公式計(jì)算犧牲陽(yáng)極的輸出電流量。犧牲陽(yáng)極的幾何形狀影響犧牲陽(yáng)極的接水電阻，且犧牲陽(yáng)極在初期和終期的形狀差異較大，故DNV RP B401分別計(jì)算初期和終期的犧牲陽(yáng)極電阻和犧牲陽(yáng)極輸出電流量，更細(xì)致反映犧牲陽(yáng)極消耗對(duì)其發(fā)生電流的影響；而GB8841僅給出單塊犧牲陽(yáng)極的發(fā)生電流量，未體現(xiàn)犧牲陽(yáng)極形狀變化。

DNV RP B401將服役壽命劃分為初期、平均和終期，通過(guò)初期和終期的極化要求以及平均的犧牲陽(yáng)極材料消耗要求計(jì)算所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量。DNV RP B401通過(guò)犧牲陽(yáng)極材料消耗要求來(lái)保證整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)的使用壽命，而并未校核單塊犧牲陽(yáng)極的使用壽命。單塊犧牲陽(yáng)極的壽命很大程度上取決于所保護(hù)結(jié)構(gòu)物的面積大?。?］，因此，在不能確定單塊犧牲陽(yáng)極平均保護(hù)面積的情況下，校核單塊犧牲陽(yáng)極壽命的做法值得商榷。而GB8841則是基于假定犧牲陽(yáng)極利用系數(shù)進(jìn)行單塊犧牲陽(yáng)極壽命估算，而且計(jì)算犧牲陽(yáng)極數(shù)量時(shí)也沒有考慮初期極化和終期極化的不同。

DNV RP B401更能體現(xiàn)陰極極化特性、涂層退化和犧牲陽(yáng)極消耗等因素的影響，計(jì)算假設(shè)條件也更為合理。因此，選擇DNV RP B401作為TLP平臺(tái)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3 基于DNV RP B401的設(shè)計(jì)

現(xiàn)以某張力腿平臺(tái)為例，使用DNV RP B401方法對(duì)其下浮體進(jìn)行犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。該張力腿平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。犧牲陽(yáng)極的尺寸為2 440 mm×（229 mm×248 mm）×248 mm，凈質(zhì)量為329 kg。

3.1 單塊犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流計(jì)算

單塊犧牲陽(yáng)極的初期接水電阻由式（1）求得。

式中：Ra為犧牲陽(yáng)極接水電阻，Ω；ρ為海水電阻率，m·Ω；L為犧牲陽(yáng)極長(zhǎng)度，m；r為犧牲陽(yáng)極等效半徑，m。

犧牲陽(yáng)極消耗至利用系數(shù)時(shí)，重新計(jì)算其幾何尺寸。單塊犧牲陽(yáng)極的終期接水電阻由式（2）求得。

表1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

因此，單塊犧牲陽(yáng)極的初期和終期發(fā)生電流由式（3）和式（4）求得。

式中：Ia為犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流，A；ΔE為驅(qū)動(dòng)電壓，一般取為0.25 V。

3.2 所需保護(hù)電流計(jì)算

所需保護(hù)電流計(jì)算由式（5）求得。

式中：Ic為保護(hù)電流，A；Ac為保護(hù)面積，m2；ic為保護(hù)電流密度，A/m2；fc為涂層破損率。

因此，平臺(tái)所需的初期、平均和終期保護(hù)電流分別為14 770 A、725 A和1 007 A。

3.3 所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量計(jì)算

根據(jù)極化要求，犧牲陽(yáng)極數(shù)量需分別滿足式（6）和式（7）的要求。

根據(jù)犧牲陽(yáng)極材料消耗要求，犧牲陽(yáng)極數(shù)量需滿足式（8）和式（9）的要求。

式中：Ma為犧牲陽(yáng)極材料總質(zhì)量，kg；tf為設(shè)計(jì)壽命，年；u為犧牲陽(yáng)極利用系數(shù)；ε為犧牲陽(yáng)極電化學(xué)效率，（A·y） /kg。

