深水導(dǎo)管架平臺外加電流陰極保護優(yōu)化設(shè)計Ⅰ：單座輔助陽極

張偉，張元盛，韓冰，金曦，莊則敬，詹暉

深水導(dǎo)管架平臺外加電流陰極保護優(yōu)化設(shè)計Ⅰ：單座輔助陽極

張偉1，張元盛2，韓冰3，金曦4，莊則敬3，詹暉3

（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司 上海海鎧防腐工程技術(shù)分公司，廣東 湛江 524057；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519000；3.青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；4.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇 常州 213000）

以南海某200 m深水導(dǎo)管架平臺為原型，研究外加電流單座輔助陽極在靜態(tài)和動態(tài)海水條件下的導(dǎo)管架陰極保護電位分布及其變化規(guī)律。采用一定比例縮小的導(dǎo)管架模型，對其施加外加電流陰極保護，研究不同條件下的陰極保護電位分布，以及電位分布的變化規(guī)律。輔助陽極距離導(dǎo)管架模型越遠，模型整體的陰極保護越均勻，反之，則越不均勻。導(dǎo)管架距離輔助陽極最近的區(qū)域，陰極保護電流密度最大，易出現(xiàn)過保護風(fēng)險，而平臺內(nèi)部屏蔽嚴(yán)重區(qū)域和距離輔助陽極較遠的水面附近導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，陰極保護電位負移程度最小，易出現(xiàn)欠保護風(fēng)險，這2個典型區(qū)域應(yīng)當(dāng)是陰極保護監(jiān)測的重點位置。在相同保護電流密度和保護距離下，從靜態(tài)到動態(tài)轉(zhuǎn)換時，整座導(dǎo)管架表面的電位均呈現(xiàn)上升趨勢，電位差值更大，分布更不均勻。隨著陰極保護時間的延長，代表沉積層形成質(zhì)量和覆蓋程度的表觀電阻率sr呈現(xiàn)初期快速增加、后期緩慢升高的趨勢。海水流動會導(dǎo)致沉積層變薄，甚至脫落，使得動態(tài)海水環(huán)境中sr較同時期靜態(tài)環(huán)境下的小。在導(dǎo)管架模型的一側(cè)放置一套輔助陽極，可實現(xiàn)整個模型的有效陰極保護。

海洋腐蝕；導(dǎo)管架平臺；陰極保護；縮比模型；優(yōu)化設(shè)計；外加電流陰極保護系統(tǒng)（ICCP）

相較于淡水、內(nèi)陸大氣環(huán)境，海洋環(huán)境的腐蝕活性離子含量高，海浪、洋流、微生物等因素，也加重了鋼構(gòu)物的腐蝕程度，從而對平臺、設(shè)備造成巨大的破壞，并產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[1-10]。由于海洋工程平臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大，因此平臺的制造成本和維修維護成本都十分高昂[11]，為了保障海洋工程及其相關(guān)工作的開展，有必要不斷加強海洋工程平臺的防腐工作[12-13]。陰極保護是海洋環(huán)境下防腐的常用方法，通常包含外加電流和犧牲陽極2種技術(shù)路線[14-21]。犧牲陽極法是將活潑金屬（如鋁合金陽極、鋅合金陽極等）通過澆筑在內(nèi)部的鋼芯焊接到被保護鋼結(jié)構(gòu)表面，被保護鋼結(jié)構(gòu)與犧牲陽極之間通過陽極內(nèi)部鋼芯實現(xiàn)電子通道連接，通過海水（電解質(zhì)溶液）實現(xiàn)離子通道的導(dǎo)通，從而構(gòu)建起犧牲陽極（陽極體）–鋼芯（電子通道）–被保護鋼結(jié)構(gòu)（陰極體）–海水的腐蝕原電池。活潑金屬發(fā)生陽極溶解，釋放出保護電流給被保護鋼結(jié)構(gòu)，海水環(huán)境中的溶解氧在鋼結(jié)構(gòu)表面還原，從而避免鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕[22]。外加電流陰極保護系統(tǒng)，主要包括直流電源和輔助電極，由直流電源發(fā)生陰極電流，流向被保護物，電流再經(jīng)輔助陽極流回電源，形成電流回路，實現(xiàn)被保護物始終通過陰極電流，從而不發(fā)生腐蝕[23]。

