文/楊朝暉　李向陽　劉福國　張偉

 

    美國專業從事海洋工程設施修復的Deepwater 公司2009年的調查報告指出：全球有超過35%的海洋工程設施的服役年限超過20年，已經超出了當初陰極保護設計的使用年限。工程設施的迅速老化失效使得對新的陰極保護技術的創新需求變得尤為緊迫，創新重點放在不犧牲防護性能和可靠性方面盡量節約投資。未來10年，全球接近2/3的海洋工程設施服役期限超過20 年，甚至更長。石油價格的飆升推動海洋工程不斷向深海推進，因此，越來越多陰極設計使用年限的海洋工程設施不得不通過陰極保護修復技術來延長使用壽命。

 

    我國從上世紀80年代開始自主設計并建造各類海洋石油平臺，現有各類海洋平臺400多座。相較于外加電流法，犧牲陽極法采用陸地一次性安裝，無需后期維護， 工藝可復制性強，設計和工程應用歷史久，工程經驗豐富，標準和規范完善，很好地滿足了復雜海洋環境下的腐蝕防護需求，因此，我國絕大多數海洋平臺均采用了犧牲陽極陰極保護技術。

 

    若采用傳統的犧牲陽極延壽修復， 則需要在水下補焊大量的犧牲陽極。一方面，水下焊接工況條件苛刻，技術難度大，且具有很大的危險性，水下操作人員的安全難以保證。如此巨大的水下焊接工程造價很高，尤其是對于深海大平臺，隨著水深增加工程造價急劇上升，要比陸地安裝高出幾十甚至上百倍，給企業帶來沉重經濟負擔；另一方面，犧牲陽極的冶煉對資源和能源的消耗巨大，大量污染廢棄物的排放對空氣、水、土壤造成嚴重的生態污染和破壞。同時，犧牲陽極的溶解釋放大量的Al、Zn、In、Mg及其他重金屬離子，存在潛在海洋生態污染隱患。

 

    國外針對在役平臺的延壽修復普遍采用外加電流陰極保護技術。國外已經開展了大量的基礎研究工作，并已將相關產品應用到實際工程中。外加電流法盡管其一次性投入較大，全壽命期進行需要維護與保養，但并不存在上述犧牲陽極幾個方面的問題，屬于節約資源、環境友好型技術。雖然外加電流不能像犧牲陽極那樣均勻地分布在被保護鋼結構表面，實現保護電流的均勻分布，但是通過優化輔助陽極的數量及輔助陽極與平臺的相對位置等設計參數，亦能實現對被保護體的全面腐蝕控制。外加電流法不僅適用于新建平臺， 更適用于在役平臺陰極保護系統的延壽修復。但而截至目前，國內主要的研究和工程應用僅限于渤海灣的40米以內的淺水平臺，對深水海洋平臺延壽修復的相關研究和應用尚處于初期階段。

 

    考慮到我國越來越多的海洋在役平臺超出服役年限，為保證在役平臺安全生產，提高我國海洋工程裝備技術水平， 筆者結合國內外應用現狀和自己的工作成果，從在役海洋平臺陰極保護系統優化設計入手，分別介紹了拉伸式和遠地式外加電流陰極保護延壽技術和快速連接犧牲陽極延壽技術，期望為在役海洋工程設施的陰極保護系統延壽設計與施工提高參考。

 

    在役海洋平臺陰極保護系統優化設計

 

    結構表面電位分布的均勻性是評價陰極保護系統設計的重要指標，尤其是外加電流陰極保護法，原因是外加電流系統中輔助陽極的數量較少，發生電流單元集中且電流大，易發生靠近輔助陽極區域過保護和較遠區域或者屏蔽嚴重區域的欠保護危險。

 

    雖然外加電流輔助陽極不能像犧牲陽極那樣均勻地分布在被保護鋼結構表面實現保護電流的均勻分布，但是通過優化輔助陽極的數量及輔助陽極與平臺的相對位置等設計參數，亦能實現對被保護體的全面腐蝕控制。外加電流法不僅適用于新建平臺，更適用于在役平臺陰極保護系統的延壽修復。

