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外加电流阴极保护技术有了新用途

2018-04-20 10:41:56
作者:常炜
来源:中海油研究总院防腐首席工程师

阴极保护就是石油平台的守护神,应用最广的就是牺牲阳极阴极保护,铝合金阳极因其性价比高而最为常用,铝锌铟系则是其中最典型的代表。

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常炜 中海油研究总院防腐首席工程师

 

    近海油气开发平台有多种形式,固定式平台最为常见,服役年限多为二三十年或更长。石油平台可看作由二部分组成,上部设施具备钻修井、油气开采处理和外输、人员住宿等或其中部分功能,下部的结构称为导管架,英文 Jacket,是整个平台的基础,其重要性不言而喻。导管架常年处于恶劣的海洋环境中,严重的海水腐蚀时时考验着它们的安全。阴极保护就是它们的守护神,应用最广的就是牺牲阳极阴极保护,铝合金阳极因其性价比高而最为常用,铝锌铟系则是其中最典型的代表。


    近年来,节能环保备受全球关注。而铝合金阳极从原材料生产至阳极铸造需要大量环保投入,使用期间也会排放锌等,服役就意味着消耗,大量资源无法再生,令人可惜。外加电流阴极保护技术具有成熟可靠、资源消耗低和经济、环保等优点,外加电流技术在陆上等其他领域应用广泛,但为什么在海上平台没有广泛采用呢?这得从海上平台的特点说起,由于维修难度大费用高或根本无法维修,所以要求在很长的服役年限内无需维修,同时要求维护简单。因此,要在海上平台得到实际应用,还要解决几个难题:首先,需要解决可靠性的问题,要求装置能够抵御各种恶劣海况,特别是强台风的冲击,由于一直处于波浪的作用下,要求装置的强度和疲劳寿命需满足设计年限的要求;其次,海上石油平台集多种功能于一体,各类装置之间应协调一致,不能产生相互干扰,因此,需要根据不同的平台现状和海域环境条件,选择适宜的外加电流形式;再次,考虑对阴极保护效果进行监测,最佳的做法是与外加电流系统一体考虑,可大幅度降低安装成本,必须解决监测精度的难题,需要有精确的数值计算作为保证;最后,安装技术至关重要,而且费用所占比例也相当高。由于安装过程几乎不可重复,需要一次成功,因此,需要解决安装方案的可行性、安装所需时间窗及安装费用。因此,外加电流在海上平台的应用难度非常高。


    平台服役期间可能出现原有阴极保护系统不能满足要求,或平台服役期满后,由于油气田生产的需求需要继续服役。因此,基于平台阴极保护需求的特点,可以分为新建平台和在役平台两类。新建平台可采用固定式外加电流阴极保护系统,而远地式和张紧式(或称为拉伸式)则更适用于在役平台。3 种外加电流阴极保护系统如下图 1 至图 3 所示。


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    与陆上外加电流系统一样,海上平台外加电流系统同样由电源、阳极、电缆等组成,也同样需要阴极保护监测系统;最大的不同在水下部分,不仅形式不同,也需要不同的安装方法,对成本的影响也非常大。


    固定式外加电流阴极保护系统,为了尽量减少辅助阳极用量,辅助阳极安装在固定的支架上,所以也称为固定支架式,电缆布置在电缆护管内,同时可以将阴极保护监测系统集成在一起。为保证可靠性,需考虑导管架安装时打桩和服役期间波浪对电缆护管和辅助阳极的影响。该系统在导管架预制时安装,极大地降低了建造成本。导管架安装初期,尚无电源,因此需要设置少量牺牲阳极,为导管架提供临时阴极保护。该系统的重量约为牺牲阳极系统的几分之一,有利于导管架结构优化,可显著降低导管架的工程造价,越是大型导管架降低的幅度越大。


    对于已建平台,水下安装牺牲阳极费用高昂,上述固定式也因为安装费用太高,无法采用。张紧式外加电流阴极保护系统,兼具阴极保护和监测的功能。辅助阳极、参比电极和电缆集成于一体,称之为复合电缆,具有承重、供给阳极电流和传输监测信号的功能。复合电缆顶部固定在平台的杆件上,底部固定在重力基础上,并根据海况条件施加一定的预张力,使其处于张紧状态,所以也称为拉伸式外加电流阴极保护系统。重力基础的结构和重量、复合电缆的张紧力等需要考虑具体环境条件、水深等多因素来确定,同时要保证在可能的环境条件,特别是极端环境条件下,复合电缆与平台结构件、及复合电缆之间保持一定的安全距离。复合缆结构和长度、重力基础及张紧力之间密切相关,设计时需要统一考虑。因为辅助阳极垂直均匀布置,因此,电位分布更均匀,所需保护电流也相对较小。该系统最大的特点在于安装时不需水下作业,或只需简单的水下作业作为辅助,因此便于安装,整体成本低,用于在役平台阴极保护系统延长服役具有非常大的优势。


    远地式外加电流阴极保护系统,辅助阳极设置在安装于海床上的结构物上,并于平台保持一定的距离以满足平台阴极保护的要求,故称为远地式。正因为远离平台,保护电位分布就没有上述两种方法均匀,呈现底部偏负上部偏正的态势,所需保护电流也明显大于上述两种方法。远地式的电缆需固定在杆件或穿入护管内,电缆护管可有效电缆免收外力破坏,例如在冬季结冰的海域。因此,辅助阳极和电缆的安装需采用潜水作业或 ROV 作业,水下作业工作量很大,因而成本相对上述两种高很多。该系统可靠性较高,特别是在某些特殊的海域,因此,该技术也不失为一种在役平台阴极保护系统延长服役好的选择。


    对于特殊情况,例如冬季结冰,穿越飞溅区和潮差区的装置应采用抗冰等保护措施。上述技术同样适用于其他海上钢结构的阴极保护,例如码头、移动式平台等,可作为短期阴极保护使用,也可用于长期保护。随着技术的不断完善,外加电流在海上结构物阴极保护中大有用武之地。


 

    ●  人物简介

 

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    常炜,中海油研究总院防腐首席工程师,教授级高级工程师。在海上油气开发工程防腐领域有较深入的研究,负责和参加了多项科研课题和防腐蚀设计工作,负责制定了多项企业标准,负责开展了二氧化碳腐蚀预测研究、材料选择指南、内腐蚀监测装置、低合金耐蚀钢研究、导管架阴极保护监测系统等研究工作,获著作权、发明专利、实用新型专利和科技进步奖多项,成果已广泛应用于生产和设计中,成功解决多项防腐蚀技术难题,为油气田开发设施的安全运营发挥了重要作用。

标签: 常炜, 阴极保护, 钻井平台

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