文/杨朝晖　李向阳　刘福国　张伟

 

    美国专业从事海洋工程设施修复的Deepwater 公司2009年的调查报告指出：全球有超过35%的海洋工程设施的服役年限超过20年，已经超出了当初阴极保护设计的使用年限。工程设施的迅速老化失效使得对新的阴极保护技术的创新需求变得尤为紧迫，创新重点放在不牺牲防护性能和可靠性方面尽量节约投资。未来10年，全球接近2/3的海洋工程设施服役期限超过20 年，甚至更长。石油价格的飙升推动海洋工程不断向深海推进，因此，越来越多阴极设计使用年限的海洋工程设施不得不通过阴极保护修复技术来延长使用寿命。

 

    我国从上世纪80年代开始自主设计并建造各类海洋石油平台，现有各类海洋平台400多座。相较于外加电流法，牺牲阳极法采用陆地一次性安装，无需后期维护， 工艺可复制性强，设计和工程应用历史久，工程经验丰富，标准和规范完善，很好地满足了复杂海洋环境下的腐蚀防护需求，因此，我国绝大多数海洋平台均采用了牺牲阳极阴极保护技术。

 

    若采用传统的牺牲阳极延寿修复， 则需要在水下补焊大量的牺牲阳极。一方面，水下焊接工况条件苛刻，技术难度大，且具有很大的危险性，水下操作人员的安全难以保证。如此巨大的水下焊接工程造价很高，尤其是对于深海大平台，随着水深增加工程造价急剧上升，要比陆地安装高出几十甚至上百倍，给企业带来沉重经济负担；另一方面，牺牲阳极的冶炼对资源和能源的消耗巨大，大量污染废弃物的排放对空气、水、土壤造成严重的生态污染和破坏。同时，牺牲阳极的溶解释放大量的Al、Zn、In、Mg及其他重金属离子，存在潜在海洋生态污染隐患。

 

    国外针对在役平台的延寿修复普遍采用外加电流阴极保护技术。国外已经开展了大量的基础研究工作，并已将相关产品应用到实际工程中。外加电流法尽管其一次性投入较大，全寿命期进行需要维护与保养，但并不存在上述牺牲阳极几个方面的问题，属于节约资源、环境友好型技术。虽然外加电流不能像牺牲阳极那样均匀地分布在被保护钢结构表面，实现保护电流的均匀分布，但是通过优化辅助阳极的数量及辅助阳极与平台的相对位置等设计参数，亦能实现对被保护体的全面腐蚀控制。外加电流法不仅适用于新建平台， 更适用于在役平台阴极保护系统的延寿修复。但而截至目前，国内主要的研究和工程应用仅限于渤海湾的40米以内的浅水平台，对深水海洋平台延寿修复的相关研究和应用尚处于初期阶段。

 

    考虑到我国越来越多的海洋在役平台超出服役年限，为保证在役平台安全生产，提高我国海洋工程装备技术水平， 笔者结合国内外应用现状和自己的工作成果，从在役海洋平台阴极保护系统优化设计入手，分别介绍了拉伸式和远地式外加电流阴极保护延寿技术和快速连接牺牲阳极延寿技术，期望为在役海洋工程设施的阴极保护系统延寿设计与施工提高参考。

 

    在役海洋平台阴极保护系统优化设计

 

    结构表面电位分布的均匀性是评价阴极保护系统设计的重要指标，尤其是外加电流阴极保护法，原因是外加电流系统中辅助阳极的数量较少，发生电流单元集中且电流大，易发生靠近辅助阳极区域过保护和较远区域或者屏蔽严重区域的欠保护危险。

 

    虽然外加电流辅助阳极不能像牺牲阳极那样均匀地分布在被保护钢结构表面实现保护电流的均匀分布，但是通过优化辅助阳极的数量及辅助阳极与平台的相对位置等设计参数，亦能实现对被保护体的全面腐蚀控制。外加电流法不仅适用于新建平台，更适用于在役平台阴极保护系统的延寿修复。

