新型可調(diào)式外加電流保護(hù)系統(tǒng)在自升式平臺樁腿防腐中的應(yīng)用

劉海超

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

0 引 言

目前隨著海洋資源的不斷開發(fā)，海上鋼結(jié)構(gòu)被廣泛使用，然而海洋環(huán)境對鋼結(jié)構(gòu)物的腐蝕非常嚴(yán)重，大約是大氣腐蝕速度的10倍，例如勝利埕島油田部分平臺潮濺區(qū)的腐蝕率達(dá)到0.45～0.51 mm/a。腐蝕造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，降低海上鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。尤其用于海上油氣開發(fā)的自升式平臺的樁腿，長期處于水下，腐蝕嚴(yán)重，其處于飛濺區(qū)的部分，腐蝕情況可達(dá)到水下部分的3～5倍。

自升式平臺樁腿在平臺升降時(shí)，樁腿與固樁室之間都會產(chǎn)生不同程度的摩擦，導(dǎo)致樁腿表面一定面積的涂層被刮落，被剝落涂層的金屬裸露在潮濕的空氣中或淹沒在海水中，加快了樁腿的腐蝕速度。如果樁腿的腐蝕得不到有效控制，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕不斷加重，那么樁腿鋼板有效厚度不斷降低，結(jié)構(gòu)應(yīng)力激增，最終導(dǎo)致整個(gè)樁腿結(jié)構(gòu)失效，致使平臺傾覆，對平臺的安全性造成極大的影響。同時(shí)樁腿結(jié)構(gòu)的不斷腐蝕給平臺結(jié)構(gòu)安全評估造成了極大困難，大大增加了監(jiān)測評估成本。因此采取有效的防腐方法防止自升式平臺樁腿腐蝕至關(guān)重要。

目前，海上自升式移動平臺基本采用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防腐蝕措施。陰極保護(hù)系統(tǒng)分犧牲陽極和外加電流2種保護(hù)形式，都能達(dá)到保護(hù)的效果，但由于自升式平臺移位時(shí)需升降平臺，樁腿從圍阱區(qū)和固樁架中穿過，其配合間隙極小，不能采取導(dǎo)管架平臺使用的犧牲陽極防腐的方法，因此多采用外加電流系統(tǒng)進(jìn)行樁腿防腐[1]。

1 外加電流保護(hù)防腐原理及發(fā)展概況

圖 1 被腐蝕的鋼結(jié)構(gòu)

圖 2 摩擦刮落涂層的樁腿

鋼結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)起源于19世紀(jì)20年代，于20世紀(jì)得到廣泛的應(yīng)用。外加電流保護(hù)的原理[2]在于外加電流陰極保護(hù)是通過外部電源來改變周圍環(huán)境的電位，使得需要保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)的電位一直處在低于周圍環(huán)境的狀態(tài)下，從而成為整個(gè)環(huán)境中的陰極，這樣需要保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)就不會因?yàn)槭ル娮佣l(fā)生腐蝕，外加電流保護(hù)原理見圖3。

外加電流保護(hù)方法相對于犧牲陽極具有諸多優(yōu)勢：1）保護(hù)范圍廣；2）使用壽命長；3）不會對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生任何影響；4）不使用大量陽極塊，減輕了平臺重量；5）能長期連續(xù)監(jiān)測陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作。

基于外加電流保護(hù)防腐技術(shù)具有的獨(dú)特優(yōu)勢，其在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛。例如，地下油氣管線防腐[3]、港口碼頭鋼質(zhì)靠船排防腐、船舶外板、舵槳防腐[4]、海上平臺防腐[1,5?6]等，其防腐技術(shù)均采用外加電流保護(hù)防腐技術(shù)，但應(yīng)用方式多樣?？傮w來說，外加電流保護(hù)防腐技術(shù)由于其保護(hù)范圍廣、使用壽命長、不受型式限制等優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。

圖 3 外加電流保護(hù)原理圖

圖 4 油氣管線防腐外加電流保護(hù)系統(tǒng)

2 存在問題

現(xiàn)階段，自升式平臺上所設(shè)的外加電流保護(hù)系統(tǒng)（見圖5），控制電源（恒電位儀）正極輸出終端接輔助陽極和參比電極；電纜通過樁腿內(nèi)部下放至樁靴內(nèi)部，輔助陽極與參比電極均安裝于樁靴外表面；以海水為介質(zhì)，通過控制電源（恒電位儀）提供直流電流，通電對樁腿進(jìn)行保護(hù)。

但該種使用方式存在諸多問題：

1）電位測量不準(zhǔn)確，控制電源（恒電位儀）保護(hù)電位設(shè)置困難。平臺樁腿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個(gè)樁腿、樁靴、齒條等組成，不同平臺樁腿分布位置不同，參比陽極和輔助陽極布置于樁靴上，保護(hù)電位監(jiān)測不夠精確，造成保護(hù)電位設(shè)置困難，易發(fā)生保護(hù)不足造成腐蝕或過保護(hù)造成防腐涂層剝離；同時(shí)恒電位儀控制方式簡單，在海流、泥沙等影響下，保護(hù)電位波動較大。

2）輔助陽極材料及陽極屏材料鈍化。輔助陽極材料長時(shí)間運(yùn)行后可能出現(xiàn)表面鈍化，影響保護(hù)效果；陽極屏用于實(shí)現(xiàn)輔助陽極與鋼結(jié)構(gòu)絕緣，其材料選取影響整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)效果。

