海洋石油161樁腿外加電流陰極保護裝置優化研究與實施

高連燁 穆勝軍 許海東 李桂忠 孫金偉 張洪濤 許濤 譚靜軒 李艷莉

（中海油能源發展采油服務公司，天津塘沽，郵編：300452）

1.0 前言

海洋石油161是我國首座插銷式液壓自升降生產儲油海洋石油161，是為解決淺海海域邊際油田“蜜蜂式采油”開發問題而研制的插銷式四樁腿液壓升降式海上裝置。由于四條樁腿終年處于海水及海洋大氣環境中，長期受到氯化物、硫化物、海洋微生物以及各種陰、陽離子等的腐蝕，不可避免地要受一定程度的腐蝕，直接影響到海洋石油161的使用壽命。因此，對該自安裝式采油裝置的樁腿水下部分采取外加電流陰極保護防腐措施，確保在其設計使用年限內的安全及正常使用。但原設計制造在實際使用過程中發現存在一些問題，急需對存在的問題進行優化、改造,使其達到真正的保護作用。

2.0 海洋石油161原樁腿外加電流陰極保護裝置簡介

海洋石油161平臺的樁腿外加電流陰極保護系統主要由恒電位儀、陽極電纜、陰極電纜、輔助陽極、電動絞車等部分組成。

2.1 外加電流陰極保護系統原理

所謂陰極保護就是向被保護金屬通以一定的直流電，使被保護的金屬成為陰極而得到保護。然而外加電流陰極保護法，是通過外加電源來提供所需的保護電流。將被保護的金屬作陰極，選用特定材料作為輔助陽極，從而使被保護金屬受到保護的方法。外加電流陰極保護系統是由輔助陽極、參比電極、陽極屏蔽層和直流電源組成。（1）

2.2 海洋石油161上裝腿外加電流陰極保護系統主要組成及特點

1）主要組成部分

原系統主要由鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽極、恒電位儀、鋅鋁硅參比電極等組成。鈦基金屬氧化物（MMO）管狀陽極規格為25mm，長500mm，額定輸出電流23A。工作電流密度：≤600A/m2；消耗率：≤5×10-6Kg/（A·a）；氧化物層厚度：≥8μm；在額定工作電流密度下的恒電流極化電位：≤1.9V；使用壽命：≥10年。恒電位儀采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）恒電位儀，型號為SLT-02B-01，主要性能指標為：適用溫度：-25℃～+55℃；交流電輸入：380V 3相 50HZ；直流電輸出：100A 18V；手/自動功能轉換；限流功能。設計原理單線圖如下圖1所示，原建造示意圖如圖2所示：（2）

圖1 海洋石油161樁腿外加電流陰極保護裝置單線圖

圖2 海洋石油161樁腿外加電流陰極保護裝置示意圖

2）主要特點

海洋石油161是自升式生產儲油裝置，樁腿高度為67m，參比電極安裝在樁腿內部，連接電纜需從內部上升到樁腿頂端后再沿樁腿下降至固樁室內恒電位儀處。陰極接線柱位置為樁腿頂部，連接電纜需沿樁腿下降至固樁室內恒電位儀處。如上圖1圖2所示，恒電位儀安裝在4號固樁室內部、輔助陽極通過負重繩及沉塊放入海水中、陽極提升裝置為手動絞車布置在每個固樁室頂部。

3.0 原樁腿外加電流陰極保護裝置存在的主要問題及分析

3.1 存在的主要問題

陰極電纜、參比電極電纜無法固定。陽極提升裝置-手動絞車收放困難。陽極電纜防護等級低、承重繩風阻較大。陰極、參比電極電纜無法滿足海洋石油161升降工況要求。參比電極失效。

3.2 對存在問題的分析

1）海洋石油161正常作業期間，樁腿頂部到固樁室頂部約有25m左右的高度。陰極電纜、參比電極電纜從樁腿頂部沿樁腿下降至固樁室頂部無法固定；而且與樁腿頂部邊緣摩擦而局部破壞，對人員及設備正常運行造成安全隱患；要解決此問題重新設計此兩根電纜的固定方式，從根本上解決無法固定的問題。但因樁腿本身是可升降式的，無法采取常規的電纜固定方式-焊接馬腳固定電纜。可考慮將電纜固定在鋼絲繩上，鋼絲繩固定在樁腿上，同時鋼絲繩具備方便拆裝的條件。

2）原系統輔助陽極提升裝置為手搖式絞車，收放時需較多人工時，費時費力；而且是高空舷邊作業，安全風險較大。此問題可考慮將手動絞車改為氣動或電動形式的絞車，綜合考慮改造的周期及費用，電動絞車更適合。