犧牲陽極的優(yōu)點是，在陸地將所有部件一次性安裝完成后，將不再需要進行后期維護；電流分布均勻[24-25]。因此，被廣泛地應(yīng)用于苛刻海洋環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護，比如海底油氣管道、石油導(dǎo)管架平臺、深海采油樹等固定鋼結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。但犧牲陽極的制造過程存在環(huán)境污染、耗能嚴(yán)重的弊端，且犧牲陽極單支發(fā)生電流密度小，一般每支不超過3 A。因此，需要安裝大量的犧牲陽極才能滿足長壽命服役需要。例如，對于200 m水深左右的大型導(dǎo)管架平臺，常常需要安裝上百支200～300 kg的犧牲陽極，才能實現(xiàn)15～20 a的服役壽命。將大量的鋁陽極轉(zhuǎn)移到海洋環(huán)境中，重金屬離子的釋放存在潛在的環(huán)境污染隱患。犧牲陽極一旦損壞，其更換成本高昂，尤其是在深水環(huán)境[26]。

不同于犧牲陽極，外加電流陰極保護用輔助陽極單支可發(fā)生電流20 A以上，比如船用輔助陽極的發(fā)生電流可達50 A，體積小，質(zhì)量輕，可大幅度節(jié)約能源消耗，如圖1b所示。對于體積較大的海洋工程鋼結(jié)構(gòu)，可以將大量的輔助陽極放置在一起，形成一個輔助陽極陣列，單個陣列的輔助陽極的發(fā)生電流可以達到500 A以上，在國內(nèi)外海洋工程陰極保護中常被采用[27-30]。這種輔助陽極集中布置的方式大大降低了安裝費用，尤其適合于大型海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護和驗收修復(fù)需要。但是，如此大的發(fā)生電流體量，同時帶來了另外一個問題，即容易出現(xiàn)過保護和欠保護問題。例如在對大型導(dǎo)管架平臺進行陰極保護時，因為導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)十分龐大且復(fù)雜，容易在輔助陽極區(qū)域附近產(chǎn)生過保護現(xiàn)象，并在遠離輔助陽極區(qū)域、內(nèi)部屏蔽區(qū)域產(chǎn)生欠保護風(fēng)險，所以應(yīng)當(dāng)進行陰極保護的優(yōu)化設(shè)計來維持保護程度[31]。

圖1 安裝在導(dǎo)管架平臺上的犧牲陽極和安裝在船舶上的輔助陽極

目前，評價導(dǎo)管架保護狀態(tài)最直接的參數(shù)就是鋼結(jié)構(gòu)表面的電位分布。通常情況下，在海洋工程相關(guān)技術(shù)中，使用的鋼結(jié)構(gòu)的保護電位區(qū)間為–0.80～ –1.05 V（海水銀/氯化銀參比電極），高于–0.8 V時認為是欠保護，低于–1.05 V為過保護[32]。過保護和欠保護都會對鋼結(jié)構(gòu)的安全服役產(chǎn)生威脅，尤其是過保護，容易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)表面析氫，引起氫致腐蝕開裂[33]。

近期發(fā)現(xiàn)，位于南海某200 m水深的導(dǎo)管架平臺的犧牲陽極在服役期內(nèi)出現(xiàn)快速消耗，陰極保護電位難以達到設(shè)計要求的相關(guān)問題，因此不得不采取陰極保護延壽技術(shù)對導(dǎo)管架平臺進行修復(fù)。由于平臺服役區(qū)域海水較深，必須采取飽和潛水或者借助水下機器人（ROV）才能更換維修。但是，由于整座平臺安裝了近500支輔助陽極，水下逐一更換犧牲陽極的周期長、難度大、費用高。對于類似這種工程，國外普遍采用外加電流技術(shù)進行延壽修復(fù)[34]。

國內(nèi)外對于大型平臺的修復(fù)，所采用的輔助陽極只要有3種形式：固定式、拉伸式和遠地式[35]。固定式輔助陽極就是將輔助陽極體直接與導(dǎo)管架固定在一起，一方面，想要將輔助陽極直接固定到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，必須借助潛水員和ROV才能完成，費用高；另一方面，由于輔助陽極直接安裝在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，如此近的安裝距離（通常為1～2 m），必然導(dǎo)致輔助陽極不能用大電流進行輸出，無法發(fā)揮其單體能輸出大電流的優(yōu)勢。因此，固定式輔助陽極不宜使用在舊導(dǎo)管架平臺的延壽修復(fù)上，更適合用于新建導(dǎo)管架平臺的腐蝕防護[36]。拉伸式是將輔助陽極體順次安裝到一根電纜上，然后將電纜從上到下拉伸到平臺一側(cè)或者內(nèi)部。其優(yōu)點是輔助陽極從上到下均勻分布，因此整座平臺獲得的電流也更加均勻。缺點是整條電纜穿越飛濺、潮差、大氣和海水幾個區(qū)帶，容易遭受自然環(huán)境破壞，如紫外老化、海流沖擊、漁網(wǎng)拖掛等[37]。遠地式是將輔助陽極放置于海床上，供電電纜沿導(dǎo)管架從下到上鋪設(shè)進入上部供電單元，避免了拉伸式的海洋環(huán)境破壞作用，是目前最為常用的一種外加電流延壽修復(fù)方法[38]。