 

    外加電流陰極保護系統優化設計的方法有兩種：數值模擬法和縮比模型法。數值模擬法是在傳統陰極保護設計基礎上，利用計算機邊界元程序求解描述陰極保護電場的偏微分方程，進而得到陰極保護的最佳化設計，預測被保護構筑物表面電位分布，圖1是筆者對渤海灣內某一在役平臺數值模擬的結果。陰極保護電位分布數值計算模型多是針對穩態分布型模型展開，而實際的陰極保護體系狀態是隨時間發生變化的，如陰極極化過程中鋼表面鈣質沉積層的沉積與覆蓋是一個動態過程，因此邊界條件中陰極表面電位與電流密度函數隨時間會不斷變化，僅根據某一時刻的電位與電流密度函數關系描述整個陰極極化過程，結果的可靠性和可信度難以保證。

 

    縮比模型法是利用被保護物的縮比模型優化預測分析被保護物表面電場，將平臺的外形尺寸、陰極保護系統參數等物理量按一定比例縮放，同時將海水的電導率也縮比相同的比例。該方法具有復制平臺復雜幾何形狀，而不依賴任何所用材料的極化曲線等電化學數據，具有節省時間、降低成本的優點，現已在船體陰極保護設計中得到應用。可以看出，縮比模型法的局限性也很突出，比如一個縮比模型只能模擬一種結構，如果需要對不同結構形狀的被保護體進行優化設計，必須構建不同的與之對應的縮比模型。而數值模擬法則只需在計算機中更改模型設計，即可實現對模型的優化設計，相較于縮比模型法更加便捷。

 

    圖2是為南海某200米水深在役導管架平臺的縮比模型及海洋工程模擬水池。筆者通過在該模型表面代表性區域安裝電位傳感器，通過采集優化設計過程中模型不同區域的電位分布及其變化趨勢，實現對導管架平臺外加電流陰極保護系統的優化設計。

 

圖2　南海某在役平臺縮比模型和海洋工程模擬水池

 

    外加電流陰極保護系統主要有電源、輔助陽極和電纜及必要的監檢測系統組成，其中輔助陽極的結構形式和安裝方式是影響電位分布均勻性的關鍵因素。根據輔助陽極在平臺上的安裝位置的不同，主要有拉伸式和遠地式兩種外加電流陰極保護修復系統，下面將分別介紹。

 

    拉伸式外加電流陰極保護延壽技術

 

    抗拉式伸輔助陽極由輔助陽極單元、電纜和承重鋼纜組成。將多個輔助陽極單元由電纜串聯在一起，實現它們之間的電連接，這種陽極的形狀可以是管狀也可以是絲狀。將串聯有陽極單元的電纜固定到一根主要起機械支撐作用的承重鋼纜上， 將鋼纜的下端懸掛重載固定在導管架平臺底部的海床上，上端固定到導管架水上支撐結構上。陽極電纜由水上引出，電連接到供電單元上，通過輔助陽極將保護電流施加到導管架平臺水下結構上，實現對水下結構的腐蝕控制。

 

    陽極單元與電纜的電連接可以采用串聯，如DENORA公司的LIDA系統。這種結構形式的特點是電源發出的保護電流幾乎均勻地分配到各個輔助陽極單元上，實現保護電流的均勻傳輸，單根電纜重量輕， 結構簡單、承重鋼纜載荷小。但缺點是一旦其中的某個陽極單元損壞，整根拉伸陽極將無法工作，導致系統失效。

 

    為克服這一問題， 可采用陽極單元并聯的方式，如格沃克公司的VTA系統，即每一個陽極單元均有獨立的電纜供電，多個輔助陽極之間為并聯。這種結構的優點是即使這些陽極單元中某一個被損壞，不會對其他的陽極體產生影響，系統亦可正常運行。同時，根據不同水深保護電流需求的不同可以有針對性地增加或較少某一深度的保護電流以實現最佳的電流匹配。缺點是由于多個陽極均有獨立電纜供電， 電纜的重量成倍增加，尤其對于深水平臺，輔助陽極單元多達幾十個，對承重鋼纜和整個系統的穩固性提出了更為苛刻的要求。

