海洋平臺水下磁力強吸附陽極應用

許海峰,蒙占彬,張愛恩

(1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452;2.北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院,廣西 欽州 535011;3.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)

目前主要采用涂裝法和陰極保護法進行海洋平臺鋼結構腐蝕防護,犧牲陽極保護法是應用最為廣泛的陰極保護方法,它采用還原性較強的金屬作為保護極,與被保護金屬相連構成原電池,還原性較強的金屬將作為負極發生氧化反應而消耗,被保護的金屬作為正極就可以避免腐蝕,而這種自身被腐蝕的金屬或合金,稱為犧牲陽極[1-3]。海洋平臺通常采用焊接式陽極[4]。下水之前按設計將鋁陽極塊焊接固定,然后進行海上平臺安裝施工。平臺陽極塊的大小、數量、長度等的布置按標準設計。犧牲陽極材料消蝕到一定程度后,即失去了對平臺的保護作用,需要更換。在更換新犧牲陽極塊時,需進行水下焊接及電極聯接,過程繁雜。由于是水下施工,必需選擇平流時施工,而海上平流換向時間很短,一般只有幾十分鐘左右[5-6],這給陽極塊更換帶來極大的困難,水下施工存在不確定性,施工質量難以保證。因此尋求一種既快速又簡單的水下陽極塊更換方法,是迫切需要研究和解決的問題。為此,介紹一種水下強磁力吸附陽極技術,可以極大縮短水下陽極拆裝時間。

1 結構組成與工作原理

水下強磁力吸附陽極結構示意見圖1,由犧牲陽極、吸附穴、切割導向頭、屏蔽涂層、磁性體、螺旋機構、旋轉手柄、彈簧、導向套、密封圈和陰極組成。

圖1 水下強磁力吸附陽極結構示意

其主要工作原理:犧牲陽極內側有吸附穴,吸附穴內裝有磁性體,螺旋機構與吸附穴內的磁性體相連接。在進行安裝時,通過調整螺旋機構驅動吸附穴內磁性體與陰極在磁力作用下相貼合,保證犧牲陽極快速地固定在安裝位置;為實現陽極和陰極之間形成環路電流保護陰極的目的,轉動中部的旋轉手柄帶動切割導向頭割除管壁涂層、銹層和附著海生物層。在進行拆除時,通過調整螺旋機構驅動磁性體與陰極脫離收縮回吸附穴內,保證整個犧牲陽極體快速拆下。

2 關鍵系統

2.1 強磁力吸附連接系統

1)陽極屏涂料。為達到附著力強、耐沖擊、耐陰極剝離的效果,系統選用8702-4環氧膩子型陽極屏涂料,其附著力為2.64 MPa,耐沖擊(3J),無開裂、無剝落、耐鹽霧(I級),耐電位(30D,-3.5 V),無起泡、無粉化。

2)吸附材料選擇。為保證制成的產品具有永磁體體積小、吸力大且平穩等特性,經分析對比,選用磁性能穩定、高矯頑力、高磁能積的永磁體新型釹鐵硼材料作為吸附材料。

3)系統結構設計。強磁力吸附連接系統是強磁力吸附陽極的關鍵部分,通過室內實驗確定永磁體在犧牲陽極塊結構內的布置位置,根據上述吸附原理設計的吸附連接系統結構見圖2。

圖2 吸附連接系統結構示意

磁體固定架與連接螺桿之間為焊接連接,釹鐵硼磁體通過磁力與2片導磁片固定,并通過磁體固定架與連接螺桿形成一個整體;利用專用模具將整體結構使用聚氨酯澆注在一起,形成單個吸附模塊。

單個吸附模塊與犧牲陽極體之間利用固定螺母及墊片連接,由于犧牲陽極體上加工的孔略大于單個磁吸附模塊的對應尺寸,因此,單個磁吸附模塊在犧牲陽極體內可以進行小范圍位置和方向調整,以利于整體安裝固定。

在犧牲陽極體上裝入4只單體磁吸附模塊,進行水下安裝時,犧牲陽極體由水面吊放至相應位置后,潛水員推動犧牲陽極體與海洋平臺樁管外壁貼合,使4只單個磁吸附模塊與樁管外壁良好吸合,并利用專用工具適當擰緊4只固定螺母,使犧牲陽極體固定在所安裝的位置。進行拆除時,潛水員在水下利用工具盡量擰松4只固定螺母,使4只單個磁吸附模塊與樁管外壁分別脫離,整個犧牲陽極體即可拆下。

加工的強磁力吸附系統實物見圖3。

圖3 吸附系統實物

4)陽極塊受力分析。

(1)計算條件。最大作業水深20 m(含天文潮和風暴潮),設計波高5.5 m,波浪周期7.6 s,海流2.5 kn。

(2)波流載荷計算。陽極塊為小尺度構件,當D/L≤0.2時,波浪載荷采用Morison公式進行計算:

Fw=FD+FI

(1)

式中:Fw為垂直作用于單位長度構件上的波浪力;FD為單位長度上的拖曳力;FI為單位長度上的慣性力。

(2)

