30萬t FPSO外加電流陰極保護系統(tǒng)設計

趙魏，劉俊紅，崔秀達

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

由于FPSO長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，無論是船體還是上部模塊腐蝕都非常嚴重。對于FPSO船體的防腐措施一般是船體水線以上采用涂層防護，船體水下外表面采用防腐涂層和陰極保護并用的復合防護措施。防腐涂層的缺陷不可避免，隨著時間的推移，涂層的防腐功能也將出現(xiàn)退化，因此，需要由陰極保護系統(tǒng)提供足夠的保護電流同涂層共同防腐[1]。

陰極保護主要有外加電流(ICCP)和犧牲陽極(SACP)2種方式，由于ICCP具有SACP不具備的優(yōu)勢，例如，運行狀態(tài)可調(diào)、使用壽命長、重量輕,等。因此，ICCP技術在大型船舶、大型浮式海洋平臺、FPSO等海洋工程裝備上得到越來越廣泛的應用，主要應用于船體外板水線以下的結(jié)構(gòu)防腐。由于FPSO不能像常規(guī)船舶一樣進塢檢修或者重新噴涂外板防護油漆；再者30萬t FPSO船體型寬、型深都較大,外部輔助結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復雜，像常規(guī)船舶根據(jù)規(guī)范計算得到的保護電流，按照經(jīng)驗設計方式來布置輔助陽極[2]，已經(jīng)無法確保FPSO水下外板在能夠全生命周期中都能得到合理的保護。因此，需要在系統(tǒng)設計階段，通過對該系統(tǒng)進行數(shù)值模擬[3]，得到合理的陽極布置數(shù)量、位置及規(guī)格；輸出電流均勻分布于各個外板結(jié)構(gòu)區(qū)域；合理大小的陽極屏蔽層，促進電流發(fā)出，避免輔助陽極發(fā)出的保護電流積聚在屏蔽層附近，造成過保護。

1 計算對象及環(huán)境條件

某30萬t FPSO的主尺度見表1。

表1 30萬t FPSO主尺度 m

FPSO按照30年壽命進行水下外板ICCP防護系統(tǒng)設計。

環(huán)境參數(shù)通常由FPSO最終的作業(yè)海域提供,例如表2。

表2 環(huán)境參數(shù)

根據(jù)DNV-RP-B401, 油漆剝離系數(shù)為

fc=0.02+0.012t

(1)

式中:t為涂層年份。

保護電流密度是指被保護結(jié)構(gòu)單位面積上所需要的保護電流，其數(shù)值受到多種因素的影響，主要有金屬的表面狀況(有無涂層及類型、涂層的損壞程度、海生物的附著情況等)、環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)的流動、pH值、含鹽量及種類、微生物的活動等)，以及被保護金屬的種類。最小保護電流密度值與最小保電位對應。要是金屬達到最小保護電位，其電流密度不能小于該值。根據(jù)DNV-RP-B401確定電流密度見表3。

表3 設計電流密度 (裸鋼) mA/m2

為了使腐蝕完全停止，必須使被保護金屬極化到表面上最活潑的陽極點的初始電位。實際上，對與鋼結(jié)構(gòu)來說這一電位就是鐵在給定電解質(zhì)溶液中的平衡電位。整個30年設計壽命中，船體表面的目標保護電位見表4。

表4 目標保護電位 mV

2 系統(tǒng)設計

2.1 需求電流計算

1)夏季吃水線下外板面積Ac。Abt.40 000 m2(包括多點系泊鏈及左舷立管支撐結(jié)構(gòu))。

2)油漆剝落系數(shù)fc。fc=a+b·t。

a=0.02,b=0.012,t=0～30(作業(yè)年限)

fcinitial=0.02(初始)；

fcmean=0.02+0.012×30/2=0.2(平均)；

fcfinial=0.02+0.012×30=0.38(最終)。

3)需求電流Ic。Ic=Ac·ic·fc。

①初始電流需求Ici。Ici=40 000×150×0.02/1 000=120 A；

②平均電流需求Icm。Icm=40 000×70×0.17/1 000=476 A；

③最終電流需求Icf。Icf=40 000×100×0.32/1 000=1 280 A。

需求電流取最大值(Ici,Icm,Icf)，即1 280 A。

2.2 ICCP系統(tǒng)組成

根據(jù)2.1中選取需求電流最大值，初步確定ICCP系統(tǒng)電流為1 300 A。按照通常均勻分布原則分為艏部系統(tǒng)650 A，尾部系統(tǒng)650 A。選用12個輸出電流為125 A的MMO/Ti輔助陽極，每舷前后各布置3個輔助鈦陽極，1個參比電極，左右舷對稱布置，系統(tǒng)組成見表5。

