常煒 中海油研究總院防腐首席工程師

    近海油氣開發(fā)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(shè)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(jié)構(gòu)稱為導(dǎo)管架，英文 Jacket，是整個(gè)平臺的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。導(dǎo)管架常年處于惡劣的海洋環(huán)境中，嚴(yán)重的海水腐蝕時(shí)時(shí)考驗(yàn)著它們的安全。陰極保護(hù)就是它們的守護(hù)神，應(yīng)用最廣的就是犧牲陽極陰極保護(hù)，鋁合金陽極因其性價(jià)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(jié)能環(huán)保備受全球關(guān)注。而鋁合金陽極從原材料生產(chǎn)至陽極鑄造需要大量環(huán)保投入，使用期間也會(huì)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(hù)技術(shù)具有成熟可靠、資源消耗低和經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，外加電流技術(shù)在陸上等其他領(lǐng)域應(yīng)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(diǎn)說起，由于維修難度大費(fèi)用高或根本無法維修，所以要求在很長的服役年限內(nèi)無需維修，同時(shí)要求維護(hù)簡單。因此，要在海上平臺得到實(shí)際應(yīng)用，還要解決幾個(gè)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(qiáng)臺風(fēng)的沖擊，由于一直處于波浪的作用下，要求裝置的強(qiáng)度和疲勞壽命需滿足設(shè)計(jì)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(yīng)協(xié)調(diào)一致，不能產(chǎn)生相互干擾，因此，需要根據(jù)不同的平臺現(xiàn)狀和海域環(huán)境條件，選擇適宜的外加電流形式；再次，考慮對陰極保護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測，最佳的做法是與外加電流系統(tǒng)一體考慮，可大幅度降低安裝成本，必須解決監(jiān)測精度的難題，需要有精確的數(shù)值計(jì)算作為保證；最后，安裝技術(shù)至關(guān)重要，而且費(fèi)用所占比例也相當(dāng)高。由于安裝過程幾乎不可重復(fù)，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(shí)間窗及安裝費(fèi)用。因此，外加電流在海上平臺的應(yīng)用難度非常高。

    平臺服役期間可能出現(xiàn)原有陰極保護(hù)系統(tǒng)不能滿足要求，或平臺服役期滿后，由于油氣田生產(chǎn)的需求需要繼續(xù)服役。因此，基于平臺陰極保護(hù)需求的特點(diǎn)，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(hù)系統(tǒng)，而遠(yuǎn)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(hù)系統(tǒng)如下圖 1 至圖 3 所示。

    與陸上外加電流系統(tǒng)一樣，海上平臺外加電流系統(tǒng)同樣由電源、陽極、電纜等組成，也同樣需要陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)；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(hù)系統(tǒng)，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(hù)管內(nèi)，同時(shí)可以將陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)集成在一起。為保證可靠性，需考慮導(dǎo)管架安裝時(shí)打樁和服役期間波浪對電纜護(hù)管和輔助陽極的影響。該系統(tǒng)在導(dǎo)管架預(yù)制時(shí)安裝，極大地降低了建造成本。導(dǎo)管架安裝初期，尚無電源，因此需要設(shè)置少量犧牲陽極，為導(dǎo)管架提供臨時(shí)陰極保護(hù)。該系統(tǒng)的重量約為犧牲陽極系統(tǒng)的幾分之一，有利于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可顯著降低導(dǎo)管架的工程造價(jià)，越是大型導(dǎo)管架降低的幅度越大。

    對于已建平臺，水下安裝犧牲陽極費(fèi)用高昂，上述固定式也因?yàn)榘惭b費(fèi)用太高，無法采用。張緊式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，兼具陰極保護(hù)和監(jiān)測的功能。輔助陽極、參比電極和電纜集成于一體，稱之為復(fù)合電纜，具有承重、供給陽極電流和傳輸監(jiān)測信號的功能。復(fù)合電纜頂部固定在平臺的桿件上，底部固定在重力基礎(chǔ)上，并根據(jù)海況條件施加一定的預(yù)張力，使其處于張緊狀態(tài)，所以也稱為拉伸式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。重力基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)和重量、復(fù)合電纜的張緊力等需要考慮具體環(huán)境條件、水深等多因素來確定，同時(shí)要保證在可能的環(huán)境條件，特別是極端環(huán)境條件下，復(fù)合電纜與平臺結(jié)構(gòu)件、及復(fù)合電纜之間保持一定的安全距離。復(fù)合纜結(jié)構(gòu)和長度、重力基礎(chǔ)及張緊力之間密切相關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)需要統(tǒng)一考慮。因?yàn)檩o助陽極垂直均勻布置，因此，電位分布更均勻，所需保護(hù)電流也相對較小。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于安裝時(shí)不需水下作業(yè)，或只需簡單的水下作業(yè)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(hù)系統(tǒng)延長服役具有非常大的優(yōu)勢。

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

    對于特殊情況，例如冬季結(jié)冰，穿越飛濺區(qū)和潮差區(qū)的裝置應(yīng)采用抗冰等保護(hù)措施。上述技術(shù)同樣適用于其他海上鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)，例如碼頭、移動(dòng)式平臺等，可作為短期陰極保護(hù)使用，也可用于長期保護(hù)。隨著技術(shù)的不斷完善，外加電流在海上結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)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(fā)工程防腐領(lǐng)域有較深入的研究，負(fù)責(zé)和參加了多項(xiàng)科研課題和防腐蝕設(shè)計(jì)工作，負(fù)責(zé)制定了多項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)開展了二氧化碳腐蝕預(yù)測研究、材料選擇指南、內(nèi)腐蝕監(jiān)測裝置、低合金耐蝕鋼研究、導(dǎo)管架陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)等研究工作，獲著作權(quán)、發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng)，成果已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中，成功解決多項(xiàng)防腐蝕技術(shù)難題，為油氣田開發(fā)設(shè)施的安全運(yùn)營發(fā)揮了重要作用。