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海洋石油平臺外加電流陰極保護延壽修復技術
作者:huanloon  來源:本站  發表時間:2017-3-16 16:10:11  點擊:752

    我國從上世紀8 0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4 0 0多座, 且絕大多數采用犧牲陽極陰極保護。對于早期采用犧牲陽極保護的在役平臺, 隨著平臺服役年限的增加,很多海洋石油平臺已經接近甚至超出了當初陰極保護設計的使用年限, 需要對這些平臺的陰極保護系統進行延壽修復。若采用傳統的犧牲陽極延壽修復, 則需要在水下焊接大量的犧牲陽極。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, 尤其是對于深海導管架平臺, 隨著水深增加工程造價急劇上升, 要比陸地安裝高出十幾倍甚至上百倍, 給企業帶來沉重的負擔; 另一方面, 犧牲陽極的冶煉對資源和能源消耗巨大, 且陽極冶煉過程大量污染廢棄物排放對空氣、 水、 土壤造成嚴重的生態污染和破壞。同時, 犧牲陽極使用過程中溶解釋放大量金屬離子對海水體系造成的潛在生態污染。與犧牲陽極法相比, 外加電流陰極保護方法具有安裝快速、 安裝費用低、 發生電流大的優點, 不會因為保護面積增加而增加對平臺的負重, 而且外加電流陰極保護系統在使用中沒有重金屬離子產生、 污染少, 是一種環境友好型的陰極保護技術,特別適用于中等水域和深水區域平臺的陰極保護。

    國外針對在役平臺的外加電流陰極保護延壽修復技術已經開展了大量的基礎研究工作, 并已將相關平臺外加電流產品應用到實際工程中。但目前國內對于深水平臺外加電流陰極保護技術卻沒有相關的研究報道, 而采用國外深水平臺外加電流陰極保護產品的初始安裝和后期維護費用都比較高。考慮到未來5~1 0a , 國內將有一批海洋在役平臺超出服役年限, 探尋一種經濟可靠、 可實現國產化的平臺外加電流陰極保護延壽修復技術顯得尤為緊迫。
 
    1  國內外平臺外加電流陰極保護技術現狀
 
    在國外, 海洋平臺的外加電流陰極保護的安裝與修復相關技術被美國、 英國、 挪威、 巴西、 新加坡、韓國等幾個國際海洋油氣開采裝備強國所壟斷。由于國外進軍海洋領域的資源開采遠早于我國, 外加電流陰極保護技術的發展也較為成熟, 包括固定式平臺、 自升式平臺、 張力腿平臺、 S p a r平臺、 浮式生產儲運系統( F P S O ) 、 水下生產系統和超大型浮式海洋結構物等都有相關的外加電流陰極保護系統的應用案例。比如, 美國的 D e e p w a t e r公司的 R e t r o -B u o y 系統, 意大利的 D E NO R A 公司的 L I D A 系統在海洋石油平臺陰極保護工程中都有較多的應用。

    在國內, 海洋平臺用外加電流陰極保護系統還處于研發階段, 對于簡單鋼結構的外加電流陰極保護系統裝置一般從國外購得, 而復雜鋼結構的陰極保護系統還未見有報道, 延壽系統多由國外提供技術并全程參與安裝指導。我公司自2 0 0 5年就開始了對自升式鉆井平臺的外加電流陰極保護技術的研究, 先后完成了8座自升式鉆井平臺的和一座樁式作業平臺的外加電流陰極保護工程, 腐蝕控制效果良好。外加電流技術在自升式平臺上取得成功后, 我所和海工聯合研究了外加電流技術在導管架平臺等其他海洋結構物上的應用, 通過對平臺外加電流陰極保護優化設計和外加電流陰極保護系統中關鍵組件的研究構建了一套海洋石油平臺外加電流陰極保護延壽修復技術。

