常煒 中海油研究總院防腐首席工程師

    近海油氣開發平臺有多種形式，固定式平臺最為常見，服役年限多為二三十年或更長。石油平臺可看作由二部分組成，上部設施具備鉆修井、油氣開采處理和外輸、人員住宿等或其中部分功能，下部的結構稱為導管架，英文 Jacket，是整個平臺的基礎，其重要性不言而喻。導管架常年處于惡劣的海洋環境中，嚴重的海水腐蝕時時考驗著它們的安全。陰極保護就是它們的守護神，應用最廣的就是犧牲陽極陰極保護，鋁合金陽極因其性價比高而最為常用，鋁鋅銦系則是其中最典型的代表。

    近年來，節能環保備受全球關注。而鋁合金陽極從原材料生產至陽極鑄造需要大量環保投入，使用期間也會排放鋅等，服役就意味著消耗，大量資源無法再生，令人可惜。外加電流陰極保護技術具有成熟可靠、資源消耗低和經濟、環保等優點，外加電流技術在陸上等其他領域應用廣泛，但為什么在海上平臺沒有廣泛采用呢？這得從海上平臺的特點說起，由于維修難度大費用高或根本無法維修，所以要求在很長的服役年限內無需維修，同時要求維護簡單。因此，要在海上平臺得到實際應用，還要解決幾個難題：首先，需要解決可靠性的問題，要求裝置能夠抵御各種惡劣海況，特別是強臺風的沖擊，由于一直處于波浪的作用下，要求裝置的強度和疲勞壽命需滿足設計年限的要求；其次，海上石油平臺集多種功能于一體，各類裝置之間應協調一致，不能產生相互干擾，因此，需要根據不同的平臺現狀和海域環境條件，選擇適宜的外加電流形式；再次，考慮對陰極保護效果進行監測，最佳的做法是與外加電流系統一體考慮，可大幅度降低安裝成本，必須解決監測精度的難題，需要有精確的數值計算作為保證；最后，安裝技術至關重要，而且費用所占比例也相當高。由于安裝過程幾乎不可重復，需要一次成功，因此，需要解決安裝方案的可行性、安裝所需時間窗及安裝費用。因此，外加電流在海上平臺的應用難度非常高。

    平臺服役期間可能出現原有陰極保護系統不能滿足要求，或平臺服役期滿后，由于油氣田生產的需求需要繼續服役。因此，基于平臺陰極保護需求的特點，可以分為新建平臺和在役平臺兩類。新建平臺可采用固定式外加電流陰極保護系統，而遠地式和張緊式（或稱為拉伸式）則更適用于在役平臺。3 種外加電流陰極保護系統如下圖 1 至圖 3 所示。

    與陸上外加電流系統一樣，海上平臺外加電流系統同樣由電源、陽極、電纜等組成，也同樣需要陰極保護監測系統；最大的不同在水下部分，不僅形式不同，也需要不同的安裝方法，對成本的影響也非常大。

    固定式外加電流陰極保護系統，為了盡量減少輔助陽極用量，輔助陽極安裝在固定的支架上，所以也稱為固定支架式，電纜布置在電纜護管內，同時可以將陰極保護監測系統集成在一起。為保證可靠性，需考慮導管架安裝時打樁和服役期間波浪對電纜護管和輔助陽極的影響。該系統在導管架預制時安裝，極大地降低了建造成本。導管架安裝初期，尚無電源，因此需要設置少量犧牲陽極，為導管架提供臨時陰極保護。該系統的重量約為犧牲陽極系統的幾分之一，有利于導管架結構優化，可顯著降低導管架的工程造價，越是大型導管架降低的幅度越大。

    對于已建平臺，水下安裝犧牲陽極費用高昂，上述固定式也因為安裝費用太高，無法采用。張緊式外加電流陰極保護系統，兼具陰極保護和監測的功能。輔助陽極、參比電極和電纜集成于一體，稱之為復合電纜，具有承重、供給陽極電流和傳輸監測信號的功能。復合電纜頂部固定在平臺的桿件上，底部固定在重力基礎上，并根據海況條件施加一定的預張力，使其處于張緊狀態，所以也稱為拉伸式外加電流陰極保護系統。重力基礎的結構和重量、復合電纜的張緊力等需要考慮具體環境條件、水深等多因素來確定，同時要保證在可能的環境條件，特別是極端環境條件下，復合電纜與平臺結構件、及復合電纜之間保持一定的安全距離。復合纜結構和長度、重力基礎及張緊力之間密切相關，設計時需要統一考慮。因為輔助陽極垂直均勻布置，因此，電位分布更均勻，所需保護電流也相對較小。該系統最大的特點在于安裝時不需水下作業，或只需簡單的水下作業作為輔助，因此便于安裝，整體成本低，用于在役平臺陰極保護系統延長服役具有非常大的優勢。

    遠地式外加電流陰極保護系統，輔助陽極設置在安裝于海床上的結構物上，并于平臺保持一定的距離以滿足平臺陰極保護的要求，故稱為遠地式。正因為遠離平臺，保護電位分布就沒有上述兩種方法均勻，呈現底部偏負上部偏正的態勢，所需保護電流也明顯大于上述兩種方法。遠地式的電纜需固定在桿件或穿入護管內，電纜護管可有效電纜免收外力破壞，例如在冬季結冰的海域。因此，輔助陽極和電纜的安裝需采用潛水作業或 ROV 作業，水下作業工作量很大，因而成本相對上述兩種高很多。該系統可靠性較高，特別是在某些特殊的海域，因此，該技術也不失為一種在役平臺陰極保護系統延長服役好的選擇。

    對于特殊情況，例如冬季結冰，穿越飛濺區和潮差區的裝置應采用抗冰等保護措施。上述技術同樣適用于其他海上鋼結構的陰極保護，例如碼頭、移動式平臺等，可作為短期陰極保護使用，也可用于長期保護。隨著技術的不斷完善，外加電流在海上結構物陰極保護中大有用武之地。

    ●  人物簡介

    常煒，中海油研究總院防腐首席工程師，教授級高級工程師。在海上油氣開發工程防腐領域有較深入的研究，負責和參加了多項科研課題和防腐蝕設計工作，負責制定了多項企業標準，負責開展了二氧化碳腐蝕預測研究、材料選擇指南、內腐蝕監測裝置、低合金耐蝕鋼研究、導管架陰極保護監測系統等研究工作，獲著作權、發明專利、實用新型專利和科技進步獎多項，成果已廣泛應用于生產和設計中，成功解決多項防腐蝕技術難題，為油氣田開發設施的安全運營發揮了重要作用。