表5 初始ICCP系統(tǒng)組成表

2.3 FPSO陰極保護系統(tǒng)數(shù)值模擬計算

應用大連理工開發(fā)的陰極保護系統(tǒng)數(shù)值仿真軟件CNSS建立FPSO外加電流陰極保護系統(tǒng)的數(shù)值模型， 見圖1。

圖1 FPSO陰極保護系統(tǒng)數(shù)值模型

2.4 FPSO陰極保護系統(tǒng)數(shù)值模擬計算結(jié)果

基于給定的環(huán)境條件，按照初步設計選定的ICCP系統(tǒng)，進行數(shù)值模擬后結(jié)果如下。

第5年末，油漆剝離系數(shù)為0.08，電位范圍在741～1 745 mV。電源輸出電流為135 A，系泊鏈消耗電流71 A。

第15年末，油漆剝離系數(shù)為0.2，電位范圍在660～2 894 mV。電源輸出電流為450 A，系泊鏈消耗電流51 A。

圖2 保護電位分布(第30年)

第30年末，油漆剝離系數(shù)為0.38。模擬電位分布見圖2。電位范圍在601～4 585 mV。電源輸出電流為1 200 A，系泊鏈消耗電流49 A。

以上模擬結(jié)果表明，外板保護電位不能滿足要求，說明初步選定的ICCP系統(tǒng)不能滿足水下外板30年的防腐要求。數(shù)值模擬結(jié)果見表6、7。

表6 ICCP系統(tǒng)電源輸出電流 A

表7 保護電位范圍 mV

3 ICCP系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 ICCP系統(tǒng)優(yōu)化后組成

根據(jù)ICCP系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在30年內(nèi)該系統(tǒng)無法完全滿足其外板陰極保護的要求。由于30萬t FPSO的型深、型寬太大，遠離ICCP輔助陽極的外板、系泊鏈、立管支撐等區(qū)域的保護電位過低欠保護、輔助陽極屏蔽層附近區(qū)域則出現(xiàn)了過保護。因此，需要針對FPSO船外板結(jié)構(gòu)布置特點重新優(yōu)化ICCP系統(tǒng)分區(qū)布置。改為選用12個87.5 A、12個40 A的MMO/Ti輔助陽極，均勻分布在船艏、船舯、艉部區(qū)域。系統(tǒng)劃分為艏部系統(tǒng)525 A，中部靠艏系統(tǒng)240 A，舯部靠艉系統(tǒng)240 A，以及艉部系統(tǒng)525 A。每舷前后各布置3個輔助鈦陽極，1個參比電極，左右舷對稱布置。另外，采取加大輔助陽極屏蔽層半徑，避免陽極屏蔽層的附近外板出現(xiàn)電流過保護，同時也綜合考慮FPSO船體外部立管支撐的布置，使船中部分的陽極屏蔽層半徑較兩端的小，詳細布置見表8。

表8 優(yōu)化后ICCP系統(tǒng)組成

3.2 建立數(shù)值模擬模型

按照優(yōu)化后最新的系統(tǒng)設計方案，建立ICCP系統(tǒng)數(shù)值模型，見圖3。

圖3 優(yōu)化后ICCP系統(tǒng)模擬模型

3.3 ICCP系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果

ICCP系統(tǒng)通過優(yōu)化其布置后，數(shù)值模擬結(jié)果顯示30萬tFPSO在第30年作業(yè)時外板保護電位分布見圖4。輔助陽極屏蔽層附近結(jié)構(gòu)的電位分布見圖5、6。

圖4 保護電位分布(第30年)

圖5 No.24屏蔽層處保護電位分布(R=4.3 m)

圖6 No.8屏蔽層處保護電位分布(R=2 m)

模擬結(jié)果表明，在設計壽命期間，F(xiàn)PSO外板結(jié)構(gòu)的保護電位能夠維持在800～1 100 mV之間，模擬結(jié)果匯總見表9。

表9 ICCP系統(tǒng)數(shù)值模擬電流需求及保護電位分布

4 結(jié)論

基于FPSO特殊的外部結(jié)構(gòu)形式以及保護電位分布特點，優(yōu)化ICCP系統(tǒng)分區(qū)并均勻布置，擴大輔助陽極屏蔽層面積后，能夠避免外板底部、系泊鏈等由于遠離輔助陽極而出現(xiàn)欠保護，以及屏蔽層太小導致電流聚集致使附近結(jié)構(gòu)發(fā)生過保護，確保FPSO在30年作業(yè)期間不進塢的工況下，ICCP系統(tǒng)能夠同外板油漆共同保護外板的結(jié)構(gòu)防腐。本文主要結(jié)論如下：

1)采用規(guī)范計算的經(jīng)驗設計方式，僅滿足保護電流需要的情況下所布置的ICCP系統(tǒng)不能完全確保FPSO在30年作業(yè)期間不進塢的結(jié)構(gòu)防腐要求。

2)ICCP系統(tǒng)應盡可能按照船艏、船舯、船艉分區(qū)布置。

3)輔助陽極布置高度應盡可能的靠近船底，確保型寬太大導致船底板出現(xiàn)欠保護現(xiàn)象。

4)合理的輔助陽極屏蔽層面積能夠確保保護電流均勻散發(fā)，避免屏蔽層附件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過保護現(xiàn)象。