某海管陰極保護(hù)狀況評估及犧牲陽極更換的優(yōu)化

(1. 中海石油(中國)有限公司 惠州作業(yè)公司，深圳 518000； 2. 常州大學(xué)，常州 213164)

海底海管(簡稱海管)是海上油氣資源開發(fā)的重要組成部分，往往鋪設(shè)于海床上或在海泥中。為緩解外部海水和/或海泥的腐蝕，通常采用犧牲陽極陰極保護(hù)與外防腐蝕層的聯(lián)合保護(hù)，犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命一般為10～15 a[1-2]。本工作所述海管的外部采用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層和犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)提供防護(hù)，犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)與海管于1995年同期投產(chǎn)使用，設(shè)計(jì)壽命為10 a，于2005年到期后仍延期使用。海管到達(dá)設(shè)計(jì)壽命后，通過水下機(jī)器人(以下簡稱ROV)約每隔兩年開展一次犧牲陽極消耗狀況外觀檢查與陽極工作電位檢測，截至2015年，已開展了5次ROV檢測。2015年ROV檢測結(jié)果認(rèn)定：損壞的陽極塊共有15塊，陽極消耗達(dá)到C級(即剩余陽極質(zhì)量為原始質(zhì)量的50%～79%)的陽極塊為17塊，海管部分區(qū)域的工作電位只有約-0.8～-0.9 V(相對于Ag/AgCl參比電極，下同)，海管當(dāng)前或未來存在陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)而出現(xiàn)外部腐蝕的風(fēng)險。為保證海管平穩(wěn)、安全運(yùn)行，有必要開展海管陰極保護(hù)狀況評估工作，基于評估結(jié)果來優(yōu)化犧牲陽極更換方案，及時更換失效的陽極塊。

數(shù)值模擬技術(shù)輔助陰極保護(hù)效果評估與方案設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)影響因素多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的保護(hù)對象及其陰極保護(hù)系統(tǒng)，通過基礎(chǔ)參數(shù)輸入和數(shù)值計(jì)算獲得保護(hù)對象的保護(hù)電位分布和犧牲陽極的輸出電流，進(jìn)而預(yù)測犧牲陽極的剩余壽命，以此評估陰極保護(hù)狀況，通過調(diào)整參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化[3-7]。陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地下長輸海管[2]、海上石油平臺[3-5]、海上船只[6-9]及其他設(shè)施[10-11]。本工作針對南海某海管犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測中發(fā)現(xiàn)的陽極消耗問題，基于歷年ROV檢測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬方法開展了整條海管的犧牲陽極陰極保護(hù)效果評估，根據(jù)評估結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)了受損陽極塊的更換方案。

1 陰極保護(hù)的初步設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況

1.1 陰極保護(hù)的初始設(shè)計(jì)

本工作中，海管全長4.847 km，采用雙層管結(jié)構(gòu)，海管外徑為406.4 mm，所在海域地處亞熱帶，水深約110 m，海管周圍溫度為18～21 ℃。為預(yù)防外管發(fā)生海水/海泥腐蝕，外部采用涂層和犧牲陽極的聯(lián)合保護(hù)方式，設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)Nace Standard RP-06-75和Veritas Offshore Standard RP B401。防腐蝕層為0.711 mm厚的熔結(jié)環(huán)氧粉末，在整個服役期間，涂層的平均破損率為5%。犧牲陽極為鐲式陽極，單支質(zhì)量為25.9 kg，厚25.4 mm，長317.1 mm。海水電阻率為22 Ω·cm，裸鋼在海水中達(dá)到陰極保護(hù)所需最低電流密度為172.2 mA/m2；海泥電阻率為110 Ω·cm，裸鋼在海泥中達(dá)到陰極保護(hù)所需最低電流密度為26.9 mA/m2。初始陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中在海管沿線、膨脹彎和立管上共布置了49支鐲式鋁陽極(海管沿線上布置41支陽極，安裝間距為122 m，兩側(cè)膨脹彎各布置4支陽極)，設(shè)計(jì)壽命10 a，海管、膨脹彎和立管犧牲陽極分布見圖1。

1.2 歷年ROV檢測數(shù)據(jù)