綜上所述，計(jì)算求得該張力腿平臺(tái)需要243塊犧牲陽(yáng)極。

4 結(jié) 論

文章通過(guò)選擇陰極保護(hù)方法、確定計(jì)算準(zhǔn)則和列舉基于規(guī)范的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程，順利完成針對(duì)張力腿平臺(tái)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)研究。與外加電流陰極保護(hù)方法相比，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方法更具有高可靠性和無(wú)過(guò)保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于張力腿平臺(tái)下浮體的陰極保護(hù)。以DNV RP B401為代表的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法，能夠體現(xiàn)環(huán)境要素影響、陰極極化過(guò)程、犧牲陽(yáng)極消耗和涂層作用等，可作為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

［ 1 ］ 許立坤，馬力，邢少華，等. 海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)評(píng)述［J］. 中國(guó)材料進(jìn)展， 2014（2）： 106-110.

［ 2 ］ 孫吉星. 海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)優(yōu)化模型及數(shù)值計(jì)算［D］. 青島 ： 中國(guó)海洋大學(xué)， 2006 ： 5-28.

［ 3 ］ 李妍， 劉忠斌. 海洋平臺(tái)的陰極保護(hù)［J］. 中國(guó)造船，2002， 43 ： 162-164.

［ 4 ］ 齊榮彪. 海船陰極保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與DVN規(guī)范的對(duì)比分析［J］.中國(guó)修船， 2010（5）： 28-31.

［ 5 ］ DNV. Cathodic Protection Design［S］. 2007.

［ 6 ］ NACE. Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Offshore Structures Associated with Petroleum Production［S］. 2007.

［ 7 ］ BV. Corrosion Protection of Steel Offshore Units and Instatllations［S］. 2006.

［ 8 ］ GB 8841-88， 海船犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和安裝［S］.

［ 9 ］ 尹鵬飛，張偉，許征凱，等. 導(dǎo)管架平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)技術(shù)［J］. 腐蝕與防護(hù)，2012（2）： 18-21.

［10］ 朱錫昶，葛仁淦，朱穎. 大電流密度下陰極產(chǎn)物膜的探討［J］. 海洋工程， 1992（1）： 60-68.

［11］ 曹振宇. 模擬深海環(huán)境陰極保護(hù)初期鈣鎂沉積層的研究［D］. 青島 ： 中國(guó)海洋大學(xué)， 2010 ： 9-10.

［12］ 胡士信， 陰極保護(hù)工程手冊(cè)［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 1999.

On sacrificial anode cathodic protection for TLP platform

CAI Yi-yang1SHANG Shi-chao2LIU Yu-jun1
(1. CNOOC China Ltd., Shenzhen, Shenzhen 518000, China;2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This article studies the cathodic protection for the anticorrosion design of the TLP platform. Firstly,the sacrificial anode cathodic protection (SACP) method is selected as protection measure in view of the analysis of the characteristics of the impressed current cathodic protection (ICCP) method and SACP method. Secondly,the relevant cathodic protection design method in DNV code is selected as design criteria by comparison with the design method in GB document based on the SACP principle. Finally, SACP for a TLP platform is designed according to the DNV RP B401. It shows that the reliable SACP technology and the elaborate design procedure in the DNV RP B401 can ensure the application of the SACP on the floating body of the TLP platform.

TLP platform; cathodic protection; sacrificial anode; DNV RP B401

U672.7+2

A

1001-9855（2017）06-0079-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.079

“500米水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（工信部聯(lián)裝［2014］503號(hào)）。

2017-05-25；

2017-05-31

蔡伊揚(yáng)（1984-），男，工程師，研究方向：油氣開發(fā)。

尚世超（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計(jì)。

劉玉軍（1968-），男，高級(jí)工程師。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)。