导管架阴极保护及监测系统设计

PAGE2PAGE1导管架阴极保护及监测系统设计河南汇龙合金材料有限公司技术部：刘珍编制：2018年8月内部资料请勿外传导管架阴极保护及监测系统设计钱思成，张有慧，张国庆，陆长山

(海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽300451)摘要依据2005年版DNV-RP-B401阴极保护设计标准，详细介绍了海洋工程领域导管架牺牲阳极阴极保护的设计过程和计算方法，同时也对牺牲阳极的建造.安装和检验做了简要的介绍.介绍的导管架牺牲阳极阴极保护设计，主要参考的是渤海地区的相关数据，牺牲阳极为现阶段海洋工程领域常用的铝基阳极，根据初期、平均'末期导管架需要的保护电流及铝基阳极的电容量和电位来进行阳极数量的计算，然后对初期.平均.末期三个阶段分别需要的阳极數量进行考察，取其中较为合理的一个阳极数量.阴极保护监测系统主要是依靠导管架不同位置的参比电极来对电位和阳极发生电流进行测量，通过实测电位和电流随时间的变化关系，来进一步考察阴极保护的效果.所采用的阴极保护监测系统数据为文昌项目的实测数据.关键词：导管架阴极保护；DNV-RP-B401;牺牲阳极；监测系统0前言石油是目前世界上最重要的能源之一，随着海上油气田开发与生产的迅猛发展，海洋钢结构物的重要性也日益凸现出来。海洋油气田的开发与生产离不开釆油平台和平台的支撑体一导管架，而海洋是一个严酷的腐蚀环境，以钢铁为主要结构的导管架随时都面临着腐蚀的危害，从而直接影响到海洋采油平台的使用寿命和安全。金属在海水中的腐蚀属于电化学腐蚀，海水作为侵蚀性介质，其特征是含有大量以氯化钠为主的易离解盐类，因而具有很高的导电性。釆取电化学保护的方法可以有效地减缓和防止钢结构在海水中的腐蚀。电化学保护分为阴极保护和阳极保护，在海水和海泥中通常采用阴极保护。阴极保护是在金属表面上通入足够的阴极电流，使金属电位变负，这种保护方法又分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。前者是靠电位较负的金属的溶解来提供保护所需的电流，在保护的过程中，这种电位较负的金属为阳极，逐渐溶解牺牲掉，所以称为牺牲阳极保护，该方法为一次性投入，一般不需要后期维护。而后者则靠外部的直流电源来提供保护所需的电流，为了使电流能够流通，还需要辅助阳极，辅助阳极通常为惰性阳极，釆用该方法需要增加电源装置，占用一定空间，同时后期的维护和修理费用较高，因此外加电流阴极保护法在国内外应用于导管架的实例不多，目前导管架阴极保护主要釆用牺牲阳极的方法。1设计基础1.1设计环境参数和工艺参数设计环境参数主要指海水温度、海水盐度、pH值、海水/海泥电阻率、氧化还原电位：设计工艺参数主要包括导管架阴极保护部位的长度、管径、阳极类型、阴极保护极化电位和需要的电流密度等。1.2导管架表面积的计算导管架表面积的计算包括主体结构和附属物，主要分为飞溅区、全浸区和海泥区三大保护区域，分别计算出各个区域下的导管架桩腿、斜拉筋、护套管和平面结构的表面积。2设计过程导管架阴极保护设计的最终结果是得到合理的阳极重量和阳极块数。2.1根据初期需要的保护电流确定的阳极块数首先须根据DNV-RP-B401（附录A）选取，确定需要的保护电流密度，该电流密度与水深和温度有关，通常渤海地区推荐的保护电流密度如表1所列。表1阴极保护所需电流密度区域初期id电流密度/mA・nf2平均妇末期飞溅区103040全浸区1207090海泥区202020井口2A2A2A分别计算出各个不同区域被保护的导管架表面积，根据推荐电流密度计算出需要的初期保护电流妇为：【d=AcXid ⑴式中Ac为导管架保护面积（n?）,妇为初期需要的保护电流密度（A/n?）。必须分别计算出飞溅区、全浸区和海泥区初期所需的保护电流，然后再相加得到初期需要的总的保护电流心°初期阳极输出电流琮为：lai=^E/Ra=px[Ln（8x£/D）-l]/（2x3.14x1） （2）式中犯为设计驱动电位（V）,用为初期阳极电阻（Q）,E/为设计保护电位（V）,为阳极闭路电位（V）,p为海水电阻率（Q-cm）,Z为阳极长度（cm）,D为阳极直径（cm）。最终根据需要的保护电流得到的阳极块数为Ni=1a11a （3）2.2根据导管架设计寿命得到的阳极块数满足导管架设计寿命所需要的保护电流妇为：4m=4*km （4）式中Ac为导管架的保护面积（m2）,知为平均保护电流密度（A/m2）.理论上阳极的总净质量M为：(5)L>„xf,x8760(5)UX£式中妇，为平均保护电流（A）,〃为导管架设计寿命（years）,”为阳极利用系数，£为阳极电容量（A*hr/kg）o根据阳极尺寸和密度可以计算得到单个阳极重量Wanode,从而由理论上根据阳极寿命得到的总重量和单个阳极重量可以得岀一个阳极块数即为根据设计寿命得到的阳极块数：式中Wanode为单个阳极重量，可以由铝阳极的尺寸和密度〃得到:(7)J=P«*x[Ui+^）/2]x|（4+B）xHZ2-xxD2/4j/IO,(7)式中功”ode为阳极密度，2730kg/m3,Z,为阳极上底长度（mm）,3为阳极下底长度（mm）4为阳极上底宽度（mm）,5为阳极下底宽度（mm）,H为阳极高度（mm）,D为阳极芯直径（mm）.通常导管架阴极保护采用的铝阳极形状如图1所示。图1阳极图图1阳极图2.3根据末期保护电流确定的阳极块数满足末期保护电流所需要的阳极块数所为：(8)式中，妇=4X力XsI^AE\Raf。W为导管架末期需要的保护电流，由末期设计电流密度妇决定；妇为末期阳极输出电流，由末期阳极电阻犬寸决定.AE为设计驱动电位.=px[Ln（8x£z/D/）-l]/（2x3.14x£j ⑼式中R4•为末期阳极电阻（Q）,p为海水电阻率（Q・cm）,0为末期阳极长度（cm）,匀为末期阳极芯直径（cm）®L^L-O.lxvxL £=（^+^）/2Dj=x（1-u）烦x0.25x「宀xV））+£）2式中脸"ode为单个阳极重量（kg）,2＞她为铝阳极密度（kg/n?）,。为初期阳极芯直径（dm）,/•为初期阳极长度（如），"为阳极利用系数。最终可计算得出满足末期保护电流需要的阳极块数场.考察上述三种因素确定的阳极块数和单个阳极重量，取其中最合适的一种阳极.2.4阳极的检验阳极的检验主要包括对阳极质量、尺寸、物理性能、化学组成和电化学性能等的检验.阳极的质量和尺寸应满足设计时的数据，允许的公差如表2所列.

