黃明泉，朱志慧，劉 彬，欒振東

(1.中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東深圳 518067；2.廣東省海上油氣設(shè)施檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東深圳 518067；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；4.中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東青島 266071；5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

我國(guó)從20世紀(jì)60年代起對(duì)海洋油氣資源不斷勘探開(kāi)發(fā)，海洋工程水下設(shè)施的應(yīng)用由淺水逐步走向深水，數(shù)量越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，工程投資成本也越來(lái)越大。由于金屬材質(zhì)的設(shè)施長(zhǎng)期處于海上大氣和海水腐蝕的復(fù)雜惡劣環(huán)境下，金屬腐蝕將嚴(yán)重影響設(shè)施的使用壽命和安全運(yùn)行，因此設(shè)施金屬防腐尤為重要[1]。

中國(guó)海上油氣田經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)發(fā)和建設(shè)，各油氣田有大量的海上導(dǎo)管架、海底管道、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)及各類(lèi)水下結(jié)構(gòu)物正在服役。水下的這些結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，所處的海洋自然環(huán)境又十分惡劣，其不僅受到大氣和海水的腐蝕，還遭受海水飛濺、潮汐、生物、底質(zhì)沉積物等影響，從而產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)腐蝕。為更好地保障這些水下結(jié)構(gòu)物的正常運(yùn)行和結(jié)構(gòu)安全，就必須根據(jù)各種結(jié)構(gòu)物的腐蝕特點(diǎn)采取科學(xué)有效的腐蝕防護(hù)措施，并進(jìn)行定期測(cè)量，評(píng)估其保護(hù)狀態(tài)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)海底管道、平臺(tái)或?qū)Ч芗?、FPSO等單獨(dú)設(shè)施的陰極保護(hù)技術(shù)研究較多，而對(duì)水下設(shè)施整體性和綜合性的技術(shù)現(xiàn)狀研究較少，同時(shí)對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)實(shí)施后的電位測(cè)量技術(shù)和保護(hù)效果評(píng)估研究也相對(duì)偏少。

本文依據(jù)多年的行業(yè)實(shí)踐，對(duì)海上油氣田水下設(shè)施的陰極保護(hù)、電位測(cè)量技術(shù)和實(shí)踐應(yīng)用情況進(jìn)行闡述和討論，并對(duì)目前應(yīng)用的各種電位測(cè)量技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，為水下防腐和電位測(cè)量相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)研究和發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 陰極保護(hù)技術(shù)的基本原理及分類(lèi)

電化學(xué)腐蝕是活潑金屬與電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起損耗的現(xiàn)象，與原電池的原理相同。水下設(shè)施是由活潑金屬鐵構(gòu)成，而海水就是很好的電解質(zhì)溶液，它們之間會(huì)發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)。而陰極保護(hù)技術(shù)是一種用于防止金屬在電介質(zhì)(海水、淡水及土壤等)中發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是將金屬構(gòu)件作為陰極，對(duì)其施加一定的直流電流，使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一電位值時(shí)，該金屬表面的電化學(xué)不均勻性得到消除，腐蝕的陰極溶解過(guò)程得到有效抑制，從而達(dá)到保護(hù)的目的。

常用的陰極保護(hù)技術(shù)分為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)及外加電流陰極保護(hù)(Impressed Current Cathodic Protection，ICCP)技術(shù)兩種。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)是將被保護(hù)的金屬與電位更負(fù)的活潑金屬相連，組成電耦電池，依靠犧牲陽(yáng)極不斷溶解所產(chǎn)生的陰極電流來(lái)實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)。目前海洋工程水下設(shè)施普遍采用該保護(hù)法，從而達(dá)到保護(hù)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物的目的。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、首次投資低、維護(hù)費(fèi)用低；能恰當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)電流利用率，不存在過(guò)保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)；不僅達(dá)到保護(hù)的目的，而且還能實(shí)現(xiàn)接地的效果。缺點(diǎn)是會(huì)增加導(dǎo)管架平臺(tái)的重量，陽(yáng)極在消耗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生重金屬離子污染環(huán)境，同時(shí)陽(yáng)極保護(hù)時(shí)間有限，消耗完畢后，平臺(tái)延壽困難，成本較大[2]。ICCP技術(shù)是強(qiáng)制將需保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)為陰極，而將輔助陽(yáng)極(如石墨、廢鋼和貴金屬等)設(shè)為陽(yáng)極，構(gòu)成一個(gè)腐蝕電池，通過(guò)外加電路向陰極輸入電子，從而使陰極不易失電子(圖1)。優(yōu)點(diǎn)是高驅(qū)動(dòng)電壓，靈活度高，適用于較大的場(chǎng)合；可適用于高電阻率或惡劣腐蝕的環(huán)境；用微溶性或不溶性的輔助陽(yáng)極時(shí)，能達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間陰極保護(hù)的目的，保護(hù)范圍廣。缺點(diǎn)是需要外部電源，后期維護(hù)量大，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)存在電流分配不均的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

