海洋石油162平臺(tái)樁腿外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)探析

鄭天為，韓 宇，單學(xué)永

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引言

海洋石油162平臺(tái)樁腿的電化學(xué)保護(hù)采用了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。本文從海洋石油162平臺(tái)樁腿的腐蝕基理，樁腿外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)原理、系統(tǒng)組成、運(yùn)行與維護(hù)等方面進(jìn)行了分析，并對(duì)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)電極電壓檢查方法、故障判斷，恒電位儀電壓和電流的讀數(shù)每日記錄給出具體要求，指導(dǎo)平臺(tái)維修人員進(jìn)行系統(tǒng)維修、維護(hù)，減少樁腿腐蝕。

1 腐蝕基理

海水對(duì)金屬平臺(tái)樁腿具有腐蝕作用。這種腐蝕過(guò)程是由在平臺(tái)樁腿金屬表面上形成的眾多原電池而引起的電化反應(yīng)現(xiàn)象。通過(guò)海水，腐蝕電流從金屬的活性部分(相當(dāng)于陽(yáng)極)流向金屬的惰性部分(相當(dāng)于陰極)。這樣活性部分被腐蝕而惰性部分被保護(hù)，久之平臺(tái)樁腿變得凹凸不平。

原電池不僅在不同金屬間形成，而且也在同種金屬的不同部分形成。在這樣的情況下，相對(duì)漆層保護(hù)好的部分來(lái)說(shuō)，漆層保護(hù)不好的部分相當(dāng)于陽(yáng)極而被腐蝕。以1 A 電流對(duì)10 kg鋼1 a 內(nèi)造成的腐蝕為例，在正常環(huán)境下，腐蝕電流密度的變化范圍是10～15 mA/m2。在特殊情況下，電流密度可高達(dá)80～100 mA/m2。

腐蝕密度取決于下列因素：陰極與陽(yáng)極區(qū)域間的電勢(shì)差；陰極與陽(yáng)極區(qū)域的表面積；漆層狀態(tài)；海水溫度；海水鹽度；海水的氧含量；船行駛速度；對(duì)于建造中的船，焊接設(shè)備輸出的電流。

2 陰極保護(hù)原理

陰極保護(hù)法采用各類電極對(duì)要保護(hù)的平臺(tái)樁腿表面進(jìn)行陰極極化，用電極輸出的電流抵消腐蝕電流。監(jiān)測(cè)浸在海水里的平臺(tái)樁腿狀態(tài)的唯一方法是用參比電極測(cè)量船體電壓。參比電極一般由純鋅做成，用于平臺(tái)樁腿的陰極保護(hù)，其保護(hù)電位不大于400 mV。如果船體電壓在220～250 mV，船體就處于被保護(hù)狀態(tài)；如果船體電位低于-50 mV，那么船體就處于超保護(hù)狀態(tài)，這將引發(fā)漆層問(wèn)題。因此，既不要讓船體處于低保護(hù)狀態(tài)下，也不要讓船體處于超保護(hù)狀態(tài)下。

2.1 犧牲陽(yáng)極法

這種方法采用活性大于平臺(tái)樁腿金屬活性的材料做成電極(一般為鋅)。這些電極直接固接在平臺(tái)樁腿表面，在保護(hù)平臺(tái)樁腿的過(guò)程中逐漸被消耗，所以它們被稱為消耗式電極。這些電極輸出的保護(hù)電流正比于它們被消耗的速度。為了保護(hù)海水內(nèi)的鋼質(zhì)平臺(tái)樁腿，一般采用鋅陽(yáng)極。由于在鋅極和平臺(tái)樁腿間的電壓只有0.5 V，最大輸出電流取決于鋅極尺寸的大小。一定數(shù)量的鋅極被固放在靠近船尾的殼體表面上。

