周偉
(大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司,遼寧 大連 116113)
DNV-GL船級(jí)社出版的推薦規(guī)程RP-B101和PR-B401現(xiàn)已成為FPSO新造和改裝工程犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)和布置的準(zhǔn)則之一,絕大多數(shù)油公司、運(yùn)營(yíng)商、承包商和設(shè)計(jì)公司都只認(rèn)可并推薦按照RP-B101和RP-B401進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和布置。通過(guò)理論計(jì)算得出的FPSO改裝工程的犧牲陽(yáng)極,不僅數(shù)量龐大,而且規(guī)格形狀呈現(xiàn)出特異性;又由于FPSO改裝工程艙內(nèi)結(jié)構(gòu)、管系、舾裝難以在工程初期就完成設(shè)計(jì)建模,于是,部分犧牲陽(yáng)極安裝困難,現(xiàn)場(chǎng)修改量大。
FPSO經(jīng)歷數(shù)十年的運(yùn)營(yíng),也逐漸暴露出了長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)塢維修保養(yǎng)的弊端。其中,艙內(nèi)的重要問(wèn)題就是犧牲陽(yáng)極在長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)水、海水,以及地層水反復(fù)作為介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕過(guò)程中,消耗量超過(guò)計(jì)算值;且隨著長(zhǎng)時(shí)間的陽(yáng)極溶解以及長(zhǎng)周期的端面腐蝕,陽(yáng)極已經(jīng)很難保持最初的理論電容量,這種情況更加劇了局部的陽(yáng)極消耗量;加之沖蝕溶解,部分陽(yáng)極在FPSO運(yùn)營(yíng)5~10年之間就消耗殆盡,需要及時(shí)更換,否則整艙陽(yáng)極都會(huì)面臨極速消耗的情況[1-2]。而海上更換犧牲陽(yáng)極相對(duì)于碼頭塢內(nèi),環(huán)境更惡劣,操作更費(fèi)時(shí)費(fèi)力,人工成本巨大。
目前還沒(méi)有針對(duì)這種狀況的具體操作規(guī)范或指南,國(guó)內(nèi)研究人員已經(jīng)意識(shí)到犧牲陽(yáng)極在不同介質(zhì)、不同溫度等因素下,會(huì)產(chǎn)生過(guò)量消耗問(wèn)題,并且給出了特定溶液介質(zhì)和特定陽(yáng)極材質(zhì)下的陽(yáng)極可能的消耗情況,并認(rèn)為控制腐蝕消耗速度是可靠的解決方案[3-4],但這些結(jié)論的工程意義有限。因此考慮采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)試算的方法,優(yōu)化FPSO改裝項(xiàng)目的犧牲陽(yáng)極計(jì)算方案;同時(shí),優(yōu)化犧牲陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)型式,給出建議布置安裝方案,簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝,降低施工難度。
RP-B101中所給出的計(jì)算方法是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),選定凈重量、總重量、陽(yáng)極長(zhǎng)度和截面尺寸的犧牲陽(yáng)極,之后采用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出所需犧牲陽(yáng)極的數(shù)量,并使用這些參數(shù)核算是否總重量和總輸出電流的要求,如果滿足要求,則認(rèn)為選定的犧牲陽(yáng)極符合條件;如果不滿足要求,則調(diào)整數(shù)量或者凈重量或者陽(yáng)極長(zhǎng)度或者截面尺寸;如果仍舊不滿足,則需要更換整體陽(yáng)極進(jìn)行重新計(jì)算,直到滿足要求為止。通常壓載艙、污油水艙等選擇國(guó)標(biāo)GB/T4950—2002《鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極》,油艙、海底閥箱和外板等選擇國(guó)標(biāo)GB/T4948—2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極》,通過(guò)計(jì)算后,幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)陽(yáng)極均滿足要求,區(qū)別在于選擇不同規(guī)格的陽(yáng)極最終數(shù)量會(huì)隨之增加或減少。