物理模型是陰極保護常用的優(yōu)化設(shè)計方法，陰極保護的實際情況中，研究對象本身的結(jié)構(gòu)可能過于復(fù)雜，或者規(guī)模過大，為了便于研究，可以對模型進行簡化。例如，紀(jì)俊剛等[39]將海底輸油管簡化為4 m長鋼絲進行物理模擬試驗，應(yīng)用在海水環(huán)境中，得到了在鋁合金犧牲陽極保護下的極化曲線，并將極化曲線作為邊界條件，代入數(shù)值計算中。通過室內(nèi)的模擬試驗，又可以反證數(shù)值計算中的數(shù)學(xué)模型是否合理。由此可見，通過數(shù)值模擬計算進行陰極保護設(shè)計時，縮比模型是便利、高效的方法。李自力等[40]將管線的極化曲線作為邊界條件，利用邊界元算法，計算出了長輸管線表面的陰極保護電位分布，對比室內(nèi)模擬試驗的測試結(jié)果，誤差較小。物理模擬可以實現(xiàn)預(yù)測和優(yōu)化改善陰極保護效果。美國海軍研究所優(yōu)化了艦船的陰極保護系統(tǒng)[41-42]，并證明縮比模型法的測量結(jié)果具有很高的可靠性[43-44]。

由于遠地式輔助陽極單體發(fā)生電流集中且大，因此必須采取陰極保護優(yōu)化方法以確定輔助陽極的最佳位置，避免出現(xiàn)欠保護和過保護風(fēng)險。本文以南海某200 m水深導(dǎo)管架平臺為模型原型，通過建立物理模型，對導(dǎo)管架平臺模型陰極保護進行了相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計。對實際工程來說，輔助陽極數(shù)量越少，安裝費用越低。為此，本文首先從單座輔助陽極開始，調(diào)整輔助陽極位置，研究其對導(dǎo)管架表面電位分布的響應(yīng)，以及鈣鎂沉積層的形成過程對其的響應(yīng)，為實際工程設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 試驗

1.1 試驗裝置

依據(jù)縮比理論，本試驗物理模型是以位于南海某處深度為200 m左右的導(dǎo)管架平臺為原型，按照100︰1縮比。縮比后，模型高209 cm，其中186 cm位于水下，水下總面積為3.825 m2，底部為75 cm×75 cm的正方形，頂部為47 cm×21 cm的長方形，由Q235碳鋼管焊接而成，具體形狀如圖2所示。

圖2 縮比導(dǎo)管架模型與其相應(yīng)參比電極放置的位置

試驗?zāi)Ｐ捅砻娲韰^(qū)域共放置8支微型參比電極[45]，1—3號參比電極安裝在外側(cè)4根主樁腿中的其中一根上，從上到下均勻分布，1號位于最頂部，2號為中間高度，3號位于底部。6—8號參比電極放置在中軸截面最外側(cè)，高度與1—3號對應(yīng)放置。4—5號參比電極放置于導(dǎo)管架中心軸上，從上到下均勻分布。為模擬真實海水條件，試驗池利用取自青島小麥島附近海域的海水100︰1比例稀釋后進行充填，稀釋后的電導(dǎo)率為420.00 μS/cm（校正到25 ℃）。本試驗采用將單座遠地式輔助陽極放置在平臺底部海床上的方式進行，如圖3所示。