 

    外加电流阴极保护系统优化设计的方法有两种：数值模拟法和缩比模型法。数值模拟法是在传统阴极保护设计基础上，利用计算机边界元程序求解描述阴极保护电场的偏微分方程，进而得到阴极保护的最佳化设计，预测被保护构筑物表面电位分布，图1是笔者对渤海湾内某一在役平台数值模拟的结果。阴极保护电位分布数值计算模型多是针对稳态分布型模型展开，而实际的阴极保护体系状态是随时间发生变化的，如阴极极化过程中钢表面钙质沉积层的沉积与覆盖是一个动态过程，因此边界条件中阴极表面电位与电流密度函数随时间会不断变化，仅根据某一时刻的电位与电流密度函数关系描述整个阴极极化过程，结果的可靠性和可信度难以保证。

 

    缩比模型法是利用被保护物的缩比模型优化预测分析被保护物表面电场，将平台的外形尺寸、阴极保护系统参数等物理量按一定比例缩放，同时将海水的电导率也缩比相同的比例。该方法具有复制平台复杂几何形状，而不依赖任何所用材料的极化曲线等电化学数据，具有节省时间、降低成本的优点，现已在船体阴极保护设计中得到应用。可以看出，缩比模型法的局限性也很突出，比如一个缩比模型只能模拟一种结构，如果需要对不同结构形状的被保护体进行优化设计，必须构建不同的与之对应的缩比模型。而数值模拟法则只需在计算机中更改模型设计，即可实现对模型的优化设计，相较于缩比模型法更加便捷。

 

    图2是为南海某200米水深在役导管架平台的缩比模型及海洋工程模拟水池。笔者通过在该模型表面代表性区域安装电位传感器，通过采集优化设计过程中模型不同区域的电位分布及其变化趋势，实现对导管架平台外加电流阴极保护系统的优化设计。

 

图2　南海某在役平台缩比模型和海洋工程模拟水池

 

    外加电流阴极保护系统主要有电源、辅助阳极和电缆及必要的监检测系统组成，其中辅助阳极的结构形式和安装方式是影响电位分布均匀性的关键因素。根据辅助阳极在平台上的安装位置的不同，主要有拉伸式和远地式两种外加电流阴极保护修复系统，下面将分别介绍。

 

    拉伸式外加电流阴极保护延寿技术

 

    抗拉式伸辅助阳极由辅助阳极单元、电缆和承重钢缆组成。将多个辅助阳极单元由电缆串联在一起，实现它们之间的电连接，这种阳极的形状可以是管状也可以是丝状。将串联有阳极单元的电缆固定到一根主要起机械支撑作用的承重钢缆上， 将钢缆的下端悬挂重载固定在导管架平台底部的海床上，上端固定到导管架水上支撑结构上。阳极电缆由水上引出，电连接到供电单元上，通过辅助阳极将保护电流施加到导管架平台水下结构上，实现对水下结构的腐蚀控制。

 

    阳极单元与电缆的电连接可以采用串联，如DENORA公司的LIDA系统。这种结构形式的特点是电源发出的保护电流几乎均匀地分配到各个辅助阳极单元上，实现保护电流的均匀传输，单根电缆重量轻， 结构简单、承重钢缆载荷小。但缺点是一旦其中的某个阳极单元损坏，整根拉伸阳极将无法工作，导致系统失效。

 

    为克服这一问题， 可采用阳极单元并联的方式，如格沃克公司的VTA系统，即每一个阳极单元均有独立的电缆供电，多个辅助阳极之间为并联。这种结构的优点是即使这些阳极单元中某一个被损坏，不会对其他的阳极体产生影响，系统亦可正常运行。同时，根据不同水深保护电流需求的不同可以有针对性地增加或较少某一深度的保护电流以实现最佳的电流匹配。缺点是由于多个阳极均有独立电缆供电， 电缆的重量成倍增加，尤其对于深水平台，辅助阳极单元多达几十个，对承重钢缆和整个系统的稳固性提出了更为苛刻的要求。