獲取了該海管歷年(2005年、2009年、2011年、2013年和2015年)ROV檢測報告及錄像，摘取與海管及其犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：海管的保護(hù)電位基本維持在-990 mV(相對于Ag/AgCl參比電極，以下電位均相對于此參比電極)或更負(fù)，部分區(qū)域電位略負(fù)于-800 mV，即達(dá)到了最低保護(hù)電位-800 mV的要求[12-13]。檢測人員基于外觀觀察法給出了歷年?duì)奚枠O的消耗量，結(jié)果見圖2。由圖2可見：隨著使用年限的增長，部分犧牲陽極的消耗量出現(xiàn)負(fù)增長。為此，重新觀看近幾次ROV檢測錄像，對比各犧牲陽極的逐年變化情況，重新界定犧牲陽極的消耗狀況分布，見圖3。由圖3可見：消耗達(dá)到D級或以下(剩余陽極質(zhì)量低于原始質(zhì)量的50%)的陽極塊有22支，主要集中在3 km以后(3～4.837 km)，大多數(shù)陽極的最大消耗量達(dá)到100%。模擬過程中，假定3 km以后的全部犧牲陽極的消耗為100%，3 km以前(0～3 km)的全部犧牲陽極的消耗為50%。

基于當(dāng)前犧牲陽極消耗狀況，將這條海管分成2段(3 km前和3 km后)，根據(jù)犧牲陽極消耗量可推算1995至2015年間，前后兩段海管所需平均電流密度分別為1.10 mA/m2和2.19 mA/m2。ISO 15589-2-2014標(biāo)準(zhǔn)和DNV RP F103-2016標(biāo)準(zhǔn)建議，未來10 a，該海管表面涂層的破損約增加50%，而在陽極塊更換設(shè)計(jì)中考慮未來10 a海管的涂層破損率增加約50%，將兩段海管所需平均電流密度設(shè)置為1.65 mA/m2和3.29 mA/m2。表1總結(jié)了這2段海管的陰極保護(hù)情況。

圖1 海管犧牲陽極分布圖(初步設(shè)計(jì))Fig. 1 Distribution of sacrificial anodes on submarine pipeline (original designed)

圖2 犧牲陽極的消耗量分布圖(外觀觀察法)Fig. 2 Consumption distribution of sacrificial anodes based on appearance observation method

圖3 校核后的犧牲陽極消耗量分布圖Fig. 3 Consumption of sacrificial anode after calibration

表1 2段海管的陰極保護(hù)情況Tab. 1 Cathodic protection condition of two sections of the sea pipe

2 陰極保護(hù)的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬的基本原理

當(dāng)海管犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，由于所處區(qū)域海水和/或海泥介質(zhì)均勻，根據(jù)電荷守恒定律，海水中的電位分布滿足Laplace方程[2-11]：

2φ=0

(1)

海管及其陰極保護(hù)系統(tǒng)區(qū)域被表面所包圍，則

Γ=ΓA+ΓC+ΓI

(2)

式中：Γ為絕緣表面，采用恒定電流密度作為邊界條件，絕緣表面上無電流的流入與流出，電流密度為零。ΓA和ΓC分別為陰極保護(hù)系統(tǒng)中犧牲陽極和被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)的外表面，邊界條件常根據(jù)極化函數(shù)確定，該函數(shù)表示了極化電流密度i與極化電位E之間的關(guān)系，可通過測量極化曲線確定，即：

i=f(E)

(3)

當(dāng)邊界條件或求解的區(qū)域復(fù)雜時，無法得到Laplace方程的解析解，只能采取數(shù)值計(jì)算方法獲得數(shù)值解。在過去數(shù)十年中，計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展為復(fù)雜問題的數(shù)值計(jì)算提供了良好的平臺，涌現(xiàn)出了有限差分法、有限元法和邊界元法等數(shù)值計(jì)算方法。其中，邊界元法的離散和計(jì)算都只在邊界上，減少了未知數(shù)，計(jì)算得到邊界上的電位和電流密度是陰極保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，因而在陰極保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛[3-5,8-9]。本工作所用BEASY CP軟件即采用了邊界元的計(jì)算方法，在海洋陰極保護(hù)中有著廣泛應(yīng)用[3-5,8-9]。陰極保護(hù)數(shù)值模擬得到的犧牲陽極輸出電流可用于預(yù)測犧牲陽極的剩余壽命，所得海管表面電位分布能夠評估陰極保護(hù)的狀況。當(dāng)犧牲陽極壽命較短或者電位處于欠保護(hù)狀況時，為降低海洋腐蝕風(fēng)險，增加犧牲陽極是必要的。數(shù)值模擬技術(shù)可以模擬新增犧牲陽極后的陰極保護(hù)效果，從而可通過調(diào)整陽極的數(shù)量和位置，實(shí)現(xiàn)陰保系統(tǒng)的優(yōu)化[3-4]。