    2  平臺外加電流陰極保護延壽修復技術
 
    整套外加電流陰極保護修復技術包括平臺外加電流陰極保護優化設計和平臺外加電流陰極保護裝置, 其中平臺外加電流陰極保護裝置由電源、 電纜、輔助陽極、 監檢測系統等組成。

    2.1  平臺外加電流陰極保護優化設計
 
    外加電流陰極保護設計時需要根據平臺的結構、 服役水深、 海底輸油管網分布情況、 服役區域海洋環境條件等因素來設計輔助陽極的結構與安裝方式。輔助陽極結構和安裝方式不合理極易造成構筑物的欠 保 護 或 過 保 護, 兩 者 都 會 造 成 嚴 重 的 后果。為了優化海洋石油平臺外加電流陰極保護設計參數, 避免因設計問題導致的平臺欠保護和過保護問題。根據縮比模型理論 構建了一套海洋平臺外加電流陰極保護模擬裝置( 圖1 ) , 該裝置主要由模擬水池、 模擬流動海水裝置、 導管架縮比模型、 外加電流控制系統、 電位監測系統及相關配套組件構成。該裝置可以實現對輔助陽極的形狀和尺寸、 輔助陽極與平臺的安裝位置、 保護電流分布、 海流及潮差變化對保護電位的影響等參數優化設計。
 

圖 1  平臺外加電流陰極保護模擬裝置
 
    采用模擬裝置進行了海洋平臺外加電流陰極保護模擬試驗。本工作首先建立物理模型, 開展優化設計試驗。同時針對某一狀態條件, 通過數值模擬法計算驗證物理模擬結果的可靠性, 兩種方法相互驗證, 保證優化設計結果的可靠性。

    以J Z 1 2 0 - 1在役導管架平臺為原型, 構建了一套1∶2 0的平臺陰極保護縮比模型。平臺模型是以渤海灣J Z 1 2 0 - 1在役導管架平臺為原型, 以1∶2 0比例縮小制作, 模型為平臺水下結構部分, 不考慮上層建筑的模擬。外加電流陰極保護系統由一臺上海正方電子Z F - 9型恒電位儀和若干輔助陽極組成。電位監測系統由全自動數據采集與存儲儀和 A g/A g C l參比電極組成。試驗海水取自青島小麥島附近海域, 按照1∶2 0稀釋。

    由于導管架平臺內部結構緊湊, 難有足夠的空間安裝排流量較大的輔助陽極。借鑒國外的海洋構筑物外加電流陰極保護設計經驗, 選擇一種被稱為遠地式的輔助陽極進行優化設計。該輔助陽極被放置在平臺外側一定距離的海床上, 通過平臺上部電源供電, 實現對整個平臺的腐蝕控制。

    在平臺底部一定距離處放置一座遠地式輔助陽極, 研究了恒電流下輔助陽極與平臺底部間距和輔助陽極形狀對平臺電位分布及其保護程度的影響。圖2為導管架平臺的縮比模型, 圖中序號點為參比電極安裝位置。按照外加電流陰極保護設計方案對平臺模型施加了陰極保護, 并采用大型防腐蝕數值模擬分析軟件B e a s y 進行數值模擬分析。圖3為保護電位的數值模擬結果。從圖3中可以看出模型電位最低點和電位最高點的電位相差約5 0mV , 電位分布比較均勻, 沒有過保護和欠保護的現象。通過縮比模型試驗和數值模擬計算說明外加電流陰極保護系統可以良好地實現對整個平臺的腐蝕控制。
 

圖2導管架平臺縮比模型

圖3導管架平臺縮比模型保護電位數值模擬
 
    2.2  平臺外加電流陰極保護裝置
 
    根據優化設計方案, 結合海洋環境腐蝕特點, 從設備選材、 防護設計、 便捷安裝等方面綜合考慮, 設計并研制了一套平臺外加電流陰極保護裝置, 該裝置包括陰極保護電源、 電纜、 輔助陽極、 監檢測系統等。

