新型可調式外加電流保護系統在自升式平臺樁腿防腐中的應用

劉海超

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

0 引 言

目前隨著海洋資源的不斷開發，海上鋼結構被廣泛使用，然而海洋環境對鋼結構物的腐蝕非常嚴重，大約是大氣腐蝕速度的10倍，例如勝利埕島油田部分平臺潮濺區的腐蝕率達到0.45～0.51 mm/a。腐蝕造成結構強度下降，降低海上鋼結構的使用壽命。尤其用于海上油氣開發的自升式平臺的樁腿，長期處于水下，腐蝕嚴重，其處于飛濺區的部分，腐蝕情況可達到水下部分的3～5倍。

自升式平臺樁腿在平臺升降時，樁腿與固樁室之間都會產生不同程度的摩擦，導致樁腿表面一定面積的涂層被刮落，被剝落涂層的金屬裸露在潮濕的空氣中或淹沒在海水中，加快了樁腿的腐蝕速度。如果樁腿的腐蝕得不到有效控制，鋼結構腐蝕不斷加重，那么樁腿鋼板有效厚度不斷降低，結構應力激增，最終導致整個樁腿結構失效，致使平臺傾覆，對平臺的安全性造成極大的影響。同時樁腿結構的不斷腐蝕給平臺結構安全評估造成了極大困難，大大增加了監測評估成本。因此采取有效的防腐方法防止自升式平臺樁腿腐蝕至關重要。

目前，海上自升式移動平臺基本采用涂層與陰極保護聯合防腐蝕措施。陰極保護系統分犧牲陽極和外加電流2種保護形式，都能達到保護的效果，但由于自升式平臺移位時需升降平臺，樁腿從圍阱區和固樁架中穿過，其配合間隙極小，不能采取導管架平臺使用的犧牲陽極防腐的方法，因此多采用外加電流系統進行樁腿防腐[1]。

1 外加電流保護防腐原理及發展概況

圖 1 被腐蝕的鋼結構

圖 2 摩擦刮落涂層的樁腿

鋼結構物陰極保護起源于19世紀20年代，于20世紀得到廣泛的應用。外加電流保護的原理[2]在于外加電流陰極保護是通過外部電源來改變周圍環境的電位，使得需要保護的鋼結構的電位一直處在低于周圍環境的狀態下，從而成為整個環境中的陰極，這樣需要保護的鋼結構就不會因為失去電子而發生腐蝕，外加電流保護原理見圖3。

外加電流保護方法相對于犧牲陽極具有諸多優勢：1）保護范圍廣；2）使用壽命長；3）不會對海洋生態環境產生任何影響；4）不使用大量陽極塊，減輕了平臺重量；5）能長期連續監測陰極保護系統的工作。

基于外加電流保護防腐技術具有的獨特優勢，其在工業上的應用非常廣泛。例如，地下油氣管線防腐[3]、港口碼頭鋼質靠船排防腐、船舶外板、舵槳防腐[4]、海上平臺防腐[1,5?6]等，其防腐技術均采用外加電流保護防腐技術，但應用方式多樣。總體來說，外加電流保護防腐技術由于其保護范圍廣、使用壽命長、不受型式限制等優勢，得到了廣泛應用。

圖 3 外加電流保護原理圖

圖 4 油氣管線防腐外加電流保護系統

2 存在問題

現階段，自升式平臺上所設的外加電流保護系統（見圖5），控制電源（恒電位儀）正極輸出終端接輔助陽極和參比電極；電纜通過樁腿內部下放至樁靴內部，輔助陽極與參比電極均安裝于樁靴外表面；以海水為介質，通過控制電源（恒電位儀）提供直流電流，通電對樁腿進行保護。

但該種使用方式存在諸多問題：

1）電位測量不準確，控制電源（恒電位儀）保護電位設置困難。平臺樁腿結構復雜，由多個樁腿、樁靴、齒條等組成，不同平臺樁腿分布位置不同，參比陽極和輔助陽極布置于樁靴上，保護電位監測不夠精確，造成保護電位設置困難，易發生保護不足造成腐蝕或過保護造成防腐涂層剝離；同時恒電位儀控制方式簡單，在海流、泥沙等影響下，保護電位波動較大。