圖3 遠地式ICCP

電位分布監(jiān)測是在導(dǎo)管架模型的某些特定點安裝參比電極，由數(shù)據(jù)采集儀自動采集模型對參比電極的電位。參比電極是由銀粉、氯化銀粉末等壓制而成，此類參比電極在海水中連續(xù)使用30 d，其自身的電位波動可在±5 mV范圍內(nèi)。試驗中，使用飽和甘汞電極定期對參比電極進行校正，而數(shù)據(jù)采集與存儲儀電壓分辨率優(yōu)于0.5 mV，輸入阻抗大于10 MΩ，采用8個電壓采集通道。試驗在海洋工程模擬水池內(nèi)進行，水池內(nèi)部尺寸為4.1 m×3.0 m×2.1 m，并在池壁和池底均標(biāo)記刻度線，用于確定輔助陽極與導(dǎo)管架的安裝和定位。水池上方裝有帶滑軌的升降機，可將導(dǎo)管架模型和輔助陽極放置到指定位置，如圖4所示。

圖4 用于吊裝、定位平臺模型和輔助陽極的裝置

一套輔助陽極由4根金屬氧化物（MMO）電極并聯(lián)而成，每根電極有效的放電尺寸為3 mm× 60 mm。室內(nèi)模擬實海的水流裝置如圖5所示。模擬水池的池壁裝有7排5列，共35個出水口，各出水口均勻分布。對側(cè)池壁與池底交界處，裝有一根直徑為150 mm的PVC管，管壁上均勻分布直徑為20 mm的孔，作為循環(huán)水的吸水口。

圖5 模擬海水裝置

1.2 方法

輔助陽極邊緣與導(dǎo)管架模型邊緣的間距設(shè)置為180 cm，如圖6所示。分別對導(dǎo)管架模型施加1 000、500、300 mA的陰極電流，測量模型各位置的電位，研究不同區(qū)域的電位分布情況和變化趨勢。將模型中心調(diào)整到距離出水口40 cm處，同時保留池壁中間的4個水龍頭，并關(guān)閉池壁兩側(cè)的各2個水龍頭，以此來提高海水在試驗水池中的流動速度，并對其流速進行測量。移動輔助陽極，使其從距導(dǎo)管架160cm處移動至距導(dǎo)管架20cm處，測定輔助陽極與導(dǎo)管架保持相同距離且陰極保護電流為恒定電流時，平臺導(dǎo)管架的保護電位處于靜態(tài)和流動海水中的分布情況。同時，研究附著在導(dǎo)管架上的鈣鎂沉積層在附著累積過程中對電位分布、保護電流和平臺保護程度的影響。

圖6 輔助陽極在相對導(dǎo)管架模型位置的俯視圖

2 結(jié)果及分析

2.1 靜態(tài)海水條件下保護電位隨電流密度變化

海洋石油導(dǎo)管架平臺極陰極保護過程中，常常發(fā)現(xiàn)初期犧牲陽極的保護電流密度往往超出了設(shè)計值的2倍以上，從而使導(dǎo)管架的保護電位迅速負移，電位多負于–1 000 mV（vs. Ag/AgCl，下同）?；诖耍o導(dǎo)管架施加1 000 mA的保護電流，即260 mA/m2的電流密度，用以模擬初期的陰極保護情況。

選擇輔助陽極距離導(dǎo)管架180 cm，長度約等于導(dǎo)管架的高度，輔助陽極與導(dǎo)管架的相對位置及移動方向見圖6。整座平臺施加1 000 mA的保護電流后，電極表面不同位置的極化電位隨時間的變化趨勢如圖7a所示?？梢钥闯觯?dāng)保護電流密度為260 mA/m2時，整個導(dǎo)管架模型的電位迅速負移，40 h后被保護電位迅速上升到–0.950～–1.160 V。3號參比電極距離輔助陽極最近，且無遮擋屏蔽作用，所以單位面積獲得的保護電流密度最大，電位最負。導(dǎo)管架模型的3號位置，電位長期負于–1.05 V，有過保護風(fēng)險。為此調(diào)整保護電流為500 mA，即保護電流密度為130 mA/m2時，保護電流密度與設(shè)計的初期電流密度基本一致[32]。

模型表面不同區(qū)域的電位變化趨勢（保護電流為500 mA、保護電流密度為130 mA/m2）如圖7b所示?？梢钥闯?，當(dāng)減小陰極電流時，模型各點的電位緩慢波動，導(dǎo)管架模擬整體的電位在–0.933～–1.036 V，電位差極值小，模型處于合理的保護區(qū)間。從圖8中還可以看出，保護電位最負的區(qū)域依然是3號參比電極附近，4號參比電極最正。如前所述，4、5號2處參比電極位于平臺的中心位置，即參比電極監(jiān)測位置考慮到了整座導(dǎo)管架平臺的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對內(nèi)區(qū)域的屏蔽作用。4、5號參比電極均位于平臺內(nèi)部，但由于4號位置不但位于內(nèi)部，且位于上部，距離輔助陽極較5號參比電極處更遠，獲得的保護電流更小，因此保護電位更正。除4號位置外，電位較正的幾處參比電極依次是6、1、7號。由于遠地式輔助陽極放置于導(dǎo)管架外側(cè)較遠位置，易出現(xiàn)保護不足的區(qū)域，除了平臺內(nèi)部屏蔽區(qū)域外，主要集中在遠離輔助陽極的平臺上部近水面區(qū)域。因此，在實施遠地式外加電流陰極保護時，應(yīng)重點監(jiān)測平臺下部距離輔助陽極最近的區(qū)域和平臺上部屏蔽區(qū)及近水面區(qū)[46]。

