海底管道阳极更换技术

海底管道阳极更换技术

0海底管道失效原因原油长距离输送是海洋油气资源开发的重要组成部分。海底管道由于具有连续、快捷、输送量大、受气候影响小等优点而成为海上油气集输的主要形式。海底管道在设计的使用期限内,由于受其设计、制造工艺、施工和服役环境的影响,不可避免地存在损伤和损坏。在管道运行过程中,如果不能及时发现这些潜在危险,就可能导致管道失效,引起油气泄漏,甚至发生管道事故。多项统计结果表明,腐蚀是造成海底管道失效的主要原因之一,目前广泛采用的腐蚀防护方法是防腐涂层和阴极保护的联合方法,阴极保护中通常采用牺牲阳极保护系统。牺牲阳极阴极保护法是较古老的一种电化学保护方法,由于其具有不需要外加电源和专人管理、不会干扰邻近金属设施、电流的分散能力好、设备简单、施工方便、不需要经常的维护检测等优点,广泛应用于海洋结构物水下钢结构的腐蚀防护。1铁芯的腐蚀在海底管道检测中,检测人员发现该海底原油管道的牺牲阳极腐蚀已经十分严重,表面溶解极不均匀,且呈溃疡状腐蚀,部分铁芯已经暴露,照此情况,若阳极一旦失效,这一输油管道便会因得不到保护而面临腐蚀穿孔的风险。为了避免海底管道的腐蚀破坏风险,保证海底输油管道的安全运行,必须对管道上的牺牲阳极采取更换措施。1.1防腐涂层此段海底原油管线于1998年铺设完成,设计寿命20年,材质为X52;外径为457.2mm,内径323.91mm,原始壁厚12.7mm;防腐涂层为聚乙烯涂层,涂层厚度2.5mm;海底管线采用挖沟下埋法铺设,设计下埋深度为1.5m,铺设海域水深约9米。1.2等阴极保护设计海底管道牺牲阳极的设计主要依照DNV-RP-B401-2011、ISO15589-2-2004、NORSOKM-503、NACERP01-76-83及SY/T10037-2002等阴极保护设计标准和规范进行设计。本次作业采用的阳极的性能指标如下:(1)阳极类型:手镯式铝合金牺牲阳极;(2)阳极合金化学组成:Zn(3.0～4.5%)In(0.02～0.03%)Si(0.10～0.20)Fe(<0.12%)Cu(<0.02%)余量为Al;(3)阳极在海泥中的开路电位:<-1.05V(Ag/AgCl);(4)阳极在海泥中的闭路电位:<-1.00V(Ag/AgCl);(5)阳极在海泥中的消耗率:<4.87kg/A.a;(6)阳极使用系数:0.8;(7)保护电位:在阴极系统保护正常工作条件下,海底管道电位应负于-0.80V(Ag/AgCl)。1.3海底管道的极性交换1.3.1工作船抛抗波锚采用DGPS定位,确定潜水支持母船的抛锚方位;在抛锚船的协助下,工作船抛四口锚,设计的各锚点与管道的垂直距离均大于150米;通过调节锚缆的长度,来调整船位,使得潜水员入水位置定位在先前确定的阳极块位置上方,如图1所示。1.3.2海底管道的定位船舶定位完毕后,潜水员携带水下金属探测器从船舷一侧入水,沿与管道垂直的方向上探测海管,直至发现海底管道;随后,潜水员携带水下吹泥工具下水,沿管道方向清理覆盖在管子上的海泥,寻找海管上原来的牺牲阳极,直至找到管子上的阳极块,并在水面设置浮标,定位海底阳极位置。如图2所示。1.3.3气举装置找到阳极以后,潜水员在水面辅助人员的配合下,利用气举装置清除阳极块周围的海泥,使得在阳极周围形成一个可以满足水下作业的空间,以便于在海底对旧阳极进行切割、安装、焊接作业。如图3所示。气举装置是利用高压水射流对海底泥沙进行搅拌破碎,并由气举装置吸排海泥。工作时潜水员在水下用高压水搅动海泥,卷扬机将气举按一定速度逐步放入水中,空压机输出压缩空气经气包、送风管进入气举。当压缩空气经特殊空气喷嘴即气举高速流出时,高速气流一方面与吸泥管中的浆体产生强烈的动能交换,另一方面在气举吸头处形成局部真空,吸泥管内形成了比水的密度小的气-水-泥砂混合体,从而将海底搅动起来的泥沙源源不断地抽出海面,并随潮流漂移至他处。