基于外加電流的FPSO整體陰極保護(hù)狀態(tài)評估方法

吳 雨 吳傳偉 宋世德 黃 一

（1. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

FPSO（浮式生產(chǎn)儲油卸油船）兼有生產(chǎn)、儲油和卸油的功能，是海洋工程中的高技術(shù)產(chǎn)品[1]。FPSO由于自身特點(diǎn)，將長期處在海水環(huán)境中作業(yè)，而海水環(huán)境是一種惡劣的腐蝕環(huán)境[2]，海洋鋼結(jié)構(gòu)物在惡劣的海洋腐蝕環(huán)境中通常需要采用陰極保護(hù)措施對其進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

陰極保護(hù)法分為外加電流陰極保護(hù)法和犧牲陽極陰極保護(hù)法[3]，外加電流陰極保護(hù)法因其安裝快速、費(fèi)用低、輸出電流大等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的腐蝕防護(hù)中[4]。在陰極保護(hù)系統(tǒng)下，保護(hù)電位可以直觀的表示船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)狀態(tài)。通常，船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的保護(hù)狀態(tài)通過安裝在其關(guān)鍵部位上的參比電極測量得到的電位值來評估。但對于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的某些區(qū)域，例如結(jié)構(gòu)角隅處，這些區(qū)域由于屏蔽效應(yīng)，電位更低、更容易發(fā)生腐蝕且受到施工條件的限制，無法安裝參比電極，從而無法對這些區(qū)域的保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行評估。

本工作基于數(shù)值模擬對FPSO整體陰極保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行評估。該方法首先建立FPSO邊界元模型，利用數(shù)值模擬計(jì)算軟件確定外加電流陰極保護(hù)最優(yōu)參數(shù)；然后根據(jù)得到的最優(yōu)陰極保護(hù)參數(shù)，計(jì)算FPSO在全壽命期不同工況下的保護(hù)狀態(tài)，得到陰極保護(hù)數(shù)據(jù)庫；最后根據(jù)FPSO上監(jiān)測點(diǎn)處參比電極測量的電位值，利用評估算法得到當(dāng)前FPSO整體陰極保護(hù)狀態(tài)。

1 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)簡介

外加電流陰極保護(hù)法是將直流電通向被保護(hù)結(jié)構(gòu)，使之陰極極化，從而達(dá)到陰極保護(hù)的目的。當(dāng)外加電流陰極保護(hù)法應(yīng)用在FPSO上時，其工作原理是：直流電源負(fù)極與FPSO船體鋼板連接，直流電源正極與安裝在FPSO船殼外部且與船體絕緣的輔助陽極連接，電路接通后，電流從輔助陽極經(jīng)海水至船體外殼涂層破損處鋼板，形成閉合回路，使FPSO船體外殼鋼板受到陰極極化而免受海水腐蝕[5]。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)如圖1所示，其主要由以下幾個部分組成：

圖1 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)示意圖

（1）電位儀：輸出低壓直流電；

（2）輔助陽極：釋放陰極保護(hù)電流；

（3）輔助陽極屏蔽層：使陰極保護(hù)范圍擴(kuò)大、保護(hù)電位更均勻；

（4）參比電極：采集監(jiān)測點(diǎn)處的電位信號。

2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)確立

外加電流陰極保護(hù)參數(shù)包括：輔助陽極數(shù)量、輔助陽極輸出電流、輔助陽極布置位置以及參比電極數(shù)量和布置位置[6]，本部分基于數(shù)值模擬確定各參數(shù)。

2.1 輔助陽極布置

在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，輔助陽極數(shù)量、輔助陽極輸出電流、輔助陽極布置位置對FPSO船體水下結(jié)構(gòu)表面電位的分布起著決定性作用。合理的輔助陽極數(shù)量、輔助陽極輸出電流和輔助陽極布置位置，不僅能使得被保護(hù)結(jié)構(gòu)處于完全保護(hù)狀態(tài)還能節(jié)省成本。

針對FPSO船型展開輔助陽極布置方案的研究，首先根據(jù)船型主尺度參數(shù)和型線圖建立FPSO水下濕表面邊界元模型，船型主尺度如表1所示。再根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定水下結(jié)構(gòu)所需要的保護(hù)電流密度，并以此估算出滿足設(shè)計(jì)保護(hù)電位需要的總電流大??；然后根據(jù)單個輔助陽極最大輸出電流初步確定輔助陽極數(shù)量，并參考規(guī)范，確定陽極屏大?。桓鶕?jù)FPSO水下外表面的結(jié)構(gòu)初步確定各個輔助陽極的布置位置；最后將各陰極保護(hù)參數(shù)輸入至數(shù)值模擬軟件中對FPSO陰極保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)每次計(jì)算得到的FPSO陰極保護(hù)電位云圖，優(yōu)化輔助陽極位置和輸出電流大小，直至得到最優(yōu)參數(shù)，具體流程如圖2所示。

表1 FPSO主尺度

圖2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程

經(jīng)過多次參數(shù)優(yōu)化，最終得到了FPSO外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)輔助陽極的最優(yōu)參數(shù)：船體兩舷側(cè)對稱布置共4對輔助陽極；各對輔助陽極距離船尾的垂直距離分別為46m、118m、196m、272m，各對輔助陽極距離船底的高度分別為7m、6m、6m、5.5m；各陽極屏的半徑為6.5m；8個輔助陽極的初始輸出電流均為6A，且以4.2A的年變化率線性增加。FPSO外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的輔助陽極布置如圖3所示，其中綠色區(qū)域?yàn)镕PSO設(shè)計(jì)水線以下船體外殼，黃色區(qū)域?yàn)殛枠O屏，輔助陽極布置在陽極屏中心位置。最優(yōu)輔助陽極參數(shù)下全壽命初期和末期水下結(jié)構(gòu)的電位云圖和電位信息分別如圖4和表2所示。