    2.2.1陰極保護電源
 
    陰極保護電源是外加電流陰極保護系統中控制發生電流的設備, 是外加電流陰極保護系統的核心部件。常規陰極保護電源在高溫、 高濕、 高鹽度的強腐蝕海洋環境中使用時經常發生故障, 從而造成整個陰極保護系統中斷運行甚至出現設備擱置等情況, 直接影響腐蝕保護和監測的效果, 嚴重的可引發重大安全事故。而且海洋平臺一般離岸較遠, 設備維護和更換成本高, 因此陰極保護電源長期穩定可靠的運行是一個關鍵問題。針對海洋環境特點, 從選材、 結構以及冷卻方式上進行防腐蝕、 防塵、 防潮、防霉、 散熱以及防爆設計, 研制了可適用于海洋環境陰極保護的大功率整流器電源。

    該電源為油浸式整流器( 圖4 ) , 額定輸出電流1  0 0 0A , 防護等級I P 5 6 , 使用壽命2 0a 。油浸式冷卻保證散熱的高效性, 可有效防止鹽霧和潮氣進入機柜對元器件產生腐蝕。前控制面板安裝在防爆控制箱內。其他絕緣零件如絕緣子、 環氧玻璃板、 墊塊等支撐件做涂覆處理, 增加防潮、 防霉菌的能力。整流器具備數據儲存和遠程控制功能。
 

圖4油浸式整流器
 
    2.2.2輔助陽極系統
 
    輔助陽極及其托架使用于海洋環境時常因材料選擇不合理, 結構設計差而失效。而平臺外加電流輔助陽極因安裝在水下, 更容易因海水沖刷腐蝕和密封破壞而失效。因此輔助陽極及其托架材料的選擇以及結構設計是保證輔助陽極可靠運行的關鍵。由于輔助陽極及其托架在海水中使用時主要遭受海水沖刷、 海水腐蝕、 水壓、 電極反應產生的氯氣腐蝕等, 首先通過耐沖刷性能試驗、 電化學性能試驗和強化壽命試驗優選出耐沖刷、 長壽命的輔助陽極及其托架材料。輔助陽極選用性價比高、 發生電流穩定、 消耗率小、 機械強度高的 MMO 陽極; 托架材料選用聚四氟乙烯。然后針對海水水下環境做了耐壓設計和密封結構設計, 使之能在深水壓力環境下的穩定運行, 并針對定型的陽極及其支架做了耐壓強度試驗和模擬深水環境下的水密性試驗, 以檢測輔助陽極系統的機械強度和水密性。

    輔助陽極底座采用碳鋼結構, 底座焊接了 4 塊設計壽命為 2 0a的犧牲陽極來抑制底座的腐蝕。底座采用混凝土進行配重, 配重后底座重3。 5t , 保證整個底座在海床上的穩定性。當海床上海泥較深時, 需增加底座下部位置高度并焊接裙板, 防止海水對底座下部海泥的沖刷。

    通過對輔助陽極的優選以及遠地式陽極支架和底座的設計研制了海洋平臺外加電流陰極保護遠地式輔助陽極工程樣機( 圖5 ) 。遠地式輔助陽極采用遠地式陣列結構。每套輔助陽極系統額定輸出電流6 0 0A , 耐水壓3 0 0m , 使用壽命2 0a 。

    2.2.3監檢測系統
 
    傳統的海洋石油平臺工程結構物的陰極保護效果評價主要依靠不定期的檢測來完成, 需要依靠潛水員或者無人搖控潛水( R OV ) 攜帶便攜式參比電極到指定位置進行測量和評價, 這種方法不僅會耗費巨大, 而且無法對整個海洋平臺結構物進行整體的和持續的保護效果評價。

