基于外加電流的FPSO整體陰極保護狀態評估方法

吳 雨 吳傳偉 宋世德 黃 一

（1. 大連理工大學，遼寧 大連 116024；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

FPSO（浮式生產儲油卸油船）兼有生產、儲油和卸油的功能，是海洋工程中的高技術產品[1]。FPSO由于自身特點，將長期處在海水環境中作業，而海水環境是一種惡劣的腐蝕環境[2]，海洋鋼結構物在惡劣的海洋腐蝕環境中通常需要采用陰極保護措施對其進行腐蝕防護。

陰極保護法分為外加電流陰極保護法和犧牲陽極陰極保護法[3]，外加電流陰極保護法因其安裝快速、費用低、輸出電流大等優勢被廣泛應用于船舶與海洋結構物的腐蝕防護中[4]。在陰極保護系統下，保護電位可以直觀的表示船舶與海洋結構物的陰極保護狀態。通常，船舶與海洋結構物的保護狀態通過安裝在其關鍵部位上的參比電極測量得到的電位值來評估。但對于船舶與海洋結構物的某些區域，例如結構角隅處，這些區域由于屏蔽效應，電位更低、更容易發生腐蝕且受到施工條件的限制，無法安裝參比電極，從而無法對這些區域的保護狀態進行評估。

本工作基于數值模擬對FPSO整體陰極保護狀態進行評估。該方法首先建立FPSO邊界元模型，利用數值模擬計算軟件確定外加電流陰極保護最優參數；然后根據得到的最優陰極保護參數，計算FPSO在全壽命期不同工況下的保護狀態，得到陰極保護數據庫；最后根據FPSO上監測點處參比電極測量的電位值，利用評估算法得到當前FPSO整體陰極保護狀態。

1 外加電流陰極保護系統簡介

外加電流陰極保護法是將直流電通向被保護結構，使之陰極極化，從而達到陰極保護的目的。當外加電流陰極保護法應用在FPSO上時，其工作原理是：直流電源負極與FPSO船體鋼板連接，直流電源正極與安裝在FPSO船殼外部且與船體絕緣的輔助陽極連接，電路接通后，電流從輔助陽極經海水至船體外殼涂層破損處鋼板，形成閉合回路，使FPSO船體外殼鋼板受到陰極極化而免受海水腐蝕[5]。

外加電流陰極保護系統如圖1所示，其主要由以下幾個部分組成：

圖1 外加電流陰極保護系統示意圖

（1）電位儀：輸出低壓直流電；

（2）輔助陽極：釋放陰極保護電流；

（3）輔助陽極屏蔽層：使陰極保護范圍擴大、保護電位更均勻；

（4）參比電極：采集監測點處的電位信號。

2 外加電流陰極保護系統參數確立

外加電流陰極保護參數包括：輔助陽極數量、輔助陽極輸出電流、輔助陽極布置位置以及參比電極數量和布置位置[6]，本部分基于數值模擬確定各參數。

2.1 輔助陽極布置

在外加電流陰極保護系統中，輔助陽極數量、輔助陽極輸出電流、輔助陽極布置位置對FPSO船體水下結構表面電位的分布起著決定性作用。合理的輔助陽極數量、輔助陽極輸出電流和輔助陽極布置位置，不僅能使得被保護結構處于完全保護狀態還能節省成本。

針對FPSO船型展開輔助陽極布置方案的研究，首先根據船型主尺度參數和型線圖建立FPSO水下濕表面邊界元模型，船型主尺度如表1所示。再根據相關規范確定水下結構所需要的保護電流密度，并以此估算出滿足設計保護電位需要的總電流大小；然后根據單個輔助陽極最大輸出電流初步確定輔助陽極數量，并參考規范，確定陽極屏大小；根據FPSO水下外表面的結構初步確定各個輔助陽極的布置位置；最后將各陰極保護參數輸入至數值模擬軟件中對FPSO陰極保護狀態進行計算，并根據每次計算得到的FPSO陰極保護電位云圖，優化輔助陽極位置和輸出電流大小，直至得到最優參數，具體流程如圖2所示。

表1 FPSO主尺度

圖2 外加電流陰極保護系統參數設計流程

經過多次參數優化，最終得到了FPSO外加電流陰極保護系統輔助陽極的最優參數：船體兩舷側對稱布置共4對輔助陽極；各對輔助陽極距離船尾的垂直距離分別為46m、118m、196m、272m，各對輔助陽極距離船底的高度分別為7m、6m、6m、5.5m；各陽極屏的半徑為6.5m；8個輔助陽極的初始輸出電流均為6A，且以4.2A的年變化率線性增加。FPSO外加電流陰極保護系統的輔助陽極布置如圖3所示，其中綠色區域為FPSO設計水線以下船體外殼，黃色區域為陽極屏，輔助陽極布置在陽極屏中心位置。最優輔助陽極參數下全壽命初期和末期水下結構的電位云圖和電位信息分別如圖4和表2所示。

