導管架平臺外加電流陰極保護系統縮比模型模擬研究

王 輝 王廷勇 許 實 王海濤

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

海洋環境十分嚴酷，海水是自然界最大的天然電解質，海洋平臺長期處于海洋腐蝕環境中，腐蝕問題十分突出[1]。陰極保護是海洋平臺等鋼結構物腐蝕控制的有效措施之一。根據提供電流方式的不同，陰極保護分為犧牲陽極法和外加電流法[2]。犧牲陽極保護技術規范完善、建造時一次性安裝、后期維護少；但也存在驅動電壓有限，單只陽極保護范圍小，設計壽命有限等缺點。外加電流法雖然一次性投入較大，全壽命期需要維護與保養，但海上安裝相對容易，輸出電流大、保護范圍廣，不會因為保護面積增加而增加對平臺的負重，而且使用中不會有重金屬離子產生，是一種環境友好的陰極保護技術[3]。

目前絕大多數海洋平臺的都是基于25年的服役壽命設計的[4]，當探明儲量增加，使得海洋平臺的使用壽命需要延長，或原有的陰極保護失效時，就需要對平臺的陰極保護系統進行延壽修復[5]。對于較深水域的海洋平臺，如果采用犧牲陽極修復技術，陽極的安裝施工費用將遠大于陽極本身的成本，因此外加電流陰極保護技術是主流的海洋平臺陰極保護修復延壽技術。

目前已應用的平臺延壽外加電流陰極保護系統主要有拉伸式陽極系統和遠地式陽極系統。拉伸式陽極是由一個或若干個輔助陽極固定在一條繩索上，該繩索可提供足夠的支撐力，繩索下端栓上負載用以固定，并將整個拉伸式陽極都固定在外套管上。遠地式陽極是將陽極置于海底泥土區或者底座上，根據被保護鋼結構的尺寸，陽極和被保護體的距離在幾米到300m之間[6,7]。

海洋平臺外加電流陰極保護工程具有投資高、施工難度大，工程經驗缺乏等特點，通常會采用數值模擬法或縮比模型法對外加電流陰極保護系統優化設計方案[8,9]。縮比模型法是基于縮比理論，將海洋工程裝備按一定比例制成縮比模型，同時將介質的電導率按比例縮小，測量評價不同方案的保護效果，從而確定最佳的陰極保護方案的試驗優化設計技術。使用縮比模型法可以對形狀復雜的平臺進行復制，同時不需要使用所用材料的極化曲線等電化學數據，可以在較少投入的情況下對平臺陰極保護技術進行驗證和優化[10,11]。

本文以南海某海洋平臺為原型，基于縮比模型理論，研究遠地式和拉伸式輔助陽極數量、發生電流及與平臺距離對陰極保護效果的影響，比較兩種外加電流系統的保護效果，為平臺外加電流陰極保護設計提供參考依據。

1 試驗

實驗設施主要由海洋平臺縮比模型、遠地式外加電流系統、拉伸外加電流系統、電位分布監測系統、試驗水池等組成。

1.1 平臺縮比模型

縮比模型由南海某海洋平臺按1:80的比例縮比而成，模型模擬整個導管架的結構，但只對水下部分進行外加電流優化設計。縮比后模型底部尺寸49.8×47.3cm，上部17.5×15cm，高1.74m，其中水下部分1.65m，水上部分0.09m；被保護面積約為3.6m2，用Q345鋼焊接而成，如圖1所示。

1.2 遠地式外加電流系統

遠地式外加電流陰極保護系統由恒流源和遠地式輔助陽極體組成。恒流源由朝陽電源生產，80V/16A。輔助陽極體包括底座、氧化物陽極和連接導線，底座由PVC加工制成，尺寸10×10×10cm；上方固定有2塊3×1cm的鈦基金屬氧化物陽極，陽極與銅導線連接，連接處用環氧樹脂密封，如圖2所示。