對(duì)于犧牲陽(yáng)極的數(shù)量,其計(jì)算依據(jù)來(lái)源于RP-B101 中第3.9節(jié)中給出的犧牲陽(yáng)極總重量的計(jì)算公式。
(1)
式中:μ為陽(yáng)極利用率;ε為陽(yáng)極電容量,Ah/kg。
FPSO常年錨泊于海上固定地點(diǎn),并不需要長(zhǎng)時(shí)間的壓載,因此其部分艙室,尤其是壓載水艙,利用率并不高;而對(duì)于犧牲陽(yáng)極,必須要有溶液介質(zhì),才能夠起到電化學(xué)保護(hù)作用;因此在沒(méi)有壓載水或是介質(zhì)溶液的時(shí)間周期內(nèi),不需要考慮設(shè)置犧牲陽(yáng)極;因此,引入艙室使用率β對(duì)式(1)加以修正。
(2)
對(duì)于β的取值,壓載艙即為壓載率;油艙則為使用率,一般選擇1;污油水艙的使用率一般選擇0.5;OFF-SPEC艙的使用率一般選擇0.5;生產(chǎn)水艙的使用率一般選擇0.5;海底閥箱則一直處于浸沒(méi)狀態(tài),所以使用率為1;外板下立管區(qū)域結(jié)構(gòu)和海水提升結(jié)構(gòu)也一直處于浸沒(méi)狀態(tài),所以使用率也為1。
關(guān)于壓載艙壓載率的計(jì)算,根據(jù)推薦規(guī)程和FPSO的縱傾和穩(wěn)性報(bào)告,壓載艙以艙內(nèi)各平臺(tái)為依據(jù),通常劃分為5個(gè)區(qū)域,見(jiàn)圖1。
圖1 壓載艙區(qū)域劃分
根據(jù)穩(wěn)性手冊(cè)找出各壓載艙的壓載率,再加上基礎(chǔ)保護(hù)周期的壓載率。對(duì)于在整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)預(yù)期不使用的壓載艙;只考慮提供基礎(chǔ)為2年的意外事故保護(hù)周期;對(duì)于在整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)預(yù)期使用的壓載艙,則在壓載率的基礎(chǔ)上,增加考慮提供基礎(chǔ)為2年的意外事故保護(hù)周期(針對(duì)區(qū)域3~5),增加考慮提供基礎(chǔ)為3年的意外事故保護(hù)周期(針對(duì)區(qū)域1和2);在意外事故保護(hù)周期內(nèi),壓載率為100%。
例如,某FPSO改裝項(xiàng)目1右壓載艙在穩(wěn)性手冊(cè)中的壓載率為0+0+0.17+0.17+0.13+0.03=0.50;犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)使用壽命為21年,那么1右壓載艙區(qū)域1和區(qū)域2的最終壓載率即為0.50+1×3/21=0.64,區(qū)域3~5的最終壓載率為0.50+1×2/21=0.6。
關(guān)于Icm和Icf的計(jì)算,RP-B101中第3.8.4節(jié)中給出下式。
Ic=Ac×ic×fc
(3)
式中:Ic為電流需求,Ah;Ac為表面積,m2;ic為設(shè)計(jì)(或需求)電流密度,A/m2;fc為涂層破壞系數(shù)。其中ic·fc取值根據(jù)RP-B101的表B-6~B-12,其數(shù)值呈線性分布。因此,如果犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)使用年限與表格中所給年限不一致時(shí),可以使用線性插值的方法進(jìn)行計(jì)算取值;這種取值方法適用于沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)值時(shí)。如果船東要求針對(duì)特定溶液中的裸鋼進(jìn)行需求電流密度進(jìn)行測(cè)定,那么ic的取值則需要在特定電位下(例如,-0.9 V)進(jìn)行測(cè)得;同時(shí),fc的取值依據(jù)RP-B101的表B-5。
犧牲陽(yáng)極試驗(yàn)是通常按照DNV RPB401附錄B或NACE TM0190[5]的程序進(jìn)行。其中DNV RPB401附錄B中給出的試驗(yàn)方法是采用4 d為1個(gè)周期,每天施加不同的高電流,試樣表面積約為1 640 mm2;而NACE TM0190則采用14 d為1個(gè)周期,1個(gè)周期內(nèi)施加相同而穩(wěn)定的低電流,試樣表面積為3 900 mm2;二者對(duì)比可以看出,對(duì)于FPSO這種長(zhǎng)周期的陽(yáng)極消耗項(xiàng)目,采用NACE TM0190中的試驗(yàn)方法,更能表達(dá)陽(yáng)極性能。