根據(jù)以上結(jié)果可知，靜態(tài)條件下，當(dāng)使用外加電流這種陰極保護方式時，實現(xiàn)對整座導(dǎo)管架平臺的腐蝕控制只需要單座輔助陽極。初期，通過施加較大陰極保護電流密度，從而使整座結(jié)構(gòu)快速極化（如2倍的初期保護電流密度），以此來降低欠保護區(qū)間的腐蝕風(fēng)險。但要重點監(jiān)測平臺內(nèi)部屏蔽區(qū)域、距離輔助陽極最近和最遠區(qū)域（近水面區(qū)域）的保護電位，以降低保護不足和過保護風(fēng)險。

圖7 與模型間距為180 cm時不同保護電流下導(dǎo)管架模型表面電位分布（保護電流）

隨后，陰極電流變?yōu)?00 mA，即電流密度為85 mA/m2，該電流密度與標(biāo)準(zhǔn)中推薦的海洋鋼結(jié)構(gòu)陰極保護電流密度平均值接近。改變電流后，模型不同區(qū)域所監(jiān)測到的保護電位的變化趨勢如圖7c所示。從圖7c可知，整個導(dǎo)管架模型的保護電位整體趨勢是先正移，在4 h左右達到最高值，然后逐漸負移，但整座平臺的保護電位仍均處于保護電位區(qū)間。

從圖7可以看出，保持輔助電極與導(dǎo)管架模型間距不變，改變陰極電流，模型3號位置的電位變化最大，其次是5、8號位置。從模型結(jié)構(gòu)來看，這3個位置都位于導(dǎo)管架模型的下部，距離輔助陽極均較近，其中3號位置距輔助陽極最近，使得這一區(qū)域電場強度最大，保護電流最大區(qū)域的極化也最為明顯。相較于3號參比電極，5、8號參比電極與輔助陽極的間距較大，因此受到的保護電流比3號位置小。從距離來看，5號參比電極與輔助陽極的間距比8號參比電極與輔助陽極的間距更小，但2處的電位差不超過5 mV，原因可能是四周鋼結(jié)構(gòu)對處于導(dǎo)管架模型中心的5號位置有一定的屏蔽作用，故電位值和8號位置相當(dāng)。4、6、7號位置較其他位置相比，電位負移較小，且電位值較正。此3處點位中，距離輔助陽極最近的4號位置電極最正，6號位置距離輔助陽極最遠，7號位置次之。說明4號電極區(qū)域獲得的保護電流最小，可能是因為其處于屏蔽最嚴(yán)重的整個導(dǎo)管架模型中心區(qū)域。因此，導(dǎo)管架內(nèi)部受屏蔽最嚴(yán)重的區(qū)域應(yīng)該是外加電流陰極保護設(shè)計時的重點考慮對象，這一區(qū)域的欠保護程度往往超過了距離輔助陽極最遠的區(qū)域[46]。

分析在不同陰極電流密度下，導(dǎo)管架模型的電位分布及其變化趨勢，發(fā)現(xiàn)減小陰極電流時，導(dǎo)管架整體的電位呈現(xiàn)斷崖式下降，如圖8所示。表1和表2分別是各點位的電位及其差值。減小陰極電流，模型各位置的電位均不同程度正移。在2次調(diào)低保護電流中，3號位置的電位始終最負，且電位降幅最大，反之4號位置受到的影響最小。綜合對比分析，電位最負的位置，意味著陰極電流密度最大，從而受陰極電流變化的影響越大。反之，距離輔助陽極較遠的位置，或是嚴(yán)重受到屏蔽的位置，受到的影響則較小[46]。保護電流為1 000、500、300mA時，模型表面的最大電位差分別為163、98.6、54.3 mV。在不改變輔助陽極與導(dǎo)管架距離，僅增大保護電流的情況下，導(dǎo)管架表面的電位分布進一步不均，且電位差隨之變大；反之，電位分布越均勻。