3）原系統陽極電纜為無鎧裝電纜，收放時易與承重繩纏繞、摩擦，造成電纜磨損及收放困難，嚴重影響系統的安全、穩定運行；承重繩和陽極電纜在風力較大時所受風阻較大，可使陽極電纜與海洋石油161邊緣摩擦，損壞電纜。解決此問題可考慮改變輔助陽極的連接方式，通過一根帶有一定拉力強度的電纜連接至輔助陽極，既保證電流的有效傳遞、又滿足了作為承重繩的強度需求。

4）原系統陰極、參比電極電纜分別沿各自樁腿經過各自固樁室連接至恒電位儀處，中間沒有接線盒或者連接插座，海洋石油161升降時必須剪斷，恢復困難 （海洋石油161重新定位后可能造成電纜長度無法滿足要求）、可操作性差；此問題可通過增加接線盒、連接插座的方式解決。

5）本套系統共有兩套參比電極、分別安裝在2、3號樁腿中，系統中使用的參比電極為鋅鋁硅參比電極，一套用于控制、一套用于監視。相對于樁腿有效電位范圍為0-0.25V，通過恒電位儀顯示面板發現，恒定電流輸出時兩個參比電極電位相差較大，可以初步判斷為一個或兩個參比電極已失效。此問題如采取更換參比電極的風險很大，需要人下到樁腿內部最下方，且需要內部焊接。綜合考慮其風險及施工難度因素，考慮增加一套外部參比電極，可定期將新增的參比電極投入使用，監控及調整發散電流，使其在正常保護電位范圍之內。

4.0 對原樁腿外加電流陰極保護系統存在的問題改造

4.1 主要改造內容

1）固定陰極、參比電極電纜。在樁腿頂部和固樁室上面用槽鋼焊接兩個鋼絲繩支架，從樁腿頂部到固樁室上面安裝一根直徑為10mm不銹鋼鋼絲繩，利用拆卸方便及可調松緊的花籃螺絲拉緊鋼絲繩，陰極電纜、參比電極電纜固定在鋼絲繩上；為了防止電纜在固定樁頂部磨損，在可能磨損部位增加膠皮套管。

2）輔助陽極提升裝置改為電動提升絞車。為了解決原輔助陽極升降困難及安全問題，通過現場調研及綜合考慮，在每座固樁室頂部增加1臺電動絞車。海洋石油161在各種工況條件下，如升降海洋石油161、拖航時均可利用電動絞車方便的收放輔助陽極，保證了該系統及時有效的投入運行狀態。

3）采用新型陽極電纜。原系統中陽極電纜為無鎧裝電纜且需要借助承重繩連接輔助陽極進入工作狀態。本次改造采用的陽極電纜為耐海水腐蝕且具有一定強度的鎧裝電纜。該電纜內部含有一根鋼絲繩，具有一定的強度，外部采用耐海水性能較好的絕緣外層，規格為1*6mm2。改造后的陽極電纜能有效解決原系統中存在的外層磨損、風阻較大的問題；同時也將原來的承重繩取消了，既方便了整個系統的操作，又保證了其安全長久運行。

4）陰極、參比電極電纜增加連接插座。陰極、參比電極到恒電位儀的電纜設置水密防爆插座，水密防爆插座安裝在固樁室頂部。在海洋石油161升降時可方便地斷開陰極、參比電極電纜，大大增加此裝置的可操作性。

5）采用便攜式參比電極設置工作電流。原系統中因兩個參比電極電位顯示值存在較大差異，懷疑一個或兩個已經失效。系統改造調試時采用便攜式銀/氯化銀參比電極測量樁腿電位，作為恒電位儀輸出電流調整依據。若樁腿保護電位達到-0.8～-1.05V（相對于便攜式銀/氯化銀參比電極），則保持現有電流輸出。如確認原系統參比電極失效，可備用一套便攜式參比電極。

5.0 結束語

海洋石油161是一個自升降式的生產儲油裝置，本次改造根據海洋石油161可升降、移動的特點，將原樁腿外加電流陰極保護裝置改造成可回收式的保護裝置。有效解決了原系統中存在的陽極收放困難、陰極/參比電極電纜不能固定等主要問題。使得該系統能根據海洋石油161的需要及時的投入/切出運行，保證了海洋石油161樁腿的防腐要求。

【1】曹楚南,腐蝕電化學.1994,北京:化學工業出版社.127.

【2】海洋石油161防腐系統完工資料.東方建設（天津）防腐工程有限公司 2009.