圖3 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)輔助陽極布置圖

圖4 最優(yōu)外加電流陰極保護(hù)參數(shù)下全壽命初期和末期FPSO水下結(jié)構(gòu)電位云圖

表2 最優(yōu)外加電流陰極保護(hù)參數(shù)下全壽命初期和末期FPSO水下結(jié)構(gòu)電位信息

2.2 參比電極布置

為實(shí)現(xiàn)對FPSO水下外表面陰極保護(hù)狀態(tài)的評估，需要測量FPSO水下結(jié)構(gòu)外表面特定位置處的電位值，此時參比電極的布置位置就顯得十分重要。

本部分依據(jù)FPSO水下結(jié)構(gòu)并結(jié)合參比電極監(jiān)測點(diǎn)的布置原則，對FPSO上監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行布置。

參比電極布置原則如下：

（1）監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和典型部位；

（2）為加強(qiáng)對容易出現(xiàn)欠保護(hù)或者過保護(hù)區(qū)域的監(jiān)測，應(yīng)選擇電位較高和電位較低處作為監(jiān)測點(diǎn)；

（3）對于對稱結(jié)構(gòu)，監(jiān)測點(diǎn)盡量對稱布置，當(dāng)某個參比電極電位測量異常時可作對照使用，即傳感器冗余；

（4）考慮在不同結(jié)構(gòu)部位以及部分角隅處布置監(jiān)測點(diǎn)；

（5）在滿足監(jiān)測需求的情況下，盡量減少監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目，以減少在結(jié)構(gòu)側(cè)壁開孔數(shù)，節(jié)約成本；

（6）要考慮參比電極安裝時的可操作性。

根據(jù)輔助陽極布置得到的水下結(jié)構(gòu)電位分布云圖并結(jié)合電位監(jiān)測點(diǎn)布置原則，在FPSO上對稱布置共6個電位監(jiān)測點(diǎn)，其中包括：船尾處一組對稱監(jiān)測點(diǎn)，船中處一組對稱監(jiān)測點(diǎn)，船首角隅處一組對稱監(jiān)測點(diǎn)。具體布置如圖5所示，其中紅色點(diǎn)即為監(jiān)測點(diǎn)。

圖5 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)參比電極布置示意圖

3 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)評估

本部分包括FPSO陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫建立和保護(hù)狀態(tài)評估。

3.1 保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫

確定FPSO外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)后，利用腐蝕數(shù)值模擬軟件計(jì)算FPSO在全壽命期內(nèi)不同工況下的外加電流陰極保護(hù)狀態(tài)。如圖6、圖7所示，分別為第20年船首左舷輔助陽極損壞和第25年船尾右舷輔助陽極損壞下的保護(hù)狀態(tài)電位云圖。

圖6 第20年船首左舷輔助陽極損壞示意圖

圖7 第25年船尾右舷輔助陽極損壞示意圖

將計(jì)算得到的不同工況下FPSO外加電流陰極保護(hù)狀態(tài)對應(yīng)的保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件匯總，即得到全壽命期內(nèi)FPSO外加電流陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，F(xiàn)PSO保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件如圖8所示。

圖8 外加電流陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件

3.2 陰極保護(hù)狀態(tài)評估

當(dāng)FPSO外加電流陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫建立之后，可以通過各監(jiān)測點(diǎn)采集到的電位信息對當(dāng)前FPSO的保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行評估。然而，陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)文件龐大，這里將陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行簡化。

參考海洋結(jié)構(gòu)物的腐蝕與防護(hù)，當(dāng)FPSO不發(fā)生大面積的防護(hù)涂層脫落時，F(xiàn)PSO的陰極保護(hù)存在以下三個理論[7]：

（1）陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫可反映全壽命周期內(nèi)FPSO所有陰極保護(hù)狀態(tài)；

（2）某一時刻采集的一組保護(hù)電位唯一對應(yīng)一種FPSO陰極保護(hù)狀態(tài)；

（3）監(jiān)測點(diǎn)采集的保護(hù)電位值與陰極保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中與之對應(yīng)點(diǎn)的電位越接近，兩者所對應(yīng)的陰極保護(hù)狀態(tài)越接近。

因此，首先從保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中，提取各監(jiān)測點(diǎn)位置處的電位值，代表陰極保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn)電位參考值[8]，對陰極保護(hù)數(shù)據(jù)庫中的每個文件都做相同操作，形成一個PFSO陰極保護(hù)特征數(shù)組，如圖9所示。其中V代表保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)文件中監(jiān)測點(diǎn)處的電位，6代表FPSO上的監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)個，N代表陰極保護(hù)數(shù)據(jù)文件的個數(shù)。

圖9 FPSO陰極保護(hù)特征數(shù)組

將各監(jiān)測點(diǎn)處參比電極的實(shí)測電位值形成一個6維向量，通過評估算法在FPSO陰極保護(hù)特征數(shù)組中找到與監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測電位向量最接近的行向量，該行向量對應(yīng)的FPSO陰極保護(hù)狀態(tài)即為當(dāng)前FPSO陰極保護(hù)狀態(tài)，最后以三維電位云圖的形式顯示此陰極保護(hù)狀態(tài)。

圖10 實(shí)測電位向量

4 結(jié)語

基于外加電流的FPSO整體陰極保護(hù)狀態(tài)評估方法可以對FPSO水下船體外殼的保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行評估，并可將保護(hù)狀態(tài)評估結(jié)果以三維電位云圖的形式直觀顯示。這為調(diào)整各輔助陽極的輸出電流，使得FPSO處于更好的陰極保護(hù)狀態(tài)提供了參考依據(jù)。