圖8 與模型間距為180 cm時導(dǎo)管架模型表面電位分布（保護電流1000～300 mA）

表1 各參比電極處電位及其差值（保護電流為1 000～500 mA）

Tab.1 Potential at each reference electrode and its difference value (protection current 1 000～500 mA) V

表2 各參比電極處電位及其差值（保護電流為500～300 mA）

Tab.2 Potential at each reference electrode and its difference value (protection current 500～300 mA) V

2.2 海水流動及輔助陽極與模型間距變化對平臺電位分布的影響

將平臺置于出水口處，打開流動海水模擬裝置，并測定流速。輔助陽極與導(dǎo)管架模型的間距從160 cm縮小至20 cm時，海水的移動方向如圖5所示。在靜止和流動情況下，施加300 mA的保護電流，對比研究距離和流動狀態(tài)對導(dǎo)管架模型電位分布及其變化規(guī)律的影響。

從圖9—16可以看出，在相同保護電流和保護距離下，從靜態(tài)到動態(tài)，導(dǎo)管架模型的整體電位出現(xiàn)正移，且動態(tài)條件下，模型各點位的電位差值更大。這說明海水的流動使得溶解氧向?qū)Ч芗?海水界面擴散得更快，陰極還原反應(yīng)速度增加，去極化程度更大，導(dǎo)管架極化更加困難，在達到相同極化電位時所需要的保護電流密度更大，因此電位正移[31]。

圖9 間距為160 cm時模型表面的電位分布

圖10 間距為140 cm時模型表面的電位分布

圖11 間距為120 cm時模型表面電位分布

圖12 間距為100 cm時模型表面電位分布

圖13 間距為80 cm時模型表面電位分布

圖14 間距為60 cm時模型表面電位分布

圖15 間距為40 cm時模型表面電位分布

圖16 間距為20 cm時模型表面電位分布

研究結(jié)果也表明，如果保護電流密度相同，隨著輔助陽極向?qū)Ч芗芨浇苿?，一方面，?dǎo)管架極化（陰極保護）電位更負，極化程度加大；另一方面，會使導(dǎo)管架表面的電位差進一步變大，且分布會更不均勻。隨著間距的減小，陰極保護電流在海水介質(zhì)中的電壓降更小，因此導(dǎo)管架保護電位逐漸負移。同時，若輔助陽極距離導(dǎo)管架較近，會導(dǎo)致陰極保護電流分布不均，整個導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的電位差變大[47]。

2.3 鈣鎂沉積層的沉積過程對電位分布的影響

實際上，當(dāng)輔助陽極向?qū)Ч芗芤苿樱鶎?dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面電位分布會產(chǎn)生負移的另外一個重要影響因素是鈣質(zhì)沉積層在鋼結(jié)構(gòu)表面的沉積覆蓋。陰極保護過程在海水中會促使鋼結(jié)構(gòu)表面堿化，pH值升高，海水中鈣、鎂離子發(fā)生沉淀反應(yīng)，產(chǎn)生富含CaCO3和Mg(OH)2的鈣質(zhì)層沉積在鋼結(jié)構(gòu)表面[48-49]。研究發(fā)現(xiàn)，致密的鈣質(zhì)沉積層的絕緣電阻可達103Ω·cm2，其作用類似于鋼結(jié)構(gòu)表面的防護涂層，可將保護電流密度降低為極化初期的幾分之一至十幾分之一[50]。鈣鎂沉積層的形成機制如下所述。

鋼結(jié)構(gòu)/海水界面陰極還原反應(yīng)類型取決于極化電位[33]：極化電位高于–0.9 V時，主要發(fā)生吸氧反應(yīng)；極化電位低于–1.0 V時，則主要發(fā)生水還原析氫反應(yīng)。無論何種還原反應(yīng)，鋼結(jié)構(gòu)/海水界面的pH值均會升高[33]，只要pH值達到臨界值9.5，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的OH–即可使海水中Mg2+發(fā)生沉積，生成Mg(OH)2，見式（1）。

同時，pH值升高促使鋼結(jié)構(gòu)表面海水中無機碳平衡反應(yīng)向右移動，見式（2）。引發(fā)CaCO3沉淀–平衡反應(yīng)也向右移動，生成CaCO3，見式（3）。