圖1 外加電流陰極保護(hù)技術(shù)

2 海上油氣田水下結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)

2.1 海管和水下生產(chǎn)設(shè)施陰極保護(hù)

海底管道常年處在海底，海洋環(huán)境遠(yuǎn)比陸地環(huán)境嚴(yán)酷。陰極保護(hù)系統(tǒng)的選擇需要充分考慮可靠性、耐久性等特點(diǎn)?？紤]到外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)存在過(guò)保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)是目前海底管道工程采用的較成熟且可靠的陰極保護(hù)方式[4]。我國(guó)海域所鋪設(shè)的海管普遍采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)。

水下生產(chǎn)設(shè)施通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含電液管線、閥門(mén)、跨接管、控制系統(tǒng)單元等部件，可供犧牲陽(yáng)極布置空間有限，為減少犧牲陽(yáng)極用量并滿足防腐要求，通常對(duì)水下設(shè)施采用犧牲陽(yáng)極和水下防腐涂層聯(lián)合保護(hù)的方案[5,6]。我國(guó)南海海域的流花4-1油田、番禺34-1/35-1氣田，以及2020年投產(chǎn)的流花16-2和流花29-1等油田的眾多水下設(shè)施都廣泛采用該方案。

2.2 導(dǎo)管架陰極保護(hù)

我國(guó)早期一般會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)物所處的海洋環(huán)境對(duì)固定式導(dǎo)管架采用不同的防腐技術(shù)。導(dǎo)管架在全浸區(qū)的腐蝕程度比大氣區(qū)嚴(yán)重，但比飛濺區(qū)要輕，因此全浸區(qū)和海底泥土區(qū)采用陰極保護(hù)或涂料與陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方式。隨著服役年限的增加，許多陽(yáng)極已經(jīng)接近甚至超出了當(dāng)初設(shè)計(jì)的使用年限，需要對(duì)超役導(dǎo)管架的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行延壽修復(fù)。如果繼續(xù)采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方法對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行修復(fù)，則潛水員安裝犧牲陽(yáng)極的施工成本較高。而采用外加電流陰極保護(hù)方法進(jìn)行延壽，不僅具有安裝快速、安裝費(fèi)用低、發(fā)生電流大等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)平臺(tái)負(fù)重小，不污染環(huán)境，是一種環(huán)境友好型的陰極保護(hù)技術(shù)[3]，該陰極保護(hù)技術(shù)適用于中等深水域和深水區(qū)域平臺(tái)的陰極保護(hù)[7-12]。

導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由電源、電纜、輔助陽(yáng)極和參比電極等組成。根據(jù)輔助陽(yáng)極固定方式的不同可分為遠(yuǎn)地式陽(yáng)極外加電流系統(tǒng)、抗拉伸式陽(yáng)極系統(tǒng)和固定式陽(yáng)極系統(tǒng)。

(1)遠(yuǎn)地式陽(yáng)極外加電流系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是在海底支撐底座(或陽(yáng)極橇塊)上預(yù)置輔助陽(yáng)極，另一種是將輔助陽(yáng)極設(shè)計(jì)為浮式結(jié)構(gòu)安裝在設(shè)計(jì)好的陽(yáng)極支架上(圖2)。2010年陸豐13-2WHP導(dǎo)管架安裝了兩套Deepwater公司遠(yuǎn)地式陽(yáng)極外加電流系統(tǒng)。2018年文昌14-3WHPA導(dǎo)管架也首次投入使用了國(guó)內(nèi)聯(lián)合研發(fā)的遠(yuǎn)地式陽(yáng)極外加電流系統(tǒng)。

圖2 遠(yuǎn)地式輔助陽(yáng)極外加電流陰極保護(hù)[12]