 

    國外多數的在役平臺陰極保護系統延壽修復采用了這種拉伸式輔助陽極，已有近20年的工程應用經驗，最大服役水深達到200米。國內目前僅在渤海灣的自升式鉆井平臺獲得應用，固定式導管架平臺的應用并未可見。筆者單位將該系統用于多座渤海灣40米左右水深鉆井平臺上，實現對多個樁腿的腐蝕控制。

 

    拉伸式外加電流陰極保護延壽修復系統的優勢在于：（1）水上即可實現整套系統的安裝、維修與更換，結構形式多樣， 選擇性大，費用較低。（2）均勻分布在承重鋼纜上的輔助陽極單元從上到下沿著導管架拉伸的方式最大程度地保證了保護電流分布均勻性，同時可根據不同水深保護電流和電位分布需要調整輔助陽極單元間的距離和數量以實現精確控制。（3）拉伸式輔助陽極系統不僅可以安裝在導管架平臺的外側，亦可直接在平臺內部（如果內部空間允許）；對于大型的導管架平臺， 根據保護電流和電位分布均勻性的需要， 可同時在外側四周拉伸多根輔助陽極，亦可采用外部拉伸與內部拉伸相結合安裝方式。（4）拉伸式輔助陽極系統不僅可用于在役平臺的延壽修復，亦可用于新建平臺水下結構的腐蝕控制。

 

    拉伸式輔助陽極系統的局限性也很明顯：（1）采用從平臺上端向底部外側拉伸的方式，給其他輔助工程船舶的停靠與拋錨工作帶來困難，需避開此陽極安裝的區域。（2）拉伸式輔助陽極系統從上到下穿于飛濺、潮差、全浸甚至海泥等多個區帶，同時受海流、浮冰甚至海水暴風等極端惡劣天氣影響，服役環境極為苛刻。因此對成承重鋼纜、陽極電纜、輔助陽極單元等關鍵組件的安全穩定運行提出了更高的要求。

 

    遠地式外加電流陰極保護延壽技術

 

    遠地式輔助陽極系統是將輔助陽極放置在導管架外側一定距離的海床上，通過臍帶電纜電連接到平臺上部的電源模塊實現對導管架水下結構的腐蝕控制，安裝方式見圖4。根據保護電流和保護電位分布均勻性的需求可以同時在導管架底部海床上同時布置多座輔助陽極，通過數值模擬計算軟件或者物理模型試驗優化輔助陽極間及輔助陽極與導管架間平臺的相對距離和角度。

 

    國外遠地式輔助陽極系統的應用案例較多， 其中比較著名的有美國的DEEPWATER公司的Retrobuoy系統，該公司的輔助陽極單元為浮式結構，即將發生電流單元管固定到浮筒上，由繩索將錨定在位于海底的鋼結構底座上。2010年和2012年，該公司對中海油位于南海的兩座導管架平臺進行了延壽修復。浮式陽極結構設計有效減弱了海流對陽極發生電流單元的沖刷，同時降低了被泥沙埋覆的危險。另外一個著名的公司是美國的MPM， 該公司設計的Generation IV遠地式輔助陽極采用床式結構，將輔助陽極的發生電流單元放置到一個由玻璃鋼網格和混凝土構建的防護殼內，網格允許海水和泥沙通過，可有效防止大型落物對陽極體的危害，結構簡單、穩固，單座最大發生電流達800A。

 

    筆者單位以自升式平臺外加電流陰極保護技術科研與工程應用為基礎，聯合海洋石油工程股份針對南海200米水深導管架平臺開發了單套發生電流達到600A的遠地式輔助陽極系統，目前已經完成實海測試，下步將進行工程示范。

 

    遠地式輔助陽極系統的優點是：（1） 單套發生電流大，最大可達1000A，尤其適用于大型深水導管架平臺的腐蝕控制。（2）該系統不僅用于在役平臺的延壽修復，亦可用于新建平臺腐蝕控制。（3）該系統發生電流單元固定于海底，最大程度降低海流、浮冰、海上風暴等環境因素的破壞作用。