圖3 外加電流陰極保護系統輔助陽極布置圖

圖4 最優外加電流陰極保護參數下全壽命初期和末期FPSO水下結構電位云圖

表2 最優外加電流陰極保護參數下全壽命初期和末期FPSO水下結構電位信息

2.2 參比電極布置

為實現對FPSO水下外表面陰極保護狀態的評估，需要測量FPSO水下結構外表面特定位置處的電位值，此時參比電極的布置位置就顯得十分重要。

本部分依據FPSO水下結構并結合參比電極監測點的布置原則，對FPSO上監測點進行布置。

參比電極布置原則如下：

（1）監測點應布置在結構的關鍵部位和典型部位；

（2）為加強對容易出現欠保護或者過保護區域的監測，應選擇電位較高和電位較低處作為監測點；

（3）對于對稱結構，監測點盡量對稱布置，當某個參比電極電位測量異常時可作對照使用，即傳感器冗余；

（4）考慮在不同結構部位以及部分角隅處布置監測點；

（5）在滿足監測需求的情況下，盡量減少監測點數目，以減少在結構側壁開孔數，節約成本；

（6）要考慮參比電極安裝時的可操作性。

根據輔助陽極布置得到的水下結構電位分布云圖并結合電位監測點布置原則，在FPSO上對稱布置共6個電位監測點，其中包括：船尾處一組對稱監測點，船中處一組對稱監測點，船首角隅處一組對稱監測點。具體布置如圖5所示，其中紅色點即為監測點。

圖5 外加電流陰極保護系統參比電極布置示意圖

3 外加電流陰極保護系統評估

本部分包括FPSO陰極保護狀態數據庫建立和保護狀態評估。

3.1 保護狀態數據庫

確定FPSO外加電流陰極保護系統最優參數后，利用腐蝕數值模擬軟件計算FPSO在全壽命期內不同工況下的外加電流陰極保護狀態。如圖6、圖7所示，分別為第20年船首左舷輔助陽極損壞和第25年船尾右舷輔助陽極損壞下的保護狀態電位云圖。

圖6 第20年船首左舷輔助陽極損壞示意圖

圖7 第25年船尾右舷輔助陽極損壞示意圖

將計算得到的不同工況下FPSO外加電流陰極保護狀態對應的保護狀態數據文件匯總，即得到全壽命期內FPSO外加電流陰極保護狀態數據庫，FPSO保護狀態數據文件如圖8所示。

圖8 外加電流陰極保護狀態數據文件

3.2 陰極保護狀態評估

當FPSO外加電流陰極保護狀態數據庫建立之后，可以通過各監測點采集到的電位信息對當前FPSO的保護狀態進行評估。然而，陰極保護狀態數據庫中數據文件龐大，這里將陰極保護狀態數據庫中的數據文件進行簡化。

參考海洋結構物的腐蝕與防護，當FPSO不發生大面積的防護涂層脫落時，FPSO的陰極保護存在以下三個理論[7]：

（1）陰極保護狀態數據庫可反映全壽命周期內FPSO所有陰極保護狀態；

（2）某一時刻采集的一組保護電位唯一對應一種FPSO陰極保護狀態；

（3）監測點采集的保護電位值與陰極保護狀態數據文件中與之對應點的電位越接近，兩者所對應的陰極保護狀態越接近。

因此，首先從保護狀態數據文件中，提取各監測點位置處的電位值，代表陰極保護狀態監測點電位參考值[8]，對陰極保護數據庫中的每個文件都做相同操作，形成一個PFSO陰極保護特征數組，如圖9所示。其中V代表保護狀態數據文件中監測點處的電位，6代表FPSO上的監測點的數個，N代表陰極保護數據文件的個數。

圖9 FPSO陰極保護特征數組

將各監測點處參比電極的實測電位值形成一個6維向量，通過評估算法在FPSO陰極保護特征數組中找到與監測點實測電位向量最接近的行向量，該行向量對應的FPSO陰極保護狀態即為當前FPSO陰極保護狀態，最后以三維電位云圖的形式顯示此陰極保護狀態。

圖10 實測電位向量

4 結語

基于外加電流的FPSO整體陰極保護狀態評估方法可以對FPSO水下船體外殼的保護狀態進行評估，并可將保護狀態評估結果以三維電位云圖的形式直觀顯示。這為調整各輔助陽極的輸出電流，使得FPSO處于更好的陰極保護狀態提供了參考依據。