(2)抗拉伸式陽(yáng)極系統(tǒng)?？估焓疥?yáng)極由一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極固定在一條機(jī)械支撐作用的繩索上，繩索的上端固定在平臺(tái)突出部位，繩索的下端懸掛重載或固定在外套管上。該系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是將抗拉伸式陽(yáng)極的機(jī)械支撐部分和供電部分完全分離，即支撐繩和電纜分離，確保作用于系統(tǒng)中的機(jī)械力都集中在起支撐作用的鋼繩上[9,11]，如DENORA公司的LIDA系統(tǒng)；另一種是將支撐部分和電纜芯設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，電纜既起到供電作用又起到支撐作用，如格沃克公司的VTA系統(tǒng)。

由于從國(guó)外引進(jìn)該技術(shù)產(chǎn)品的初始安裝和后期維護(hù)費(fèi)用十分昂貴，因此投入使用的范圍有限，該技術(shù)在我國(guó)主要作為超役導(dǎo)管架的延壽手段。隨著國(guó)產(chǎn)化外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)在我國(guó)已有了經(jīng)濟(jì)可靠的固定式導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)技術(shù)，如大連科邁爾防腐科技有限公司的VTA系統(tǒng)(圖3)。在2017年，陸豐13-2WHP導(dǎo)管架因遠(yuǎn)地式陽(yáng)極外加電流系統(tǒng)故障，率先投入使用了國(guó)產(chǎn)化的VTA系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝使用至今已正常運(yùn)轉(zhuǎn)4年，并抵御了數(shù)年南海臺(tái)風(fēng)的侵襲，經(jīng)中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司研究總院工程研究設(shè)計(jì)院評(píng)定該系統(tǒng)將為陸豐13-2WHP平臺(tái)再延壽15年。同時(shí)，該技術(shù)已作為中海油“三新三化”技術(shù)在集團(tuán)公司各海域推廣，并于2021年5月在文昌13-2A/B導(dǎo)管架成功投入使用。隨著國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的逐步成熟和成本的大幅度降低，該技術(shù)的應(yīng)用不再局限于超役平臺(tái)，今后將推廣到犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)失效平臺(tái)和新建平臺(tái)，如犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)失效平臺(tái)番禺30-1導(dǎo)管架，預(yù)計(jì)于2022年5月開(kāi)始安裝使用。

圖3 陸豐13-2WHP導(dǎo)管架的VTA系統(tǒng)應(yīng)用

(3)固定式陽(yáng)極系統(tǒng)。固定式陽(yáng)極系統(tǒng)的安裝一般與犧牲陽(yáng)極法的布置相似，數(shù)量上接近，安裝工程量大，且不能發(fā)揮外加電流排流量大的優(yōu)勢(shì)。而安裝輔助陽(yáng)極的電纜接頭和陽(yáng)極托架，電纜走線布置都比較復(fù)雜，所以經(jīng)濟(jì)成本較高，適用于淺水域安裝[3]。

2.3 FPSO陰極保護(hù)

較早建造的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)普遍采用涂層加犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)船體以及壓載艙、貨油艙等艙室進(jìn)行防腐保護(hù)，而現(xiàn)在建造的FPSO多采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)技術(shù)來(lái)保護(hù)艙室，同時(shí)在船艏到船艉的不同區(qū)域增加外加電流防護(hù)對(duì)船體進(jìn)行防腐。

2014年建成并投入使用的“海洋石油118”FPSO，在壓載艙、貨油艙、污油艙、艏/艉間艙等艙室刷涂防腐底漆與安裝鋅塊陽(yáng)極相結(jié)合的方式進(jìn)行防腐，而對(duì)船體的防護(hù)則是在船艏、左右舷、船艉的4個(gè)不同區(qū)域安裝外加電流保護(hù)裝置，以此達(dá)到船體防腐的目的[13,14]。

3 陰極保護(hù)電位測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用

為避免海上油氣田水下設(shè)施因保護(hù)不當(dāng)而發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的情況，需采用恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)保護(hù)措施的缺陷，再采取補(bǔ)救措施防止水下設(shè)施腐蝕，才能使水下設(shè)施長(zhǎng)期安全運(yùn)行。如何選擇合適的測(cè)量技術(shù)檢測(cè)水下結(jié)構(gòu)所采用的陰極保護(hù)措施是否有缺陷顯得尤為重要。

