水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護系統(tǒng)設(shè)計

錢思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護系統(tǒng)設(shè)計

錢思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

對于深水水下油氣開采，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)模式已經(jīng)成為主流的深海油氣開采模式，水下生產(chǎn)系統(tǒng)包含有水下采油樹、海底管匯、海管終端、水下分配單元等等眾多水下生產(chǎn)設(shè)施，且由于水下系統(tǒng)的高可靠性和不可維護性的特點，對于這些深水水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護設(shè)計就顯得尤為重要。本文主要依據(jù)2011年版DNV RP B401陰極保護設(shè)計標準，介紹了水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護的設(shè)計理念和設(shè)計過程，同時也簡述了深水環(huán)境下陰極保護設(shè)計所需注意的主要事項。

水下生產(chǎn)設(shè)施；陰極保護；DNV-RP-B401

1 設(shè)計原則

水下生產(chǎn)設(shè)施通常結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包含有管線、閥門、管支架、控制系統(tǒng)分配單元等部件，因此可供犧牲陽極布置的空間較小，為了減少犧牲陽極用量，通常對水下設(shè)施的防腐主要采用犧牲陽極和水下防腐涂層聯(lián)合保護的方案。

水下生產(chǎn)設(shè)施通常不可維護和保養(yǎng)，因此要求水下設(shè)施必須具有較高的可靠性，出于此目的，水下生產(chǎn)設(shè)施的選材要求通常較常規(guī)海洋設(shè)施更高，因此對水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計必須考慮陰極保護同不同金屬材料的匹配性問題，尤其對于某些高強鋼更應(yīng)該注意陰極保護對其的影響，考慮適當(dāng)?shù)慕^緣等措施，避免出現(xiàn)氫脆等過保護現(xiàn)象。

2 設(shè)計基礎(chǔ)

2.1 設(shè)計環(huán)境參數(shù)和工藝參數(shù)

設(shè)計環(huán)境參數(shù)主要指海水溫度、海水鹽度、pH值、海水/海泥電阻率、氧化還原電位；設(shè)計工藝參數(shù)主要包括水下設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)陰極保護部位的長度、管徑、陽極類型、陰極保護極化電位和需要的電流密度等。

2.2 水下生產(chǎn)設(shè)施表面積的計算

水下生產(chǎn)設(shè)施表面積的計算包括主體結(jié)構(gòu)和附屬物，主要分為涂層覆蓋區(qū)域、裸鋼區(qū)域和海泥區(qū)域，分別計算出各個區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)表面積。

2.3 設(shè)計過程

水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護設(shè)計的最終結(jié)果是得到合理的陽極重量和陽極塊數(shù)，這個過程中會涉及到三個陽極塊數(shù)。

2.4 根據(jù)初期需要的保護電流確定的陽極塊數(shù)

首先需要確定需要的保護電流密度，根據(jù)DNV-RP-B 401（附錄A）進行選取，該電流密度與水深和溫度有關(guān)，通常南海熱帶地區(qū)深海水下推薦的保護電流密度如表1：

表1 陰極保護所需電流密度

2.5 水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護電連續(xù)設(shè)計

水下生產(chǎn)設(shè)施通常存在有螺栓、鉸鏈等機械連接結(jié)構(gòu)，同時針對典型的水下海管終端、水下管匯等設(shè)施，管線上通常不單獨設(shè)計陽極，依靠主結(jié)構(gòu)上陽極來保護，而管線支架墊有絕緣墊板，與主體鋼結(jié)構(gòu)絕緣，保護電流無法到達管線上，需額外考慮電連接。同時，對于機械連接方式，連接電阻較大，同時連接縫隙處若發(fā)生銹蝕將進一步增加連接電阻，影響影響陽極輸出電流的均勻分布，進而影響整體陰極保護效果，因此對水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護必須考慮電連續(xù)性設(shè)計。

對于水下生產(chǎn)設(shè)施的電連接設(shè)計，可以采用齒形墊片和電連接導(dǎo)線的方式。對典型水下管匯/海管終端管線與主結(jié)構(gòu)的電連接，可以在管線支架和管線上焊接帶螺栓孔的鋼制接線基板，然后采用帶齒形墊片的螺栓螺母來連接電導(dǎo)線，齒形墊片可以咬合進入接線板和導(dǎo)線耳表面，保證管線和主體鋼結(jié)構(gòu)間的電連續(xù)性，保證一定的伸縮余量，以免管線位移或其他施工碰撞而將導(dǎo)線扯斷。

2.6 水下生產(chǎn)設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)上陽極的安裝布置

確定了滿足水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護所需要的陽極數(shù)量之后，需要進行陽極的安裝布置設(shè)計，具體的原則如下：①陽極的安裝應(yīng)盡量保證均勻分布；②陽極應(yīng)焊接在結(jié)構(gòu)物內(nèi)側(cè)，防止下水安裝時將陽極損壞；③陽極應(yīng)安裝在結(jié)構(gòu)物保護面積集中的部位；④在后續(xù)的涂敷涂層作業(yè)過程中，已安裝好的陽極必須被很好的保護起來以保證陽極表面干凈清潔。

3 結(jié)論和建議

1）根據(jù)水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護系統(tǒng)設(shè)計過程，得出了三個陽極塊數(shù)：根據(jù)初期需要的保護電流確定的陽極塊數(shù)；根據(jù)設(shè)計壽命得到的陽極塊數(shù)；根據(jù)末期需要保護電流得到的陽極塊數(shù)。選取三者當(dāng)中最多的陽極塊數(shù)進行校核，分別校核初期/末期保護電流和設(shè)計壽命是否滿足需要。

2）因水下生產(chǎn)設(shè)施和周邊海管等其他結(jié)構(gòu)的陰極保護都是獨立設(shè)計，所以要保證各自陰極保護計算的陽極數(shù)量足夠并且布置合理，互不干擾。

3）水下生產(chǎn)設(shè)施的陰極保護設(shè)計必須考慮電連續(xù)性設(shè)計。

4）陽極的安裝布置應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況酌情處理，應(yīng)盡量保證均勻分布在水下生產(chǎn)設(shè)施保護面積集中的區(qū)域。

[1] 利軍，王春升，郭宏.水下生產(chǎn)系統(tǒng)清管方案研究[J].化工設(shè)備與管道，2013，50（S2）：79-80.

Design of Cathodic Protection System for Underwater Production Facilities

Qian Si-cheng

At present，the development model of underwater oil and gas exploitation and underwater production system has become the mainstream deep-sea oil and gas exploration mode.Underwater production system includes underwater oil production tree，submarine manifold，sea pipe terminal，underwater distribution unit And many other underwater production facilities，and because of the underwater system of high reliability and non-maintainability of the characteristics of the deepwater underwater production facilities for the cathodic protection design is particularly important.Based on the design of DNV RP B401 cathodic protection design in 2011，this paper introduces the design concept and design process of cathodic protection in underwater production facilities.At the same time，it also highlights the main issues needing attention in cathodic protection design in deep water environment.

underwater production facility；cathodic protection；DNV-RP-B401

TG174.41

A

1003–6490（2017）05–0046–01

2017–04–20

錢思成（1981—），男，天津人，工程師，主要從事海洋石油工程水下系統(tǒng)與產(chǎn)品研究設(shè)計工作。