以某FPSO項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)、計(jì)算、安裝布置,試驗(yàn)程序與試驗(yàn)設(shè)備以及制造采用DNV-GL標(biāo)準(zhǔn),裸鋼和犧牲陽(yáng)極的試驗(yàn)則采用NACE TM0190標(biāo)準(zhǔn)。
各艙室的操作溫度和最大設(shè)計(jì)溫度見(jiàn)表1,艙室液體中包含的各鐘離子濃度范圍見(jiàn)表2,含氧量要盡可能地趨于0。
表1 各艙室溫度表 ℃
表2 艙室溶液成分
需要注意的是,采用氮?dú)獬鹾?,需要在試?yàn)箱內(nèi)放置低亞硫酸鈉除去箱內(nèi)的氧,以便保證溶液的含氧量在試驗(yàn)過(guò)程中始終趨于0,不會(huì)由于外界環(huán)境中的氧溶于溶液中而增加含氧量;另外需要定期檢測(cè)輸入電流值,防止電流漂移。
試驗(yàn)中所涉及的關(guān)鍵影響因素是溶液的鹽度、溫度和pH值[6],通常的析氫反應(yīng)在酸性環(huán)境中會(huì)更強(qiáng)烈,試驗(yàn)的目的也是測(cè)得相對(duì)極端狀態(tài)下陽(yáng)極的實(shí)際電容量,pH值為8.0時(shí),溶液呈現(xiàn)弱堿性,析氫反應(yīng)不明顯。因此,選擇pH值5.5作為試驗(yàn)條件。對(duì)于溫度的選擇,無(wú)需考慮最高溫度,最高溫度只是用于測(cè)試陽(yáng)極溶解情況。鹽度的取值范圍則變化很大,單獨(dú)取35 000 mg/L或240 000 mg/L作為試驗(yàn)條件難以評(píng)估真實(shí)的電容量,而如果按每20 000 mg/L進(jìn)行劃分,將會(huì)多達(dá)11種溶液,即便按50 000 mg/L進(jìn)行劃分,也多達(dá)5種溶液,按單次試驗(yàn)14 d的周期計(jì)算,耗時(shí)約70 d,試驗(yàn)周期太長(zhǎng),與項(xiàng)目推進(jìn)矛盾。因此,取中間值137 500和35 000、240 000 mg/L,三種溶液進(jìn)行試驗(yàn);如果最終得出的數(shù)值明顯不相關(guān),則再取其他鹽度值進(jìn)行試驗(yàn)。
鋁合金陽(yáng)極各元素含量見(jiàn)表3,理論電容量為2 892.54 A·h/kg。
表3 鋁陽(yáng)極元素含量
鋅合金陽(yáng)極元素含量見(jiàn)表4,理論電容量為830.1 A·h/kg。
表4 鋅陽(yáng)極元素含量
試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、6。
表5 鋁合金陽(yáng)極試驗(yàn)結(jié)果
表6 鋅合金陽(yáng)極試驗(yàn)結(jié)果
從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),鋅合金陽(yáng)極在不同鹽度下電化學(xué)效率損失很低,在高鹽度下仍然能夠保持自身的性能;鋁合金陽(yáng)極隨著鹽度的上升,電化學(xué)效率逐步降低,損失較高,且在初始鹽度時(shí),電化學(xué)效率就有較大損失,在高鹽度下,其電化學(xué)效率僅為理論值的39.41%,性能損失極大。
裸鋼的試驗(yàn)則采用控制電位法測(cè)定裸鋼在不同鹽度溶液中的極化情況。增加在25 ℃也就是理論海水溫度(FPSO營(yíng)運(yùn)水域海水平均溫度);測(cè)量時(shí)將魯金毛細(xì)管盡量靠近電極表面5 mm以內(nèi),并保證不能擾動(dòng)電極表面的腐蝕產(chǎn)物,記錄開(kāi)路電位,保持整個(gè)電解池不變,設(shè)定極化曲線從開(kāi)路電位至-1.2 V自動(dòng)掃描,掃描間隔5 mV,掃描時(shí)間30 s,記錄電流值變化,見(jiàn)圖2。
圖2 不同溶液中的裸鋼的極化變化
裸鋼在-0.9 V電位下的保護(hù)電流密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 裸鋼的需求保護(hù)電流密度
最終取值也是按照鹽度中間值進(jìn)行選取,即45 ℃時(shí),裸鋼的保護(hù)電流密度為446 mA/m2;25 ℃時(shí),裸鋼的保護(hù)電流密度為330 mA/m2。
DNV-GL RPB401給出的裸鋼理論需求平均保護(hù)電流為100 mA/m2,實(shí)際試驗(yàn)得出的結(jié)果是理論需求的3.3~4.5倍,實(shí)際陽(yáng)極使用量成倍數(shù)增加。
某FPSO改裝項(xiàng)目為便于現(xiàn)場(chǎng)施工,貨油艙選擇了凈重12kg的鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極,通過(guò)試驗(yàn),貨油艙裸鋼所需電流密度為330 mA/m2,計(jì)算各貨油艙所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量見(jiàn)表8。