2.2 數(shù)值模擬模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)和施工圖紙中海管外徑及犧牲陽極初始尺寸，根據(jù)ROV的檢測結(jié)果獲得了犧牲陽極的消耗量，基于此構(gòu)建了海管及其陰極保護(hù)系統(tǒng)的幾何模型。根據(jù)初步設(shè)計(jì)與ROV檢測結(jié)果，將表1中海管所需平均電流密度作為海管的邊界條件。根據(jù)ROV測試獲得的犧牲陽極工作電位平均值-1 020 mV作為犧牲陽極的邊界條件。海管所在海域的海水電導(dǎo)率為4.55 S/m，海泥電導(dǎo)率為0.91 S/m，數(shù)值模擬中采用了該電導(dǎo)率。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 陰極保護(hù)狀況的數(shù)值模擬

基于2015年ROV檢測結(jié)果，同時考慮到前后2段(1～3 km和3～4.837 km)海管的電流密度需求區(qū)別，在現(xiàn)有犧牲陽極消耗狀態(tài)下，考慮海管全部入泥或全部處于海水中時沿線的保護(hù)電位計(jì)算結(jié)果見圖4。由圖4可見：當(dāng)前狀態(tài)或者未來10 a，無論海管處于海水中還是海泥中，海管的陰保保護(hù)電位均負(fù)于-800 mV，能夠得到良好的保護(hù)。

(a) 當(dāng)前狀態(tài)

(b) 未來10 a圖4 海管沿線的陰保電位分布情況Fig. 4 Distribution of cathodic protection potentials along the sea pipe： (a) current state； (b) next 10 a

考慮未來海管涂層的老化即涂層破損率增加50%，海管全部入泥或全部處于海水中時犧牲陽極剩余壽命預(yù)測結(jié)果見圖5。由圖5可見：剩余犧牲陽極在海水和海泥中的剩余壽命分別小于10 a和5.5 a，海管末端的犧牲陽極剩余壽命更低，分別約為8 a和3.5 a，說明部分犧牲陽極會提前失效，未來海管的保護(hù)效果會變差，這與ROV檢測結(jié)果顯示每隔約4 a即有犧牲陽極消耗盡相呼應(yīng)。

3.2 陽極優(yōu)化的數(shù)值模擬

在進(jìn)行海洋工程犧牲陽極的改造或更換設(shè)計(jì)時，根據(jù)保護(hù)對象或保護(hù)范圍不同，同時兼顧施工的簡易性、經(jīng)濟(jì)性等因素，犧牲陽極常被設(shè)計(jì)成不同的形式，往往采用機(jī)械方式連接到被保護(hù)結(jié)構(gòu)上。常用的犧牲陽極有塊狀陽極、鐲式陽極和豆莢式陽極等，通過對比其生產(chǎn)制造難易程度、在目標(biāo)海管相似條件下的保護(hù)效果、更換安裝難易程度等，初步選定采用塊狀陽極或豆莢式陽極，建立的幾何模型如圖6所示。

(a) 塊狀陽極

(b) 豆莢式陽極圖6 塊狀陽極和豆莢式陽極的三維模型示意圖Fig. 6 Schematic diagram of 3D model of block anode (a) and pod anode (b)

對前述海管的犧牲陽極消耗狀況及變化歷程進(jìn)行分析，獲得未來10 a該海管前后2段的電流密度需求分別為1.65 mA/m2和3.29 mA/m2。基于各段海管(包含膨脹彎和立管)的長度和直徑計(jì)算保護(hù)面積，從而獲得2段海管的總平均保護(hù)電流需求量分別為6.60 A和8.56 A。根據(jù)10 a的設(shè)計(jì)壽命、犧牲陽極消耗率為3.8 kg/(A·a)，利用系數(shù)0.9計(jì)算得到海管所需陽極質(zhì)量為640 kg，目前剩余陽極質(zhì)量為235 kg(2支B級陽極，26支C級陽極)，故需要補(bǔ)充405 kg陽極。分別采用塊狀陽極和豆莢式陽極設(shè)計(jì)了三種更換方案，見表2。