1.3.4水下湿法焊接工艺水下作业空间清理完毕后,潜水员携带手工锯,在距离牺牲阳极5mm处进行打磨切割,并将切割后的阳极运送出水面。在水面人员的配合下,潜水员将新阳极放在需要焊接的位置上,并将其用绳子固定,潜水员在水下采用水下湿法焊接工艺对新阳极进行焊接作业,如图4所示。水下湿法焊接技术具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强等优点,已逐步在海洋钢结构如海底管道、海洋平台、跨海大桥等工程中得到应用。牺牲阳极安装的质量直接影响到阳极的电流量、溶解性能和使用寿命,要求焊缝平整、连接牢固可靠。新阳极焊接完成后,潜水员携带水下录像设备对更换区域的海管进行详细的外观检查,并进行了必要的水下录像,以直观检查阳极的焊接质量。1.3.5海底管道保护电位为了定性的判断新更换的牺牲阳极对海底原油管道的电化学保护效果,潜水员携带MARK-V型水下电位仪对海底管道不同位置的保护电位进行测量。管道电位测量结果如表1所示。从表1中数据可以看出,更换后测得的海底管道保护电位全部达到-800mV至-1050mV之间(银/氯化银参比电极),满足设计要求,可以达到对海底管道的电位保护。1.3.6外壁壁厚与土壤腐蚀潜水员采用Cygnus1水下超声波测厚仪对海底管道不同位置的外壁壁厚进行了测量,测量数据如表2所示。海底土壤的腐蚀性受到海土的物理、化学、生物多种因素的影响。从壁厚图中不同位置壁厚的变化可能是由于其所处位置具体的内外腐蚀环境不同所致腐蚀速率不同。2积物的腐蚀预测和腐蚀因子分析海底管道埋设或放置在海底,与海底土壤直接接触,影响海底土腐蚀性大小的因素很多,主要因素有土的电阻率、氧化还原电位、盐度、含水量、pH值、土的微生物和土质类型等,而这些因素又常常互相影响,造成海底土的腐蚀特征十分复杂。对海底土壤腐蚀性的研究已经证明了海底土壤中腐蚀因子的腐蚀作用[5～9]。由于海底沉积物所特有的复杂腐蚀环境,在不同区域、不同腐蚀环境的海底沉积物中,钢铁的腐蚀速度相差较大,海底沉积物的腐蚀性决定于其全部腐蚀因子,通过测定某海域海底沉积物的单项或多项腐蚀因子来判定和预测该海域海底沉积物腐蚀性的强弱,而不必去直接测定金属在该海域海底沉积物中的腐蚀速度,因此,腐蚀因子分析及腐蚀预测一直是腐蚀领域中重要的研究内容。将原油管道上面的旧阳极切割后,进行称重计算,发现油管阳极的腐蚀程度都在70%以上,本油管的阳极腐蚀严重,管道的一些位置出现阳极基本腐蚀完全的现象,已经无法起到对管道的腐蚀保护作用。从现场采集到阳极的式样可以看出,如图5所示,牺牲阳极表面溶解极不均匀,呈溃疡状,阳极上半部分铁蕊已完全暴露。对阳极式样进行分析,发现管道上部的阳极的消耗程度有大于下部阳极的消耗程度。这可能是由于海泥无单独气相存在,海泥中的海水交换困难,仅靠表层海泥与底层海水进行缓慢的物质和能量的交换,不像海水那样由于运动能得到及时补充而保持一定的含氧量,所以,海泥中的溶解氧含量是相当有限的。海泥中管线钢腐蚀的阴极过程主要是氧去极化反应,此处氧的扩散是控制步骤。随着深度的增加,溶解氧逐步减少,钢铁的腐蚀速率降低,从而阳极的消耗速率有变小的趋势。在不考虑生物因素影响的前提下,海底土的电阻率被认为是最为重要的海土腐蚀性指示因子。海底表层沉积物的电阻率一般在垂直深度上是随着深度增加而增大。从海底管道和阳极的腐蚀情况来看,随着埋深的变浅,电阻率减小,海土的腐蚀性增强,阳极消耗的也就越严重。3静态保护效果牺牲阳极保护在海底管道腐蚀保护中占有重要地位,它在使用较长一段时间后,消耗严重,达不到原来的设计保护水平,所以,必须对牺牲阳极的保护效