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海洋石油平台外加电流阴极保护延寿修复技术
作者:huanloon  来源:本站  发表时间:2017-3-16 16:10:11  点击:822

    我国从上世纪8 0年代开始自主设计并建造各类海洋石油平台, 现有各类海洋平台4 0 0多座, 且绝大多数采用牺牲阳极阴极保护。对于早期采用牺牲阳极保护的在役平台, 随着平台服役年限的增加,很多海洋石油平台已经接近甚至超出了当初阴极保护设计的使用年限, 需要对这些平台的阴极保护系统进行延寿修复。若采用传统的牺牲阳极延寿修复, 则需要在水下焊接大量的牺牲阳极。一方面水下焊接工况条件苛刻, 技术难度大, 且具有很大的危险性, 水下操作人员的安全难以保证。如此巨大的水下焊接工程造价很高, 尤其是对于深海导管架平台, 随着水深增加工程造价急剧上升, 要比陆地安装高出十几倍甚至上百倍, 给企业带来沉重的负担; 另一方面, 牺牲阳极的冶炼对资源和能源消耗巨大, 且阳极冶炼过程大量污染废弃物排放对空气、 水、 土壤造成严重的生态污染和破坏。同时, 牺牲阳极使用过程中溶解释放大量金属离子对海水体系造成的潜在生态污染。与牺牲阳极法相比, 外加电流阴极保护方法具有安装快速、 安装费用低、 发生电流大的优点, 不会因为保护面积增加而增加对平台的负重, 而且外加电流阴极保护系统在使用中没有重金属离子产生、 污染少, 是一种环境友好型的阴极保护技术,特别适用于中等水域和深水区域平台的阴极保护。

    国外针对在役平台的外加电流阴极保护延寿修复技术已经开展了大量的基础研究工作, 并已将相关平台外加电流产品应用到实际工程中。但目前国内对于深水平台外加电流阴极保护技术却没有相关的研究报道, 而采用国外深水平台外加电流阴极保护产品的初始安装和后期维护费用都比较高。考虑到未来5~1 0a , 国内将有一批海洋在役平台超出服役年限, 探寻一种经济可靠、 可实现国产化的平台外加电流阴极保护延寿修复技术显得尤为紧迫。
 
    1  国内外平台外加电流阴极保护技术现状
 
    在国外, 海洋平台的外加电流阴极保护的安装与修复相关技术被美国、 英国、 挪威、 巴西、 新加坡、韩国等几个国际海洋油气开采装备强国所垄断。由于国外进军海洋领域的资源开采远早于我国, 外加电流阴极保护技术的发展也较为成熟, 包括固定式平台、 自升式平台、 张力腿平台、 S p a r平台、 浮式生产储运系统( F P S O ) 、 水下生产系统和超大型浮式海洋结构物等都有相关的外加电流阴极保护系统的应用案例。比如, 美国的 D e e p w a t e r公司的 R e t r o -B u o y 系统, 意大利的 D E NO R A 公司的 L I D A 系统在海洋石油平台阴极保护工程中都有较多的应用。

    在国内, 海洋平台用外加电流阴极保护系统还处于研发阶段, 对于简单钢结构的外加电流阴极保护系统装置一般从国外购得, 而复杂钢结构的阴极保护系统还未见有报道, 延寿系统多由国外提供技术并全程参与安装指导。我公司自2 0 0 5年就开始了对自升式钻井平台的外加电流阴极保护技术的研究, 先后完成了8座自升式钻井平台的和一座桩式作业平台的外加电流阴极保护工程, 腐蚀控制效果良好。外加电流技术在自升式平台上取得成功后, 我所和海工联合研究了外加电流技术在导管架平台等其他海洋结构物上的应用, 通过对平台外加电流阴极保护优化设计和外加电流阴极保护系统中关键组件的研究构建了一套海洋石油平台外加电流阴极保护延寿修复技术。

    2  平台外加电流阴极保护延寿修复技术
 
    整套外加电流阴极保护修复技术包括平台外加电流阴极保护优化设计和平台外加电流阴极保护装置, 其中平台外加电流阴极保护装置由电源、 电缆、辅助阳极、 监检测系统等组成。

    2.1  平台外加电流阴极保护优化设计
 
    外加电流阴极保护设计时需要根据平台的结构、 服役水深、 海底输油管网分布情况、 服役区域海洋环境条件等因素来设计辅助阳极的结构与安装方式。辅助阳极结构和安装方式不合理极易造成构筑物的欠 保 护 或 过 保 护, 两 者 都 会 造 成 严 重 的 后果。为了优化海洋石油平台外加电流阴极保护设计参数, 避免因设计问题导致的平台欠保护和过保护问题。根据缩比模型理论 构建了一套海洋平台外加电流阴极保护模拟装置( 图1 ) , 该装置主要由模拟水池、 模拟流动海水装置、 导管架缩比模型、 外加电流控制系统、 电位监测系统及相关配套组件构成。该装置可以实现对辅助阳极的形状和尺寸、 辅助阳极与平台的安装位置、 保护电流分布、 海流及潮差变化对保护电位的影响等参数优化设计。
 