將三種方案下的新增犧牲陽極三維模型加入到當(dāng)前海管及剩余犧牲陽極的模型中，對其陰極保護(hù)效果開展模擬分析，預(yù)測三種方案下新加陽極和原有陽極聯(lián)合保護(hù)的海管的保護(hù)電位分布及原有犧牲陽極剩余壽命如圖7所示。由圖7可見：采用方案2和方案3時，海管的陰保電位水平要好于采用方案1時的；且新增陽極塊后，原有剩余犧牲陽極的壽命得到延長，其中方案2的效果最佳。

表2 犧牲陽極的初步更換方案Tab. 2 Initial replacement plan for sacrificial anode

(a) 海管保護(hù)電位分布

(b) 現(xiàn)有陽極使用壽命圖7 采用不同陽極優(yōu)化方案后，海管沿線陰保電位及原有陽極剩余壽命的預(yù)測結(jié)果Fig. 7 Prediction results of the cathodic protection potential along the sea pipe (a) and the remaining life of the original anode (b) after using different anode optimization schemes

盡管加入新陽極塊后，海管能夠得到有效保護(hù)，但原有剩余陽極在苛刻條件下的壽命仍不足10 a，為此，預(yù)測原有剩余陽極耗盡且新加陽極消耗到標(biāo)準(zhǔn)要求的90%(即犧牲陽極剩余10%)時的保護(hù)效果，見圖8。由圖8可見：在此情況下，方案1不能提供足夠保護(hù)，不推薦使用；方案2能夠提供較為均勻的保護(hù)且保護(hù)水平高于方案3的，推薦使用該方案。方案2采用梯形陽極，尺寸為900 mm×(170+150) mm×160 mm，陽極內(nèi)設(shè)置直徑為50 mm的鋼管鐵芯，與陽極底座焊接以固定陽極；陽極底座采用尺寸為50 mm×50 mm×5mm的角鋼和100 mm×48 mm×5.3 mm的槽鋼焊接而成，坐落于地床上；連接海管的機(jī)械夾具采用電纜焊接至陽極處，采用鋼索固定到底座上以防止電纜斷裂。方案2的安裝照片見圖9，安裝后分別于2017年和2019年開展了ROV檢測，結(jié)果表明，海管的陰保電位與模擬結(jié)果接近，整體均負(fù)于-988 mV。

圖8 只有新加陽極且消耗到90%時，海管陰保電位的預(yù)測結(jié)果Fig. 8 Predicted results of cathodic protection potential along the sea pipe when the anode was newly added and its consumption reached 90%

圖9 新加犧牲陽極安裝圖Fig. 9 Installation photo of newly added sacrificial anode

4 結(jié)論

以在役某海管及其犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)為研究對象，評估了其陰極保護(hù)狀況，進(jìn)行了犧牲陽極更換優(yōu)化方案的數(shù)值模擬研究，獲得以下主要結(jié)論：

(1) 通過對陰極保護(hù)系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)、過往測試數(shù)據(jù)以及水下機(jī)器人(ROV)檢測數(shù)據(jù)的分析，利用數(shù)值模擬計(jì)算方法評估現(xiàn)有的陰極保護(hù)水平可知，當(dāng)前海管的陰保電位仍然達(dá)標(biāo)(負(fù)于-800 mV)，但犧牲陽極整體壽命不足10 a，且部分尚未完全消耗的陽極在苛刻條件下的壽命約為4 a，這與ROV檢測結(jié)果基本一致。

(2) 通過數(shù)值模擬，分別從陰保電位水平、犧牲陽極剩余壽命及末期海管陰保水平三方面優(yōu)選了犧牲陽極更換方案，確定采用方案2為最優(yōu)方案。

(3) 方案2所用陽極在2016年、2017年和2019年逐批安裝，2017年和2019年的ROV檢測結(jié)果表明，陰極保護(hù)效果良好，陰保電位負(fù)于-988 mV，與模擬結(jié)果一致。