表2阳极重届和尺寸允许公差单个阳极质量 阳极总质量 阳极长度 阳极寛度 阳极高度+3%~-3% +2%~0% (+/-)25mm (+/-)5% (+/-)10%对阳极物理学性能的检验主要指在阳极的铸造加工过程中应尽量避免外在的缺陷、裂纹，在阳极熔炼过程中嵌在阳极表面的杂质不能超过阳极总表面积的1%;对于细长阳极不允许有纵向裂纹出现;横向裂纹宽度不应超过5mm,且不允许在两个平面交界处岀现。阳极化学组成的检验是利用特定的光谱分析仪，对每个阳极熔炉中的典型样品进行分析，开始铸造和壻炼后期均需检装。阳极的电化学性能应满足要求：阳极电容量22500A.hr/kg；开路电位1.10V(Ag/AgCl)：闭路电位1.05V(Ag/AgCl).2.5导管架上阳极的安装布置确定了满足导管架阴极保护所需要的阳极数量之后，需要进行阳极的安装布置设计，具体的原则是：①阳极的安装应尽量保证均匀分布；②阳极应焊接在导管架内側，防止导管架浮拖下水时将阳极损坏；③阳极一定要处于飞溅区以下，不能暴露在空气中：④阳极应安装在导管架保护面积集中的部位；⑤在后续的涂敷涂层作业过程中，已安装好的阳极必须被很好的保护起来以保证阳极表面干净清洁.图2为导管架立面和平面的阳极布置图. fv- ~I\、项