图 1  平台外加电流阴极保护模拟装置
 
    采用模拟装置进行了海洋平台外加电流阴极保护模拟试验。本工作首先建立物理模型, 开展优化设计试验。同时针对某一状态条件, 通过数值模拟法计算验证物理模拟结果的可靠性, 两种方法相互验证, 保证优化设计结果的可靠性。

    以J Z 1 2 0 - 1在役导管架平台为原型, 构建了一套1∶2 0的平台阴极保护缩比模型。平台模型是以渤海湾J Z 1 2 0 - 1在役导管架平台为原型, 以1∶2 0比例缩小制作, 模型为平台水下结构部分, 不考虑上层建筑的模拟。外加电流阴极保护系统由一台上海正方电子Z F - 9型恒电位仪和若干辅助阳极组成。电位监测系统由全自动数据采集与存储仪和 A g/A g C l参比电极组成。试验海水取自青岛小麦岛附近海域, 按照1∶2 0稀释。

    由于导管架平台内部结构紧凑, 难有足够的空间安装排流量较大的辅助阳极。借鉴国外的海洋构筑物外加电流阴极保护设计经验, 选择一种被称为远地式的辅助阳极进行优化设计。该辅助阳极被放置在平台外侧一定距离的海床上, 通过平台上部电源供电, 实现对整个平台的腐蚀控制。

    在平台底部一定距离处放置一座远地式辅助阳极, 研究了恒电流下辅助阳极与平台底部间距和辅助阳极形状对平台电位分布及其保护程度的影响。图2为导管架平台的缩比模型, 图中序号点为参比电极安装位置。按照外加电流阴极保护设计方案对平台模型施加了阴极保护, 并采用大型防腐蚀数值模拟分析软件B e a s y 进行数值模拟分析。图3为保护电位的数值模拟结果。从图3中可以看出模型电位最低点和电位最高点的电位相差约5 0mV , 电位分布比较均匀, 没有过保护和欠保护的现象。通过缩比模型试验和数值模拟计算说明外加电流阴极保护系统可以良好地实现对整个平台的腐蚀控制。
 

图2导管架平台缩比模型

图3导管架平台缩比模型保护电位数值模拟
 
    2.2  平台外加电流阴极保护装置
 
    根据优化设计方案, 结合海洋环境腐蚀特点, 从设备选材、 防护设计、 便捷安装等方面综合考虑, 设计并研制了一套平台外加电流阴极保护装置, 该装置包括阴极保护电源、 电缆、 辅助阳极、 监检测系统等。

    2.2.1阴极保护电源
 
    阴极保护电源是外加电流阴极保护系统中控制发生电流的设备, 是外加电流阴极保护系统的核心部件。常规阴极保护电源在高温、 高湿、 高盐度的强腐蚀海洋环境中使用时经常发生故障, 从而造成整个阴极保护系统中断运行甚至出现设备搁置等情况, 直接影响腐蚀保护和监测的效果, 严重的可引发重大安全事故。而且海洋平台一般离岸较远, 设备维护和更换成本高, 因此阴极保护电源长期稳定可靠的运行是一个关键问题。针对海洋环境特点, 从选材、 结构以及冷却方式上进行防腐蚀、 防尘、 防潮、防霉、 散热以及防爆设计, 研制了可适用于海洋环境阴极保护的大功率整流器电源。

    该电源为油浸式整流器( 图4 ) , 额定输出电流1  0 0 0A , 防护等级I P 5 6 , 使用寿命2 0a 。油浸式冷却保证散热的高效性, 可有效防止盐雾和潮气进入机柜对元器件产生腐蚀。前控制面板安装在防爆控制箱内。其他绝缘零件如绝缘子、 环氧玻璃板、 垫块等支撑件做涂覆处理, 增加防潮、 防霉菌的能力。整流器具备数据储存和远程控制功能。
 

图4油浸式整流器
 
    2.2.2辅助阳极系统
 
    辅助阳极及其托架使用于海洋环境时常因材料选择不合理, 结构设计差而失效。而平台外加电流辅助阳极因安装在水下, 更容易因海水冲刷腐蚀和密封破坏而失效。因此辅助阳极及其托架材料的选择以及结构设计是保证辅助阳极可靠运行的关键。由于辅助阳极及其托架在海水中使用时主要遭受海水冲刷、 海水腐蚀、 水压、 电极反应产生的氯气腐蚀等, 首先通过耐冲刷性能试验、 电化学性能试验和强化寿命试验优选出耐冲刷、 长寿命的辅助阳极及其托架材料。辅助阳极选用性价比高、 发生电流稳定、 消耗率小、 机械强度高的 MMO 阳极; 托架材料选用聚四氟乙烯。然后针对海水水下环境做了耐压设计和密封结构设计, 使之能在深水压力环境下的稳定运行, 并针对定型的阳极及其支架做了耐压强度试验和模拟深水环境下的水密性试验, 以检测辅助阳极系统的机械强度和水密性。