式中:ρ為海水密度;CD為拖曳力系數;A為單位長度構件在垂直于矢量un方向上的投影面積;un為與構件軸向垂直的相對速度矢量。

(3)

海流載荷為

(4)

式中:us為流速。

實際工況中,因波浪與海流載荷同時作用在結構上,因此在計算中需要考慮波流的耦合作用,拖曳力計算如下。

(5)

式中:Fd為垂直作用于單位長度構件上的拖曳力。

根據工作水深、波流參數及陽極尺寸,選用斯托克斯五階波理論進行計算。根據模擬計算,作用在陽極塊上的最大波浪力為5.52 kN。

(3)陽極塊強度分析。利用有限元分析軟件ANSYS對陽極塊受力情況進行分析。根據結構特點,建模中采用SOLID45單元用于模擬導管架立管和陽極塊結構。陽極塊與導管架立管之間依靠磁鐵進行連接,模型中根據兩者實際連接位置通過設定主從節點來模擬二者之間的約束關系,計算時將導管架立管底部全約束進行計算。計算模型見圖4。

圖4 計算模型

陽極塊采用鋁合金,屈服強度為85 MPa,安全系數取為0.8,許用應力為68 MPa。計算結果見圖5,陽極塊最大計算應力為5.831 MPa,小于許用應力,強度滿足要求。

圖5 計算結果

2.2 陽極與鋼結構導電形式

1)導電極材料選擇。導電電極一般采用銅鎳合金和鈦基合金,在經過比較和性能指標對比之后選擇鈦基合金材料制作導電電極,鈦及其合金在飛濺區如潮汐區具有優越的耐蝕性,在飛濺區、潮汐區雖鈦上有沉積物,但能有充分的氧使鈦維持純化,在飛濺區、潮汐區鈦沒有腐蝕。

因為鈦的極化特性,鈦與鋼組成的電極對所產生的電化學腐蝕要比銅低,鋼-銅電極對中鋼的失量要比鋼-鈦電極對中大7倍?；谏鲜隹紤],選擇鈦基合金作為導電電極材料。

2)電極結構設計。要使犧牲陽極塊與被保護水下鋼鐵結構物之間形成完整的回路,就要保證導電極與樁管外壁良好接觸,導電極需要穿透管壁涂層、銹層和附著海生物層,為此進行導電極結構和與犧牲陽極材料之間嵌入結構的特殊設計,研發導電極的結構見圖6。

圖6 導電極結構示意

導電極的頂部設計參考鉆頭形式,為了便于刮除接觸點附著物,將彈簧裝在密封結構中是避免彈簧在海水中浸泡銹蝕。

在陸上準備時,將導電極安裝在犧牲陽極體上相應的位置,轉動操縱桿檢驗導電極的轉動情況后就可以進行水下安裝。

3 實驗室實驗

1)實驗目的。為檢驗在磁吸附狀態下,強磁力吸附陽極針式電極的導電效果及耐腐蝕情況,同時檢驗經防腐蝕處理后的吸附磁鐵耐腐蝕情況和消退磁情況,在實驗室進行實驗。

2)實驗方法。參照GB/T 17848-1999《犧牲陽極電化學性能試驗方法》執行。

3)實驗裝置。實驗裝置主要包括直流電源、電量計、電流表、可調電阻、容器、輔助陰極、模擬結構、犧牲陽極、海水等。磁吸附犧牲陽極效能實驗框圖見圖7。

圖7 磁吸附犧牲陽極效能實驗

模擬結構鋼管見圖8,一半用于貼附犧牲陽極,一半無犧牲陽極。每半面的下部留有裸露面,其余部分涂絕緣漆進行防護,目的是增加實驗效果。實驗前稱重,并檢查裸露部分的表面平整情況,實驗稱重,并觀察表面腐蝕程度。

圖8 模擬結構件

實驗現場見圖9。

圖9 實驗現場

4)實驗結果。按標準,每天測量一次陽極試樣的工作電位。10 d后的結果見圖10。實驗結果表明,水下強磁力吸附陽極在結構形式和吸附材料上加以改進,對犧牲陽極的工作電位沒有影響。

圖10 犧牲陽極工作電位隨時間的變化

4 現場實驗

在室內試驗基礎上,加工了針對海洋平臺直徑分別為1 200 mm和600 mm桿件的水下快速防護犧牲陽極,并于埕北1A平臺進行現場實驗(見圖11)。

圖11 現場實驗場景

現場安裝前后共耗時55 min,比焊接陽極安裝方式在效率上提高了6倍。安裝后于2個月后在海試現場進行工作電流密度和工作電位的測量,實測電位1.1 V,工作電流密度0.7 mA/cm2,與原陽極效果一致。

5 結論

1)永磁吸附式犧牲陽極與常規水下焊接陽極相比,安裝設備與方式更為簡化,可大大減少水下安裝更換時間,提升施工安全性。

2)新型結構形式的導電極具有導通性穩定和水下施工便利的特點。

3)新型強磁力吸附陽極可以推廣應用到有相同條件的其他海洋工程結構物上。