归］匚\/71/|111\/图2 阳极布置图3导管架阴极保护监测系统设计3.1阴极保护监测系统的原理阴极保护监测系统的设计目的是为了对阴极保护的效率进行实时监控与测量，通常监测系统的传感器安装在那些不容易对阴极保护的效果进行检测的部位，根据实际需要设定程序，对阴极保护系统进行定时监测。阴极保护监测系统的原理是通过测量被保护钢结构即阴极的电位，考察其是否处于腐蚀电位以下，进而来评价阴极保护的保护效果，对于牺牲阳极阴极保护来说，同时还测量阳极电位和阳极发生电流，进一步考察牺牲阳极的使用效率。3.2监测装置监测装置由水下部分和水上部分组成，水上部分主要包括临时性室外数据釆贮器和永久性室内阴极保护监测仪；水下部分主要包括参比电极、被监测阳极、电流探头和连接电缆。监测内容包括阴极电位、阳极电位和阳极发生电流。3.3参比电极及被监测阳极参比电极应釆用全固态银/卤化银(海水)固溶体电极与高纯锌电极的复合参比电极，相对于饱和甘汞电极，其电极电位£计算公式为：E=E2j+0.22^(t-25) (12)式中E为电极电位，mV；旦5为25C时的电极电位，mV；，为海水温度，25C时的电极电位场5与海水盐度S(%o)的关系为：E25=79.6-53.4xLog(S) (13)高纯锌电极的化学组成如表3所列。表3高纯锌电极的化学组成铝镉铁铜铅锌<0.005%<0.003%<0.0014%<0,002%<0.003%余量相同条件下，各参比电极的电位值应当一致且在海水中应长期稳定。参比电极的工作表面应具有很好的耐腐蚀性和防污损性，保证在设计寿命期间正常工作。被监测阳极应由阴极保护所用阳极加工改造而成，其电化学性能应与其他阳极的电化学性能一致。参比电极及被监测阳极的数量应依据导管架的大小来确定，数量及分布应能正确、全面地反映导管架的保护情况。参比电极的布置应能客观反映导管架的保护状况，选择导管架不同平面和立面、不同构件及不同屏蔽情况的部位，同时还应与被监测阳极的布置适当配合以取得全面、系统的数据；被监测阳极的布置应能客观反映阳极的工作状况，应具有代表性。根据导管架所处海域的水深，参比电极及被监测阳极的数量可参考表4.表4参比电极及被监测阳极数量水深/m参比电极/个被监测阳极/个<308*-124*63480122648>80>16>83.4监测系统的安装监测系统的施工应在技术人员的指导下严格按照设计图纸及规格书进行，安装结束后，应根据实际施工情况绘制完工图，完工图应反映出实际安装情况与设计之间的任何变更。应将银/卤化银(海水)电极与高纯锌电极组合成一个整体作参比电极，参比电极与所有部件的结合处均应釆取密封措施。被监测阳极应焊接在导管架上，并应釆取有效措施防止在焊接安装过程中对绝缘系统及电缆造成损坏。3.5监测记录及数据处理利用阴极保护监测系统可以实时得到被保护部位电位及阳极发生电流值，同时根据监测系统测到的被保护部位电位和阳极发生电流，经过数据处理可以得到不同时间情况下电位和电流的变化曲线，

图3导管架电位随时间的变化曲线H检测到的电流值由图可见，被保护结构电位从刚下水时的-700mV经过15天降到-800mV,又经过大约20天降到-900mV并趋于稳定，处于腐蚀电位之下，因此牺牲阳极阴极保护具有很好的保护效果；导管架刚下水时阳极发生电流很高，达到10-11A,60天后基本稳定在1〜2A.这主要是由于阴阳极的极化作用导致电位差减小，即驱动电压减小，从而导致阳极发生电流减小.同时造成阳极发生电流减小还因为在阴极区域形成钙镁等碳酸盐覆盖在被保护钢结构上，形成了一层保护膜，从而需要的保护电流减小.由图还可见对于导管架电位和阳极发生电流下水初期存在一个突然的波动，然后又继续平稳减小,这主要是由于导管架下水之后安装过程的影响造成的.4结论和建议根据导管架阴极保护系统设计过程，得出了三个阳极块数：根据初期需要的保护电流确定的阳极块数；根据设计寿命得到的阳极块数；根据末期需要保护电流得到的阳极块数。且应满足如下条件：①根据初期需要保护电流确定的阳极块数：N.I也ci根据设计寿命得到的阳极块数： N/Wnxe也cmxT^g根据末期需要保护电流确定的阳极块数：N产脸cf因导管架和海管的阴极保护都是独立设计的，所以要保证绝缘法兰的绝缘效果，以避免绝缘垫片失效。同时还要尽量避免阳极发生电流向外界流失，增加阳极的消耗。阳极的安装布置应结合现场实际情况酌情处理，应尽量保证均匀分布在导管架保护面积集中的区域。根据监测数据分析，可以了解到牺牲阳极的发岀电流先高后低，由此可以考虑采用复合牺牲阳极或其他形式阳极来达到阴极保护系统优化的目的以减少阴极保护系统的投入成本。参考文献：DNVRPB401(2005),CathodicProtectionDesign[S].NACERPO176(2003),CorrosionControlofSteelFixedOffshoreStructuresAssociatedwithPetroleumProduction[S].Q/HS海上钢质平台阴极保护监测系统(2003),CathodicprotectionmonitoringsystemofsteeloffshoreplatformsES].DesignofCathodicProtectionandMonitoringSystemsonJacketQIANSi-cheng»ZHANGYou-hui,ZHANGGuo-qing,LUChang-shan(ChinaOffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)AbstractBasedonthe2005editionofDNV-RP-B401cathodicprotectiondesignstandars,thedesignprocessandcalculationmethodsofjacketsacrificialanodecathodicprotectioninmarineengineeringfieldareintroducedindetail,aswellasabriefintroductionofthesacrificialanode'sconstruction,installationandtestingisgiven.ThejackedsacrificialanodecathodicprotectiondesignmainlyreferstotherelevantdatainBohairegion.Thesacrifieialanodeisaluminumanode,whichiscommonlyusedinthefieldofoceanengineeringatthisstage.Accordingtotheneedsofcurrent,aluminumanode'selectriccapacityandpoten