    針對以上問題, 我所在研制的整流器上集成了海洋平臺陰極保護監檢測系統, 該系統可以實時了解和掌握海洋石油平臺的腐蝕狀態, 隨時提供水下鋼結構陰極保護系統的運行狀態信息, 及時發現問題和隱患。對于確保海洋石油平臺鋼結構長期安全運營, 具有重要價值。該系統能夠不間斷地測量平臺鋼結構水下不同位置和區域的電位, 具有實時顯示和自動存儲功能。該系統和整流器的集成設計節約了設備成本, 并且節省了平臺上的設備安裝空間。

    海洋平臺陰極保護監檢測系統主要包括參比電極、 數據采集存儲儀及信號傳輸電纜等設備。參比電極采用了在 海 洋 環 境 中 使 用 性 能 較 好 的 A g/A g C l和高純鋅雙參比電極( 圖6 ) , 使用雙參比電極的兩個電極的反饋電位可以相互印證, 防止電極失效造成的電位監測數據不準確的現象。所選電極均進行了嚴格的電化學性能測試, 并且針對海洋環境設計了多孔的防污損護套, 該護套還能增加整個電極體的機械強度, 防止外力撞擊造成參比電極損壞。同時還測試了參比電極的耐壓強度驗和水密性, 確保監測電位的長期準確性以及在深水環境中使用的可靠性。

圖5遠地式輔助陽極示意圖       圖6 A g/ A g C l和高純鋅雙參比電極
 
 
    為了便于參比電極的水下安裝, 該參比電極采用了一種便捷卡箍的安裝方式, 如圖7所示, 將參比電極預裝在鉗式卡箍上, 使用鉗式卡箍連接構筑物,該卡箍使用方便快捷, 可采用 R OV安裝。

    2.3  平臺外加電流陰極保護裝置實海測試
 
    為了檢測平臺外加電流陰極保護裝置的整體性能, 在青島小麥島海域對研制的平臺外加電流陰極保護裝置進行了實海測試。測試采用鐵絲網模擬被保護物, 研制的油浸式整流器作為直流電源, 遠地式陽極作為輔助陽極, 截至目前已經過了1 8個月的實海測試。測試結果表明平臺外加電流陰極保護裝置可以穩定的輸出6 0 0A 的保護電流, 該裝置輸出的保護電流值在國內處于領先水平, 相比國外同類產品亦處于先進水平( 國外同類產品輸出保護電流2 0 0~5 0 0A ) 。

    整流器持續運行1 8個月無故障, 并且運行穩定、 恒流精度高、 實測紋波系數 <2% 。輔助陽極體外觀良好, 表面未附著海生物( 圖8 ) 。支架及底座無明顯腐蝕, 底座上犧牲陽極溶解均勻。陰極鐵絲網表面覆蓋率了鈣鎂沉積層, 采用 A g/ A g C l便攜式參比電極檢測了陰極電位, 和固定在陰極上雙參比電極對比結果見表1 。

    由表1可以看出陰極鐵絲網保護狀態良好, 達到了-8 0 0~-1  1 5 0mV 的保護范圍。固定式參比電極的電位檢測準確。

圖7參比電極安裝                    圖 8  實海測試低潮位時的輔助陽極
 
    3  結論
 
    (1 )采用縮比模型試驗優化了平臺外加電流陰極保護系統的設計參數, 并通過數值模擬計算驗證了結果的可靠性。數值模擬結果和縮比模型試驗數據結果較吻合, 整個平臺模型電位分布比較均勻, 沒有過保護和欠保護的現象。通過縮比模型試驗和數值模擬計算說明設計的外加電流陰極保護系統可以良好的實現對整個平臺的腐蝕控制。

    (2 )通過對材料、 設備、 設計以及安裝工藝方面的研究構建了一套平臺外加電流陰極保護延壽修復裝置。實驗室測試和實海測試結果表明該系統性能可靠、 運行穩定, 解決了傳統外加電流裝置可靠性差、 控制精度低、 壽命短、 單套系統發生電流小等關鍵問題。研制的輔助陽極可耐水壓3 0 0m , 適用于較深海域海洋石油平臺的陰極保護延壽修復。

 

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