1.3 拉伸式外加電流系統

拉伸式外加電流陰極保護系統由恒流源和拉伸式輔助陽極體組成。恒流源由朝陽電源生產，80V/16A。拉伸式輔助陽極由鈦棒和氧化物陽極棒組成。鈦棒直徑φ5mm，表面用橡膠自粘帶密封，頂端固定于縮比模型的頂部，底部固定于水池底部的卡槽中；從鈦棒的上部到底部，每隔35cm安裝一個φ10×30mm氧化物陽極棒，每個拉伸式輔助陽極包含4個陽極棒，結構如圖3所示。

1.4 電位監檢測系統

電位監檢測系統由參比電極和數據采集裝置組成。參比電極采用上海雷磁生產的固態Ag/AgCl電極，相對于氫標電極的電位約為+0.2224V，分別固定于平臺縮比模型的4條樁腿的上、中、下部位，如圖4所示。數據采集裝置采用Campbell Scientific生產的CR1000X數據采集器。

1.5 試驗水池

實驗水池尺寸3×2.4×2m3。試驗海水采用青島附近海域天然海水，用蒸餾水按1:80稀釋，稀釋后實測電導率615u S/cm，pH=7.45。

2 結果與討論

2.1 遠地式外加電流陰極保護

2.1.1 保護電流大小對平臺保護效果的影響

將單座輔助陽極放置于平臺一側，與縮比模型底部水平距離115m，如圖5所示。輔助陽極和恒流源的正極相連，縮比模型與恒流源的負極相連。

通過輔助陽極對平臺施加389mA的電流，即保護電流密度約為108mA/m2。平臺不同位置的保護電位變化如圖6所示。

從圖6可見，施加外加電流后，平臺各位置的電位均迅速負移，14h后基本穩定，所有位置測得的電位均小于-900mV（v.s. Ag/AgCl電極，下同），但不同位置的電位差別較大。平臺靠近陽極體一側的保護電位均明顯負于另外一側，說明屏蔽效應對平臺保護電位影響顯著。距離遠地式陽極最近的3#參比電極測得的電位達-1107mV，位于距輔助陽極另一側的上部的7#參比電極測得的電位為-907mV，相差約200mV。

待保護電位穩定后，將保護電流依次降至292 mA和194mA，即平均被保護電流密度81mA/m2和54 mA/m2，平臺被保護電位變化如圖6和圖7所示。

保護電流密度降至81mA/m2后，不同位置的保護電位在-1050～-890mV之間。3#參比電極測得的保護電位達到-1050mV；12#參比電極測得的保護電位約為-890mV，相差約160mV。說明隨著保護電流降低，不同位置的電位差有所縮小。

保護電流密度降至54mA/m2時，穩定后的保護電位在-840～-1015mV之間，依然是3#參比電極測得的電位約為-1015mV，9#和12#測量點的電位最正，均在-840mV左右。1～6#測量點保護電位從上到下逐漸變負，3#測量點電位最負，其他位置的保護電位差別較小。7～12#測量點中，位于平臺底部、距離輔助陽極相對較近的9#和12#測量點保護電位-840mV，位于頂部的7#和12#測量點雖然距離較遠，但保護電位達到-900mV，這是因為平臺底部結構更復雜，對電場的屏蔽效應更強。

2.1.2 輔助陽極和平臺距離對保護效果的影響

將發生電流設定在292mA，即保護電流密度81 mA/m2，按照115cm、100cm、85cm、70cm依次調整陽極體與被保護體的距離，記錄平臺不同測量點的保護電位，如圖8所示。

從圖8可以看出，當平臺模型與陽極體的距離由115cm縮小到70cm時，平臺不同位置的保護電位均勻性降低。值得注意的是，當輔助陽極靠近時，距離較遠、受屏蔽作用影響較大的7～12#測量點的保護電位但變化不大；1～6#測量點保護電位明顯負移，特別是距離輔助陽極最近的3#測量點，距離115cm時的電位約為-1050mV，但70cm時的負移至-1100mV左右。