鈣質(zhì)沉積是海水環(huán)境陰極保護過程重要的現(xiàn)象，鈣質(zhì)沉積層作為金屬表面的天然“涂層”，從而降低對陰極保護電流密度的需求。陰極保護產(chǎn)生的鈣鎂沉積層致使金屬結(jié)構(gòu)的表觀電阻率提高，均衡了金屬表面的電位分布，進而拓展了保護距離，并提高了保護電流的效率[51]。盡管本試驗將海水稀釋了近100倍，但是試驗期間仍然在鋼結(jié)構(gòu)表面形成了厚厚的鈣質(zhì)沉積層。

在此處引入表觀電阻率sr這一概念，用于研究鈣鎂沉積層的形成和變化。sr為金屬極化電阻率mr和鈣鎂沉積層覆蓋使得金屬表面增加的電阻率cr之和，即mr+cr=sr[52]。金屬結(jié)構(gòu)的表面電阻為s（也叫積分極化電阻），結(jié)構(gòu)物的表面積為，sr=s×。在陰極極化過程中，金屬表面電位差的區(qū)別使得鈣鎂沉積層的厚度、致密程度、覆蓋率存在差別，進而導(dǎo)致不同區(qū)域的表觀電阻不同，所以sr是電阻率在整個導(dǎo)管架模型不同區(qū)域表面的平均值[53]。

試驗開始時，導(dǎo)管架模型下水初期無電流保護，金屬自然腐蝕，得到8個不同區(qū)域參比電極的平均電位值i作為初始極化值。在稀釋海水靜止?fàn)顟B(tài)下，將調(diào)整距離后施加保護電流16 h時，模型表面8處參比電極的平均電位值s作為靜態(tài)極化穩(wěn)定電位值，以得到相對可靠的比較結(jié)果。同樣，在動態(tài)條件下，將6 h時模型表面8處參比電極的平均電位值f作為動態(tài)極化穩(wěn)定電位值，保護電流為p，則表面電阻s（靜）為：

動態(tài)條件下的表面電阻s為：

表觀電阻率sr為[36]：

從圖17中可以看出，靜態(tài)和動態(tài)條件下，表觀電阻率隨著輔助陽極從距導(dǎo)管架模型180 cm處逐漸向模型移動而增大，說明試驗里的鈣鎂沉積層是隨著時間逐漸產(chǎn)生并完成覆蓋的。從圖17中也可知，在起始階段，輔助陽極自180 cm到80 cm移動的過程中，靜、動態(tài)的表觀電阻率均快速增加，但在其后的階段，增長越來越少。陰極保護初期階段，達到相同保護電位所需要的陰極保護電流密度大，界面溶解氧還原（和/或水還原）速度快[54]，鋼結(jié)構(gòu)/海水界面pH上升速度快，有利于沉積層的快速沉積覆蓋[55]，表觀電阻率快速增加。由于沉積層的形成會阻礙溶解氧的擴散，加快陰極極化，陰極保護所需要的電流密度降低，因此沉積層/海水界面pH上升速度變緩，使得鈣鎂沉積層沉積速度降低，此階段表觀電阻率緩慢升高。

當(dāng)距離條件相同時，靜態(tài)比動態(tài)導(dǎo)管架的表觀電阻率值更大。海水流動會沖刷沉積層，使其不能形成有效覆蓋，因而相比靜態(tài)，表觀電阻率較小[56]。靜態(tài)、動態(tài)條件下的表觀電阻率隨著輔助陽極逐漸向?qū)Ч芗苣Ｐ鸵苿佣絹碓浇咏?。隨著時間的延長，動態(tài)條件下的鈣鎂沉積層也會逐漸成形，因而表觀電阻率也會逐漸與靜態(tài)相一致。

3 結(jié)論

1）靜態(tài)海水中，輔助陽極與導(dǎo)管架間距一定時，陰極保護電流的增大，會使導(dǎo)管架表面電位差增大，電位分布更為不均勻；相反地，電位差較小時，電位分布也較均勻。導(dǎo)管架外側(cè)距離輔助陽極最近的區(qū)域受到的陰極保護電流密度大，負移程度最大，易出現(xiàn)過保護風(fēng)險；而平臺內(nèi)部屏蔽嚴(yán)重區(qū)域和距離輔助陽極最遠的水面附近，因受到的保護電流密度小，負移程度最小，易出現(xiàn)欠保護風(fēng)險。這2個典型區(qū)域是陰極保護監(jiān)測的重點位置。