2.2 外加電流法ICCP

通過(guò)鋅(銀/氯化銀)參比電極對(duì)船舶電位的不斷測(cè)量來(lái)調(diào)整永久式鈦電極輸出的補(bǔ)償電流。鈦電極是按一定策略布置在船體上并提供整船保護(hù)，參比電極則布置在船的左右舷。這種方法的保護(hù)原理如下：按一定的策略在船的左右舷某些位置上安裝永久式鈦電極和參考電極(或稱為傳感器)，并把鈦電極和參比電極都連接到同一個(gè)控制箱上，讓參比電極連續(xù)監(jiān)測(cè)船體電位。船體電位有一個(gè)正常值，對(duì)于鋼質(zhì)船體，這個(gè)正常值為220 mV，一旦船體電位超出正常值，就將發(fā)生對(duì)船體的腐蝕。因?yàn)閰⒈入姌O是連續(xù)監(jiān)測(cè)船體電位，一旦電位有升高的趨勢(shì)，它將信息反饋給恒電位儀，恒電位儀將向鈦電極輸出一定量的補(bǔ)償電流。這樣船體電位將始終保持在正常值范圍內(nèi)，腐蝕就不會(huì)發(fā)生。

3 樁腿外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)組成

3.1 ICCP主要部件

海洋石油162平臺(tái)樁腿外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱ICCP)基本組成如下：

1臺(tái)恒電位儀，2套懸掛式的4只50 A 鈦電極，1套懸掛式的參比電極。

3.2 恒電位儀

恒電位儀主要部件包括：變壓器，整流模塊，電抗器，分流器，PCB控制板和觸發(fā)板等。

恒電位儀主要功能是：①把船用交流電轉(zhuǎn)換為所需的直流電，通過(guò)輔助陽(yáng)極、海水、平臺(tái)樁腿形成電流回路，從而把直流電荷加到平臺(tái)樁腿上，達(dá)到陰極保護(hù)的效果，避免樁腿發(fā)生腐蝕。

②通過(guò)參比電極測(cè)量樁腿的參比電位，與恒電位儀預(yù)置的保護(hù)電位進(jìn)行比較，自動(dòng)調(diào)整電流輸出，從而使樁腿的參比電位達(dá)到預(yù)置的保護(hù)電位范圍。對(duì)于鋼質(zhì)材料保護(hù)電位設(shè)置在180～220 mV。

3.3 輔助陽(yáng)極

電極由1組MMO鈦基電極組成。防爆接線盒內(nèi)被設(shè)計(jì)成密封結(jié)構(gòu)，用于接輔助陽(yáng)極電纜，該電纜一端連接到恒電位儀的正極。輔助陽(yáng)極的功能是輸出調(diào)整電流以維持樁腿的恒定保護(hù)電位。MMO鈦陽(yáng)極是電催化活性金屬氧化材料，因此在通電使用過(guò)程中不會(huì)被消耗，電極可持續(xù)使用20 a 甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

3.4 參比電極

參比電極核心材料為高純鋅，它特別適合于測(cè)量海水環(huán)境下的金屬參比電位，并同輔助陽(yáng)極一樣也被密封在設(shè)計(jì)成凹型的防水罩上的HDPE 底座里。參比電極的功能是監(jiān)測(cè)樁腿的保護(hù)電位。

4 樁腿外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)

用高阻抗萬(wàn)用表對(duì)設(shè)備進(jìn)行初檢。這些檢查應(yīng)包括參比電極表面有無(wú)污損、輔助陽(yáng)極和參比電極電纜有無(wú)損壞、各外接電纜連接是否正確。

4.1 電極電壓檢查

①檢查電極電壓：輔助陽(yáng)極是正端(+)，平臺(tái)樁腿為負(fù)端(-)。沒通電的輔助陽(yáng)極相對(duì)樁腿的直流電壓應(yīng)為1～2.0 V。如果該電壓值為0，說(shuō)明線路上有開路或短路；如果該電壓值為0.2～0.5 V，則說(shuō)明電纜線浸在海水里了。