 

    其缺點是由于單座輔助陽極發生電流大，且位置集中，因此容易導致靠近輔助陽極區域的過保護和大型導管架平臺較遠距離處和內部區域的欠保護，筆者已通過物理模型試驗證實對于結構復雜的大型導管架平臺，容易發生欠保護的往往不是距離輔助陽極最遠的地方，而是導管架內部屏蔽嚴重的區域。

 

 

圖4　遠地式輔助陽極安裝結構示意圖
 

    快速連接犧牲陽極延壽技術

 

    在對裝配有犧牲陽極保護的導管架平臺水下結構陰極保護狀態檢查時，常常發現水下結構的某一位置或某一區域的鋼結構出現欠保護現象，原因也是多樣的，有的是該處的犧牲陽極消耗殆盡，有的則陽極本身出現問題無法提供足夠的保護電流， 還有設計參數選擇不當等。海底管線的陰極保護狀態巡檢也發現過類似的情況。

 

    局部欠保護導致的潛在安全隱患，如不及時采取有效補救措施，將可能引發嚴重的安全事故。由于需要補救的面積和范圍小，水下焊接犧牲陽極或者安裝外加電流系統，費用必將不菲。

 

    針對這種情況，國內外普遍采用了一種被稱為犧牲陽極堆的補救方法，即將單支或多支犧牲陽極通過鋼結構電連接到一起做成一個陽極堆，安放到需要保護的鋼結構周圍。將一根電纜一端電連接到陽極堆上，另一端引出水面電連接到被保護結構上，實現對局部欠保護區域的腐蝕控制。這種安裝方法在國內外的海洋工程延壽修復技術中均有報道。

 

    這種方法的缺點是不適于深水鋼結構的局部修復，原因是深水鋼結構需要引出的長長的電纜線，結果是一方面增加了犧牲陽極與被保護鋼結構間的電阻，降低了陽極的電流輸出；另一方面，電纜線穿越海洋全浸、潮差和飛濺區，防護和固定施工周期長，工作量大，費用高。

 

    為克服這一問題，筆者單位與海洋石油工程股份公司合作開發了一種可水下安裝的快速鏈接犧牲陽極，如圖5。該系統有便攜式卡箍、陽極堆及必要的電纜組成。電纜一端電連接陽極堆，另一端連接便捷式卡箍。只需操作人員將被保護管段推入卡箍環內，旋緊頂針即刻實現犧牲陽極與被保護體的電連接。該卡箍水下安裝，簡單便捷，目前已在碼頭鋼管樁陰極保護延壽修復中獲得應用。
 

 

圖5　快速鏈接犧牲陽修復裝置

 

    結束語

 

    早在上世紀70年代，我國就開展了針對導管架平臺的外加電流陰極保護成套技術的研究與工程應用，但由于當時的控制電源精度低，參比電極穩定性差，維護人員缺乏專業知識，系統疏于管理等原因， 系統幾年內即無法正常工作，后來被迫改用犧牲陽極保護技術。在全球海洋工程裝備格局中，歐美企業屬于第一陣營，而我國屬于第三陣營，因其進軍深海早，在海洋工程裝備外加電流陰極保護技術的科研和工程應用方面積累了豐富的經驗，一直走在世界的前列。

 

    越來越多的位于渤海灣的固定式海洋平臺服役期超過20年，但多數超出了當初陰極保護設計服役年限的海洋平臺水下油氣資源依然豐富，必須采取延壽修復技術以保證其安全生產。隨著陸上石油資源日益枯竭，海上特別是深水已經成為主要的新增來源，而由于種種原因，深海平臺的犧牲陽極被過早消耗， 不得不采取必要的修復技術以延長其使用年限。

 

    由于犧牲陽極的冶煉對資源和能源消耗巨大，對空氣、水、土壤造成嚴重的生態污染和破壞，同時，犧牲陽極的溶解釋放大量重金屬離子也存在潛在海洋生態污染隱患。外加電流作為一種生態友好型陰極保護技術，其優勢將通過在新建和在役海洋平臺的腐蝕控制和延壽修復方面的應用而得到彰顯。