 

    国外多数的在役平台阴极保护系统延寿修复采用了这种拉伸式辅助阳极，已有近20年的工程应用经验，最大服役水深达到200米。国内目前仅在渤海湾的自升式钻井平台获得应用，固定式导管架平台的应用并未可见。笔者单位将该系统用于多座渤海湾40米左右水深钻井平台上，实现对多个桩腿的腐蚀控制。

 

    拉伸式外加电流阴极保护延寿修复系统的优势在于：（1）水上即可实现整套系统的安装、维修与更换，结构形式多样， 选择性大，费用较低。（2）均匀分布在承重钢缆上的辅助阳极单元从上到下沿着导管架拉伸的方式最大程度地保证了保护电流分布均匀性，同时可根据不同水深保护电流和电位分布需要调整辅助阳极单元间的距离和数量以实现精确控制。（3）拉伸式辅助阳极系统不仅可以安装在导管架平台的外侧，亦可直接在平台内部（如果内部空间允许）；对于大型的导管架平台， 根据保护电流和电位分布均匀性的需要， 可同时在外侧四周拉伸多根辅助阳极，亦可采用外部拉伸与内部拉伸相结合安装方式。（4）拉伸式辅助阳极系统不仅可用于在役平台的延寿修复，亦可用于新建平台水下结构的腐蚀控制。

 

    拉伸式辅助阳极系统的局限性也很明显：（1）采用从平台上端向底部外侧拉伸的方式，给其他辅助工程船舶的停靠与抛锚工作带来困难，需避开此阳极安装的区域。（2）拉伸式辅助阳极系统从上到下穿于飞溅、潮差、全浸甚至海泥等多个区带，同时受海流、浮冰甚至海水暴风等极端恶劣天气影响，服役环境极为苛刻。因此对成承重钢缆、阳极电缆、辅助阳极单元等关键组件的安全稳定运行提出了更高的要求。

 

    远地式外加电流阴极保护延寿技术

 

    远地式辅助阳极系统是将辅助阳极放置在导管架外侧一定距离的海床上，通过脐带电缆电连接到平台上部的电源模块实现对导管架水下结构的腐蚀控制，安装方式见图4。根据保护电流和保护电位分布均匀性的需求可以同时在导管架底部海床上同时布置多座辅助阳极，通过数值模拟计算软件或者物理模型试验优化辅助阳极间及辅助阳极与导管架间平台的相对距离和角度。

 

    国外远地式辅助阳极系统的应用案例较多， 其中比较著名的有美国的DEEPWATER公司的Retrobuoy系统，该公司的辅助阳极单元为浮式结构，即将发生电流单元管固定到浮筒上，由绳索将锚定在位于海底的钢结构底座上。2010年和2012年，该公司对中海油位于南海的两座导管架平台进行了延寿修复。浮式阳极结构设计有效减弱了海流对阳极发生电流单元的冲刷，同时降低了被泥沙埋覆的危险。另外一个著名的公司是美国的MPM， 该公司设计的Generation IV远地式辅助阳极采用床式结构，将辅助阳极的发生电流单元放置到一个由玻璃钢网格和混凝土构建的防护壳内，网格允许海水和泥沙通过，可有效防止大型落物对阳极体的危害，结构简单、稳固，单座最大发生电流达800A。

 

    笔者单位以自升式平台外加电流阴极保护技术科研与工程应用为基础，联合海洋石油工程股份针对南海200米水深导管架平台开发了单套发生电流达到600A的远地式辅助阳极系统，目前已经完成实海测试，下步将进行工程示范。

 

    远地式辅助阳极系统的优点是：（1） 单套发生电流大，最大可达1000A，尤其适用于大型深水导管架平台的腐蚀控制。（2）该系统不仅用于在役平台的延寿修复，亦可用于新建平台腐蚀控制。（3）该系统发生电流单元固定于海底，最大程度降低海流、浮冰、海上风暴等环境因素的破坏作用。