    辅助阳极底座采用碳钢结构, 底座焊接了 4 块设计寿命为 2 0a的牺牲阳极来抑制底座的腐蚀。底座采用混凝土进行配重, 配重后底座重3。 5t , 保证整个底座在海床上的稳定性。当海床上海泥较深时, 需增加底座下部位置高度并焊接裙板, 防止海水对底座下部海泥的冲刷。

    通过对辅助阳极的优选以及远地式阳极支架和底座的设计研制了海洋平台外加电流阴极保护远地式辅助阳极工程样机( 图5 ) 。远地式辅助阳极采用远地式阵列结构。每套辅助阳极系统额定输出电流6 0 0A , 耐水压3 0 0m , 使用寿命2 0a 。

    2.2.3监检测系统
 
    传统的海洋石油平台工程结构物的阴极保护效果评价主要依靠不定期的检测来完成, 需要依靠潜水员或者无人摇控潜水( R OV ) 携带便携式参比电极到指定位置进行测量和评价, 这种方法不仅会耗费巨大, 而且无法对整个海洋平台结构物进行整体的和持续的保护效果评价。

    针对以上问题, 我所在研制的整流器上集成了海洋平台阴极保护监检测系统, 该系统可以实时了解和掌握海洋石油平台的腐蚀状态, 随时提供水下钢结构阴极保护系统的运行状态信息, 及时发现问题和隐患。对于确保海洋石油平台钢结构长期安全运营, 具有重要价值。该系统能够不间断地测量平台钢结构水下不同位置和区域的电位, 具有实时显示和自动存储功能。该系统和整流器的集成设计节约了设备成本, 并且节省了平台上的设备安装空间。

    海洋平台阴极保护监检测系统主要包括参比电极、 数据采集存储仪及信号传输电缆等设备。参比电极采用了在 海 洋 环 境 中 使 用 性 能 较 好 的 A g/A g C l和高纯锌双参比电极( 图6 ) , 使用双参比电极的两个电极的反馈电位可以相互印证, 防止电极失效造成的电位监测数据不准确的现象。所选电极均进行了严格的电化学性能测试, 并且针对海洋环境设计了多孔的防污损护套, 该护套还能增加整个电极体的机械强度, 防止外力撞击造成参比电极损坏。同时还测试了参比电极的耐压强度验和水密性, 确保监测电位的长期准确性以及在深水环境中使用的可靠性。

图5远地式辅助阳极示意图       图6 A g/ A g C l和高纯锌双参比电极
 
 
    为了便于参比电极的水下安装, 该参比电极采用了一种便捷卡箍的安装方式, 如图7所示, 将参比电极预装在钳式卡箍上, 使用钳式卡箍连接构筑物,该卡箍使用方便快捷, 可采用 R OV安装。

    2.3  平台外加电流阴极保护装置实海测试
 
    为了检测平台外加电流阴极保护装置的整体性能, 在青岛小麦岛海域对研制的平台外加电流阴极保护装置进行了实海测试。测试采用铁丝网模拟被保护物, 研制的油浸式整流器作为直流电源, 远地式阳极作为辅助阳极, 截至目前已经过了1 8个月的实海测试。测试结果表明平台外加电流阴极保护装置可以稳定的输出6 0 0A 的保护电流, 该装置输出的保护电流值在国内处于领先水平, 相比国外同类产品亦处于先进水平( 国外同类产品输出保护电流2 0 0~5 0 0A ) 。

    整流器持续运行1 8个月无故障, 并且运行稳定、 恒流精度高、 实测纹波系数 <2% 。辅助阳极体外观良好, 表面未附着海生物( 图8 ) 。支架及底座无明显腐蚀, 底座上牺牲阳极溶解均匀。阴极铁丝网表面覆盖率了钙镁沉积层, 采用 A g/ A g C l便携式参比电极检测了阴极电位, 和固定在阴极上双参比电极对比结果见表1 。

    由表1可以看出阴极铁丝网保护状态良好, 达到了-8 0 0~-1  1 5 0mV 的保护范围。固定式参比电极的电位检测准确。

图7参比电极安装                    图 8  实海测试低潮位时的辅助阳极
 
    3  结论
 
    (1 )采用缩比模型试验优化了平台外加电流阴极保护系统的设计参数, 并通过数值模拟计算验证了结果的可靠性。数值模拟结果和缩比模型试验数据结果较吻合, 整个平台模型电位分布比较均匀, 没有过保护和欠保护的现象。通过缩比模型试验和数值模拟计算说明设计的外加电流阴极保护系统可以良好的实现对整个平台的腐蚀控制。

    (2 )通过对材料、 设备、 设计以及安装工艺方面的研究构建了一套平台外加电流阴极保护延寿修复装置。实验室测试和实海测试结果表明该系统性能可靠、 运行稳定, 解决了传统外加电流装置可靠性差、 控制精度低、 寿命短、 单套系统发生电流小等关键问题。研制的辅助阳极可耐水压3 0 0m , 适用于较深海域海洋石油平台的阴极保护延寿修复。

 

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