由表8可以看出,貨油艙實(shí)際所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量過(guò)大,每塊陽(yáng)極的保護(hù)面積僅為1.48 m2,陽(yáng)極在貨油艙內(nèi)布置極密,顯然所選取的犧牲陽(yáng)極重量不合理。而且通常的維修操作,也會(huì)考慮單塊陽(yáng)極的重量,以及陽(yáng)極的總數(shù)量,一方面要保證陽(yáng)極更換時(shí)的人員操作安全;另一方面也需要考慮操作的時(shí)間周期;通常在艙內(nèi)單人搬運(yùn)重物是要求25 kg以下,雙人搬抬則是在40 kg以下,因此,考慮改型國(guó)標(biāo)GB/T4948—2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極》中的標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)極,設(shè)計(jì)一種凈重量在38 kg左右的陽(yáng)極[7-9],尺寸為900 mm×(12+13.5)mm×12,通過(guò)代入計(jì)算,各貨油艙所需犧牲陽(yáng)極數(shù)量見(jiàn)表9。
表8 艙室犧牲陽(yáng)極數(shù)量
表9 化后各艙室犧牲陽(yáng)極數(shù)量
可以看出,增加犧牲陽(yáng)極單塊重量,所需數(shù)量隨之減少,單塊陽(yáng)極保護(hù)面積擴(kuò)大到4.66 m2,從而降低了艙內(nèi)陽(yáng)極布置和安裝難度。但是,由于陽(yáng)極總體尺寸增大了,在實(shí)際操作安裝維修過(guò)程中,會(huì)引起諸多不便,安裝維修比較困難。
同一FPSO生產(chǎn)水艙選擇了凈重58 kg的鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極,艙內(nèi)裸鋼所需電流密度也為330 mA/m3;通過(guò)計(jì)算,本艙室總計(jì)需要1 221塊陽(yáng)極才能滿足21年的設(shè)計(jì)使用壽命,整個(gè)艙室布置后,如圖3所示,陽(yáng)極幾乎占滿了整個(gè)艙室,無(wú)論是布置還是安裝,都將非常困難和復(fù)雜。
圖3 FPSO生產(chǎn)水艙陽(yáng)極實(shí)際布置
而由于計(jì)算方法對(duì)于犧牲陽(yáng)極總重量的限制,以及艙內(nèi)空間的實(shí)際限制,目前沒(méi)有很好的解決方案;可行的方案就是減少第一階段的陽(yáng)極安裝數(shù)量,這樣就無(wú)法保證足夠長(zhǎng)時(shí)間的犧牲陽(yáng)極使用年限,需要增加第二階段的犧牲陽(yáng)極安裝,也就是在FPSO運(yùn)營(yíng)期間再次安裝一批次或數(shù)批次陽(yáng)極,保證艙內(nèi)所需的腐蝕電流量,此方案一般不推薦,需與業(yè)主協(xié)商。
所述FPSO的生產(chǎn)水艙最終根據(jù)業(yè)主要求,僅提供了總設(shè)計(jì)使用年限二分之一的犧牲陽(yáng)極,預(yù)留了總設(shè)計(jì)使用年限1/2的陽(yáng)極支架;這也就意味著到了1/2使用年限后,需要重新安裝一整批次的犧牲陽(yáng)極。
1)犧牲陽(yáng)極用量計(jì)算時(shí),需要考慮艙室的浸沒(méi)使用率,并根據(jù)實(shí)際壓載計(jì)劃對(duì)艙室內(nèi)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)劃分,從而有利于犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)與布置。
2)DNV-GL規(guī)程中給出的犧牲陽(yáng)極計(jì)算方法以及給出的建議值,僅適用于普通海水作為溶液介質(zhì)的艙室,實(shí)際艙室由于介質(zhì)溶液的不同,裸鋼的需求保護(hù)電流和犧牲陽(yáng)極的實(shí)際電容量與理論值相差很大。采用試驗(yàn)值計(jì)算后的犧牲陽(yáng)極使用量,在某些高鹽度艙室數(shù)量過(guò)多,極難布置與安裝,也直接影響了FPSO的建造成本;設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以根據(jù)初始計(jì)算值在允許范圍內(nèi)調(diào)整陽(yáng)極的凈重和外形尺寸,減少陽(yáng)極安裝數(shù)量,降低布置和安裝難度。
3)建議特殊艙室與業(yè)主協(xié)商,減小陽(yáng)極設(shè)計(jì)使用年限,采用運(yùn)營(yíng)中二次加裝的方式降低初始陽(yáng)極數(shù)量,降低布置和安裝難度;同時(shí),建議特殊艙室采用特殊組分的犧牲陽(yáng)極,并采用適宜的重量和尺寸,降低整體艙室陽(yáng)極使用量,降低布置和安裝難度,從而降低FPSO的建造成本。