 

    其缺点是由于单座辅助阳极发生电流大，且位置集中，因此容易导致靠近辅助阳极区域的过保护和大型导管架平台较远距离处和内部区域的欠保护，笔者已通过物理模型试验证实对于结构复杂的大型导管架平台，容易发生欠保护的往往不是距离辅助阳极最远的地方，而是导管架内部屏蔽严重的区域。

 

 

图4　远地式辅助阳极安装结构示意图
 

    快速连接牺牲阳极延寿技术

 

    在对装配有牺牲阳极保护的导管架平台水下结构阴极保护状态检查时，常常发现水下结构的某一位置或某一区域的钢结构出现欠保护现象，原因也是多样的，有的是该处的牺牲阳极消耗殆尽，有的则阳极本身出现问题无法提供足够的保护电流， 还有设计参数选择不当等。海底管线的阴极保护状态巡检也发现过类似的情况。

 

    局部欠保护导致的潜在安全隐患，如不及时采取有效补救措施，将可能引发严重的安全事故。由于需要补救的面积和范围小，水下焊接牺牲阳极或者安装外加电流系统，费用必将不菲。

 

    针对这种情况，国内外普遍采用了一种被称为牺牲阳极堆的补救方法，即将单支或多支牺牲阳极通过钢结构电连接到一起做成一个阳极堆，安放到需要保护的钢结构周围。将一根电缆一端电连接到阳极堆上，另一端引出水面电连接到被保护结构上，实现对局部欠保护区域的腐蚀控制。这种安装方法在国内外的海洋工程延寿修复技术中均有报道。

 

    这种方法的缺点是不适于深水钢结构的局部修复，原因是深水钢结构需要引出的长长的电缆线，结果是一方面增加了牺牲阳极与被保护钢结构间的电阻，降低了阳极的电流输出；另一方面，电缆线穿越海洋全浸、潮差和飞溅区，防护和固定施工周期长，工作量大，费用高。

 

    为克服这一问题，笔者单位与海洋石油工程股份公司合作开发了一种可水下安装的快速链接牺牲阳极，如图5。该系统有便携式卡箍、阳极堆及必要的电缆组成。电缆一端电连接阳极堆，另一端连接便捷式卡箍。只需操作人员将被保护管段推入卡箍环内，旋紧顶针即刻实现牺牲阳极与被保护体的电连接。该卡箍水下安装，简单便捷，目前已在码头钢管桩阴极保护延寿修复中获得应用。
 

 

图5　快速链接牺牲阳修复装置

 

    结束语

 

    早在上世纪70年代，我国就开展了针对导管架平台的外加电流阴极保护成套技术的研究与工程应用，但由于当时的控制电源精度低，参比电极稳定性差，维护人员缺乏专业知识，系统疏于管理等原因， 系统几年内即无法正常工作，后来被迫改用牺牲阳极保护技术。在全球海洋工程装备格局中，欧美企业属于第一阵营，而我国属于第三阵营，因其进军深海早，在海洋工程装备外加电流阴极保护技术的科研和工程应用方面积累了丰富的经验，一直走在世界的前列。

 

    越来越多的位于渤海湾的固定式海洋平台服役期超过20年，但多数超出了当初阴极保护设计服役年限的海洋平台水下油气资源依然丰富，必须采取延寿修复技术以保证其安全生产。随着陆上石油资源日益枯竭，海上特别是深水已经成为主要的新增来源，而由于种种原因，深海平台的牺牲阳极被过早消耗， 不得不采取必要的修复技术以延长其使用年限。

 

    由于牺牲阳极的冶炼对资源和能源消耗巨大，对空气、水、土壤造成严重的生态污染和破坏，同时，牺牲阳极的溶解释放大量重金属离子也存在潜在海洋生态污染隐患。外加电流作为一种生态友好型阴极保护技术，其优势将通过在新建和在役海洋平台的腐蚀控制和延寿修复方面的应用而得到彰显。