2）輔助陽極材料及陽極屏材料鈍化。輔助陽極材料長時間運行后可能出現表面鈍化，影響保護效果；陽極屏用于實現輔助陽極與鋼結構絕緣，其材料選取影響整個系統保護效果。

圖 5 外加電流保護系統布置圖

3）電纜的布放、固定困難。電纜從樁室頂部通過樁腿內下放至樁靴，施工難度大，且每次升降平臺存在電纜破斷的風險。

4）在樁靴上開孔、焊接，改變了樁靴的結構應力。

5）所需電纜較長，造成成本的增加。

6）不便于維護與保養。

3 新型可調式外加電流保護系統

基于現有的自升式平臺外加電流保護系統存在的上述問題，進行深入的研究探討，開發了一種新型的可調式自升式平臺樁腿外加電流保護系統。該系統包括恒電位儀、參比電極、輔助陽極、電纜、承重繩、接線盒、陽極下放裝置、電纜護管、配重塊等，其中恒電位儀加入了數字補償技術，能夠在參比電極準確測定保護電位后，通過數字補償技術去除溶阻及環境影響，使恒電位儀向輔助陽極發出準確保護電流，從而整個被保護結構物處于穩定的負電位，實現結構防腐。

該系統的具體布置形式和運行原理如下。恒電位儀放置在自升式平臺集控室內，通過不同的電纜分別連接到舷側不同的接線盒，接線盒通過水下電纜穿過陽極下放裝置與對應的輔助陽極組塊和參比電極組塊連接。輔助陽極組塊和參比電極組塊通過承重繩連接到舷側的陽極下放裝置，懸掛于平臺舷側的海水中。陽極下放裝置可通過調整水下電纜、承重繩的長度調整輔助陽極組塊和參比電極組塊的水下深度。參比電極可實時監測環境電位差，并將監測信號發送給恒電位儀，恒電位儀根據監測信號處理結果控制輔助陽極實時電位，使輔助陽極的電位低于被保護的樁腿結構的電位，從而實現自升式平臺樁腿外加電流防腐保護。該系統通過調整保護電位和輔助陽極位置可有效實現自升式平臺樁腿外加電流防腐保護，提高外加電流保護系統電位監測及調節能力，使自升式平臺樁腿的保護電流在全部濕面積下穩定，提高自升式平臺樁腿防腐的可靠性，有效防止樁腿鋼結構腐蝕，從而提高整個平臺的安全性。

圖6和圖7為該可調式自升式平臺樁腿外加電流保護系統具體布置圖。該基礎平臺為三樁腿自升式平臺，長52 m，寬46 m，型深5.2 m，平臺平面呈上三角形形式。平臺樁腿采用圓柱形樁腿，長73 m，直徑3 m，樁腿入泥18 m。平臺樁靴16平面呈正八邊形，對邊距離7.6 m，高1.5 m。

圖 6 可調式自升式平臺樁腿外加電流保護系統示意圖

圖 7 陽極下放示意圖

可調式外加電流保護系統能夠長期連續監測陰極保護系統的工作，減小操作人員的勞動強度，提高自動化管理水平，同時不會對海洋生態環境產生任何影響，為海上鋼結構物安全有效運行提供保障。

4 現場應用及推廣應用前景

該技術目前已在2座自升式平臺上應用，數據監測準確，保護范圍及效果滿足使用要求，有效實現了樁腿樁靴外加電流防腐。該技術的應用極大的提高了樁腿樁靴的抗腐蝕能力，節約了鋼結構腐蝕后改造加強等費用，能夠有效提高平臺結構安全性，實現平臺高效安全運行。

該技術具有驅動電壓高，能夠靈活地在較寬的范圍內控制陰極保護電流輸出量，適用于保護范圍較大的場合；不使用大量犧牲陽極減輕了平臺的重量；一次投入，長期運行成本低廉，具有較長的使用壽命；沒有金屬離子到海水中，不會對海洋生態環境產生任何影響；能長期連續監測陰極保護系統的工作。

因此，該技術對固定鋼結構物的安全運行和保護海洋環境具有積極意義，會產生較大的經濟效益。

5 結 語

傳統的陰極保護電位監測方式采用人工方式測量，不能及時反映區域陰極保護的正常質量和效果。國外方面，隨著信息高速公路的建設和發展，大型結構物防腐技術及腐蝕狀態監測與安全評定網絡已成為現實。

未來海上鋼結構物防腐技術及腐蝕狀態監測的發展，可歸納為以下幾點：

1）計算機與傳感技術的應用，加大了采集的信息量，加快了監測速度；

2）監測系統由單一功能發展到多功能系統；3）防腐技術從單一的經濟性向環保方向發展。隨著網絡技術的不斷發展，具有長期監測、自動調節的新型智能化外加電流保護系統將是未來的發展方向。