2）在相同保護電流和保護距離下，從靜態(tài)轉(zhuǎn)為動態(tài)時，整座導(dǎo)管架表面的電位均呈現(xiàn)升高趨勢，動態(tài)條件下相較于靜態(tài)電位差值會增大，分布進一步不均勻。在相同保護電流密度下，隨著輔助陽極與導(dǎo)管架間距的縮小，導(dǎo)管架陰極保護電位變負，極化程度增大，導(dǎo)管架表面的電位差更大，分布更不均勻。

3）陰極保護過程中，隨著電極表面氧還原反應(yīng)的不斷進行，即使在海水被稀釋100倍的情況下，也能在金屬表面形成鈣質(zhì)沉積層。隨著陰極保護時間的延長，代表沉積層形成質(zhì)量和覆蓋程度的表觀電阻率sr呈現(xiàn)初期快速增加、后期緩慢增加趨勢。海水流動會使沉積層變薄，甚至脫落，因此動態(tài)海水環(huán)境中的sr較同時期靜態(tài)環(huán)境下小。

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Optimization Design of Impressed Current Cathodic Protection for Offshore Oil Jacket Platform I: Single Seat Auxiliary Anode

ZHANG Wei1, ZHANG Yuan-sheng2, HAN Bing3, JIN Xi4, ZHUANG Ze-jing3, ZHAN Hui3

(1. Shanghai Haikai Anti-corrosion Engineering Technology Branch of CNOOC Changzhou Paint and Coatings Industry Research Institute Co., Ltd., Guangdong Zhanjiang 524057, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Guangdong Zhuhai 519000, China; 3. Qingdao NCS Testing and Protection Technology Co. Ltd., Shandong Qingdao 266071, China; 4. CNOOC Changzhou Paint and Coatings Industry Research Institute Co., Ltd. Jiangsu, Changzhou 213000, China)

The work aims to study the cathodic protection potential distribution and change law of jacket with impressed current and single seat auxiliary anode under static and dynamic seawater conditions by taking an offshore jacket platform in the South China Sea as the prototype. A jacket model with a certain scale reduction was adopted and impressed current cathodic protection was applied. The cathodic protection potential distribution under different conditions and the change law of potential distribution were studied. The farther the auxiliary anode was from the jacket model, the more uniform the cathodic protection of the whole model was, otherwise, the more uneven it was. The area closest to the auxiliary anode outside the jacket was prone to over-protection risk due to the high protection current density. However, the negative shift of cathodic protection potential was the least in the severely shielded area inside the platform and the jacket structure near the water surface farthest from the auxiliary anode, which was prone to the under-protection risk. These two typical areas were the key locations for cathodic protection monitoring. Under the same protection current density and protection distance, the potential of the whole jacket surface presented an upward trend during the transition from static state to dynamic state, and the potential difference was larger and the distribution was more uneven. With the extension of cathodic protection time, the surface resistivitysrrepresenting the formation quality and coverage degree of the sedimentary layer increased rapidly in the initial stage and slowly in the later stage. Seawater flow could lead to thinning and even shedding of sediments, sosrin dynamic seawater environment was smaller than that in static environment at the same time. Placing an auxiliary anode on one side of the jacket model can realize the effective cathodic protection of the whole model.

marine corrosion; jacket platform; cathodic protection; physical scale model; optimization design; ICCP

TG174.4

A

1672-9242(2022)12-0082-013

10.7643/ issn.1672-9242.2022.12.013

2021–09–27；

2021–12–20

2021-09-27；

2021-12-20

泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才（2017TSCYCX-03）

Taishan Industrial Leading Talents Project (2017TSCYCX-03)

張偉（1985—），男，工程師，主要研究方向為海洋腐蝕與防護工程。

ZHANG Wei (1985-), Male, Engineer, Research focus: marine corrosion and protection engineering.

莊則敬（1994—），男，助理工程師, 主要研究方向為海洋腐蝕與防護。

ZHUANG Ze-jing (1994-), Male, Assistant Engineer, Research focus: marine corrosion and protection.

張偉, 張元盛, 韓冰, 等. 深水導(dǎo)管架平臺外加電流陰極保護優(yōu)化設(shè)計Ⅰ：單座輔助陽極[J]. 裝備環(huán)境工程, 2022, 19(12): 082-094.

ZHANG Wei, ZHANG Yuan-sheng, HAN Bing, et al.Optimization Design of Impressed Current Cathodic Protection for Offshore Oil Jacket Platform I: Single Seat Auxiliary Anode[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(12): 082-094.

責(zé)任編輯：劉世忠