圖 5 外加電流保護(hù)系統(tǒng)布置圖

3）電纜的布放、固定困難。電纜從樁室頂部通過樁腿內(nèi)下放至樁靴，施工難度大，且每次升降平臺存在電纜破斷的風(fēng)險(xiǎn)。

4）在樁靴上開孔、焊接，改變了樁靴的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

5）所需電纜較長，造成成本的增加。

6）不便于維護(hù)與保養(yǎng)。

3 新型可調(diào)式外加電流保護(hù)系統(tǒng)

基于現(xiàn)有的自升式平臺外加電流保護(hù)系統(tǒng)存在的上述問題，進(jìn)行深入的研究探討，開發(fā)了一種新型的可調(diào)式自升式平臺樁腿外加電流保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括恒電位儀、參比電極、輔助陽極、電纜、承重繩、接線盒、陽極下放裝置、電纜護(hù)管、配重塊等，其中恒電位儀加入了數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)，能夠在參比電極準(zhǔn)確測定保護(hù)電位后，通過數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)去除溶阻及環(huán)境影響，使恒電位儀向輔助陽極發(fā)出準(zhǔn)確保護(hù)電流，從而整個(gè)被保護(hù)結(jié)構(gòu)物處于穩(wěn)定的負(fù)電位，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)防腐。

該系統(tǒng)的具體布置形式和運(yùn)行原理如下。恒電位儀放置在自升式平臺集控室內(nèi)，通過不同的電纜分別連接到舷側(cè)不同的接線盒，接線盒通過水下電纜穿過陽極下放裝置與對應(yīng)的輔助陽極組塊和參比電極組塊連接。輔助陽極組塊和參比電極組塊通過承重繩連接到舷側(cè)的陽極下放裝置，懸掛于平臺舷側(cè)的海水中。陽極下放裝置可通過調(diào)整水下電纜、承重繩的長度調(diào)整輔助陽極組塊和參比電極組塊的水下深度。參比電極可實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境電位差，并將監(jiān)測信號發(fā)送給恒電位儀，恒電位儀根據(jù)監(jiān)測信號處理結(jié)果控制輔助陽極實(shí)時(shí)電位，使輔助陽極的電位低于被保護(hù)的樁腿結(jié)構(gòu)的電位，從而實(shí)現(xiàn)自升式平臺樁腿外加電流防腐保護(hù)。該系統(tǒng)通過調(diào)整保護(hù)電位和輔助陽極位置可有效實(shí)現(xiàn)自升式平臺樁腿外加電流防腐保護(hù)，提高外加電流保護(hù)系統(tǒng)電位監(jiān)測及調(diào)節(jié)能力，使自升式平臺樁腿的保護(hù)電流在全部濕面積下穩(wěn)定，提高自升式平臺樁腿防腐的可靠性，有效防止樁腿鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，從而提高整個(gè)平臺的安全性。

圖6和圖7為該可調(diào)式自升式平臺樁腿外加電流保護(hù)系統(tǒng)具體布置圖。該基礎(chǔ)平臺為三樁腿自升式平臺，長52 m，寬46 m，型深5.2 m，平臺平面呈上三角形形式。平臺樁腿采用圓柱形樁腿，長73 m，直徑3 m，樁腿入泥18 m。平臺樁靴16平面呈正八邊形，對邊距離7.6 m，高1.5 m。

圖 6 可調(diào)式自升式平臺樁腿外加電流保護(hù)系統(tǒng)示意圖

圖 7 陽極下放示意圖

可調(diào)式外加電流保護(hù)系統(tǒng)能夠長期連續(xù)監(jiān)測陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作，減小操作人員的勞動強(qiáng)度，提高自動化管理水平，同時(shí)不會對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生任何影響，為海上鋼結(jié)構(gòu)物安全有效運(yùn)行提供保障。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及推廣應(yīng)用前景

該技術(shù)目前已在2座自升式平臺上應(yīng)用，數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確，保護(hù)范圍及效果滿足使用要求，有效實(shí)現(xiàn)了樁腿樁靴外加電流防腐。該技術(shù)的應(yīng)用極大的提高了樁腿樁靴的抗腐蝕能力，節(jié)約了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕后改造加強(qiáng)等費(fèi)用，能夠有效提高平臺結(jié)構(gòu)安全性，實(shí)現(xiàn)平臺高效安全運(yùn)行。

該技術(shù)具有驅(qū)動電壓高，能夠靈活地在較寬的范圍內(nèi)控制陰極保護(hù)電流輸出量，適用于保護(hù)范圍較大的場合；不使用大量犧牲陽極減輕了平臺的重量；一次投入，長期運(yùn)行成本低廉，具有較長的使用壽命；沒有金屬離子到海水中，不會對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生任何影響；能長期連續(xù)監(jiān)測陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作。

因此，該技術(shù)對固定鋼結(jié)構(gòu)物的安全運(yùn)行和保護(hù)海洋環(huán)境具有積極意義，會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電位監(jiān)測方式采用人工方式測量，不能及時(shí)反映區(qū)域陰極保護(hù)的正常質(zhì)量和效果。國外方面，隨著信息高速公路的建設(shè)和發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)物防腐技術(shù)及腐蝕狀態(tài)監(jiān)測與安全評定網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)實(shí)。

未來海上鋼結(jié)構(gòu)物防腐技術(shù)及腐蝕狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展，可歸納為以下幾點(diǎn)：

1）計(jì)算機(jī)與傳感技術(shù)的應(yīng)用，加大了采集的信息量，加快了監(jiān)測速度；

2）監(jiān)測系統(tǒng)由單一功能發(fā)展到多功能系統(tǒng)；3）防腐技術(shù)從單一的經(jīng)濟(jì)性向環(huán)保方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，具有長期監(jiān)測、自動調(diào)節(jié)的新型智能化外加電流保護(hù)系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。