2.1.3 輔助陽極數量對保護效果的影響

將陽極體增加為兩支，分布位于平臺兩側距離85cm，單只陽極體輸出電流145mA，如圖9所示。

圖10是發生電流、輔助陽極和平臺距離均相同情況下，采用單輔助陽極和采用雙輔助陽極的保護電位分布情況。可以發現，雙陽極體時平臺保護電位的均勻性顯著提高，穩定后平臺的保護電位在-975～-1050mV之間，最大電位差僅有約75mV。而單陽極體時，穩定后平臺的保護電位在-890～-1090mV之間，最大電位差達到200mV。說明采用雙輔助陽極體保護時，平臺的電位分布均勻性遠優于采用單輔助陽極體。

2.2 拉伸式外加電流陰極保護系統

2.2.1 單拉伸式陽極保護效果研究

采用單側拉伸式陽極對平臺模型進行陰極保護，保護電流390mA，電流密度108mA/cm2。陽極底端與縮比模型的距離為60cm，平臺的保護效果如圖11所示。

從圖11可以看出，單拉伸式陽極保護時平臺各部位的電位相差較大，保護效果較差。靠近陽極一側模型的保護電位達-1076mV，而模型另一側的保護電位僅達到-830mV，電位差達246mV。由于氧化物陽極棒自上而下分布，發生電流分布較均勻，因此靠近陽極一側縮比模型的保護電位分布較均勻，在-1044～-1076mV之間；另一側電位差較大，保護電位在-830～-940mV之間。

2.2.2 雙側斜拉式陽極保護效果研究

由于單只拉伸式陽極對平臺的保護效果較差，在保護電流密度達108mA/cm2仍無法使縮比模型處于有效保護狀態，因此調整為采用雙側斜拉式陽極對平臺進行陰極保護。斜拉式陽極下端與縮比模型的距離為15cm，分別調節電流為389mA、292mA、194mA、98mA，對應的保護電流密度分別為108mA/cm2，81mA/cm2，54mA/cm2，27mA/cm2。平臺縮比模型的保護電位分布如圖12所示。

采用雙側拉伸陽極施加外加電流后，保護電位的均勻性顯著提高，當保護電流密度大于54mA/cm2時，所有部位的保護電位均負于-900mV，且電位差均不超過100mV。隨著保護電流的降低，平臺的保護電位正移，當發生電流降至98mA，即保護電流密度27mA/cm2時，平臺部分區域的保護電位仍負于-800mV，但不同部位的電位差擴大到135mV。

2.2.3 雙側拉伸式陽極位置對保護電位的影響

采用雙側拉伸式陽極對平臺進行陰極保護，施加電流380mA，即保護電流密度為108mA/cm2。當拉伸式陽極上端固定于平臺頂部，下端與縮比模型的距離分別為60cm，45cm，30cm，15cm，平臺的保護電位如13所示。

由圖13可以看出，所有位置測得的電位均小于-950mV，不同位置保護電位差在100mV以內。與遠地式外加電流系統相比，拉伸式陽極和縮比模型間的距離對平臺保護電位分布的影響沒有顯著的規律性。這是因為由于重力作用，拉伸式陽極存在自然彎曲，在調整下端與縮比模型距離時，不同位置的氧化物陽極與平臺距離變化不均勻。

3 結語

（1）當采用遠地式外加電流保護系統時，若采用單輔助陽極體，保護電流密度達54mA/m2可以使平臺保護電位不正于-800mV，但保護電位不均勻。陽極距離越遠，電位分布越均勻；采用雙輔助陽極體保護時，平臺的電位分布更加均勻，不同區域的電位差更小，保護效果明顯優于單輔助陽極；

（2）在無屏蔽作用情況下，縮比模型不同測量點的保護電位取決于和陽極體的距離，距離越近的區域保護電位越負；當存在屏蔽作用時，屏蔽作用對保護電位的影響比距離更加顯著；

（3）當采用拉伸式外加電流陰極保護系統時，若采用單陽極，電流密度需達到108mA/cm2才能使平臺保護電位不正于-800mV，且保護電位不均勻。采用雙陽極時，保護均勻性顯著提升，保護電流密度只需27mA/cm2即可使平臺處于有效保護中；

（4）遠地式和拉伸式外加電流系統均可以實現對海洋平臺的有效保護。由于拉伸式外加電流系統輔助陽極布置更均勻，若通過合理的布置避免屏蔽效應，拉伸陽極系統需要的發生電流小于遠地式外加電流系統。