②檢查參比電極：參比電極是參比端(-)，樁腿是正端(+)。未保護(hù)的平臺(tái)樁腿電壓應(yīng)超過(guò)300 mV (相對(duì)鋅參比電極)；經(jīng)保護(hù)的平臺(tái)樁腿電壓應(yīng)低于300 mV(相對(duì)鋅參比電極)。

4.2 運(yùn)行維護(hù)

為了維持對(duì)平臺(tái)樁腿的良好保護(hù)，恒電位儀應(yīng)始終開機(jī)。如果設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間關(guān)機(jī)，重新開機(jī)后，則需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間達(dá)到最佳保護(hù)裝態(tài)。對(duì)設(shè)備定期進(jìn)行預(yù)防性檢查，可延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低為更換部件而關(guān)機(jī)的可能性。

ICCP設(shè)備通常是全自動(dòng)運(yùn)行的。系統(tǒng)保護(hù)電位設(shè)定值為180～220 mV。在開始如果平臺(tái)樁腿處于良好狀態(tài)(如新噴過(guò)漆)，平臺(tái)樁腿電位很可能低于220 mV，這樣恒電位儀輸出電流將很小甚至不向輔助陽(yáng)極輸出電流。隨著漆層被消耗，平臺(tái)樁腿電位將逐漸上升至220 mV 以上，恒電位儀也將自動(dòng)向電極輸出電流以避免發(fā)生腐蝕。

恒電位儀電壓和電流的讀數(shù)每日記錄在平臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行記錄上。

保護(hù)電位每周至少測(cè)試4個(gè)不同部位的數(shù)值，每個(gè)部位至少測(cè)量3個(gè)數(shù)值，取平均值，填入平臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行記錄上。

4.3 日常檢查

為確保ICCP設(shè)備正常，它的性能指標(biāo)要經(jīng)常監(jiān)測(cè)，任何問(wèn)題都必須及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和解決。當(dāng)使用、檢查ICCP設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)記住下列信息：

①如果電極電流增加，則平臺(tái)樁腿電位在變化。

②最佳保護(hù)電位的范圍是0.05～0.25 V(對(duì)于鋅參比電極)。

③把電位增加到正常保護(hù)電位以上，對(duì)防腐保護(hù)并無(wú)益處，只能增加電耗并對(duì)漆層有害。

④如果平臺(tái)樁腿電位升到保護(hù)值以上(對(duì)照Z(yǔ)n從180～250 mV)，恒電位儀會(huì)自動(dòng)增加輸出電流，以降低平臺(tái)樁腿電位。采用這種連續(xù)調(diào)節(jié)的方式維持恒定平臺(tái)樁腿電位。

⑤在正常運(yùn)行條件下，平臺(tái)樁腿電位會(huì)隨著海水鹽度、航速等輕微變化，這些變化是正常的，并不是設(shè)備有故障。

⑥電流、電壓輸出值會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)，增速度取決于漆層剝落和損壞的程度。

5 結(jié)語(yǔ)

預(yù)防性的維修可延長(zhǎng)設(shè)備壽命，減少因更換報(bào)廢元器件而關(guān)機(jī)的可能。每天點(diǎn)檢時(shí)應(yīng)視覺直觀檢查外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)電單元線路連接情況；檢查電源連接，尤其要檢查各接地點(diǎn)的連接情況，看這些點(diǎn)是否有脫線或腐蝕；參比電極通常不需任何保養(yǎng)，檢查連接電纜狀態(tài)即可；電極每6個(gè)月要檢查一次。在平臺(tái)上打開電極防水罩蓋(要確保防水罩內(nèi)無(wú)水)，防水罩內(nèi)的情況要予以記錄以備參考；檢查固定在恒電位儀與電極間的接線盒、電纜情況，確保電極可靠連在控制箱上。平臺(tái)樁腿外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為平臺(tái)安全生產(chǎn)提供了保障。