3.1 陰極保護(hù)電位測(cè)量方法

國(guó)內(nèi)外海上油氣田水下設(shè)施陰極保護(hù)電位測(cè)量方法主要有以下5種：下放電極式測(cè)量、接觸式測(cè)量、雙電極測(cè)量、拖纜式測(cè)量和電場(chǎng)梯度測(cè)量。

3.1.1 下放電極式測(cè)量

下放電極式測(cè)量(Drop cell measurement)是將單電極(Ag/AgCl)放置在水下結(jié)構(gòu)附近，通過(guò)參比電極和結(jié)構(gòu)之間的電位差得到陰極保護(hù)電位值，適用于長(zhǎng)期電位監(jiān)測(cè)(圖4)。該技術(shù)在海洋設(shè)施中普遍應(yīng)用于導(dǎo)管架對(duì)水下部分鋼結(jié)構(gòu)桿件的監(jiān)控，已在中國(guó)南海的番禺30-1、番禺34-1和惠州25-8等眾多平臺(tái)投入使用。

圖4 下放電極式測(cè)量示意圖

3.1.2 接觸式測(cè)量

接觸式測(cè)量通過(guò)探針與被測(cè)結(jié)構(gòu)表面接觸，測(cè)得探針與參比電極的電位差，得到陰極保護(hù)電位值。陰極保護(hù)電位值直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果，也是判斷犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性及保護(hù)程度的重要參數(shù)。當(dāng)電位值偏正時(shí)，則表示該陰極保護(hù)系統(tǒng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的保護(hù)效果；當(dāng)電位值偏負(fù)時(shí)，犧牲陽(yáng)極消耗的電量過(guò)大，則整套陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)效果不佳，還可能導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)表面析氫引起表面涂層剝落，或引起氫脆等不良后果[15]。

目前最為常見(jiàn)的測(cè)量方式是通過(guò)水下遙控機(jī)器人(Remote Operated Vehicle,ROV)或潛水員搭載電位測(cè)量設(shè)備對(duì)導(dǎo)管架、海管、水下生產(chǎn)系統(tǒng)和FPSO系泊系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。如使用潛水員搭載，可直接通過(guò)儀器進(jìn)行電位測(cè)量讀??；如采用ROV搭載，則由ROV攜帶測(cè)量電極，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)ROV臍帶纜傳輸至水面讀取電位。中國(guó)海域各大油氣田的海上設(shè)施年度例行檢測(cè)普遍應(yīng)用ROV搭載測(cè)量方法。

3.1.3 雙電極測(cè)量

雙電極電位探頭主要用來(lái)測(cè)量導(dǎo)管架水下鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位和海管的陰極保護(hù)電位。ROV搭載一個(gè)測(cè)量探頭，包含探針和一個(gè)Ag/AgCl電極，另外還需要一個(gè)遠(yuǎn)程參比電極(Ag/AgCl電極)。ROV需先進(jìn)行1次接觸電位測(cè)量作為參考，隨后定期接觸才可確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，從而得到海管的非接觸式、連續(xù)電位值(圖5)。該測(cè)量方法已在南海北部珠江口東部近海油田平臺(tái)及北部灣油氣田的4座固定式海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)上應(yīng)用[16,17]。

圖5 雙電極測(cè)量示意圖

3.1.4 拖纜式測(cè)量

拖纜式測(cè)量即密間隔電位測(cè)量(Close Interval Potential Survey，CIPS),是將支持船上自動(dòng)電位記錄儀上帶絕緣層金屬導(dǎo)線的一端連接在平臺(tái)立管絕緣法蘭以下的管道，另一端則與ROV上的測(cè)量電極相連接，從而構(gòu)成電位測(cè)量回路[18](圖6)。該技術(shù)不適合應(yīng)用在相對(duì)距離較遠(yuǎn)的管道檢測(cè)上。

圖6 拖纜式測(cè)量示意圖

3.1.5 電場(chǎng)梯度測(cè)量

電場(chǎng)梯度測(cè)量法也稱為“直流電位梯度測(cè)量法”(Direct Current Voltage Gradient，DCVG)，其測(cè)量原理是通過(guò)在海底管道上施加陰極保護(hù)，若管道防腐層破損并裸露出金屬部位，則陰極保護(hù)電流將通過(guò)海水介質(zhì)傳導(dǎo)到破損的管道金屬處，在金屬管破損區(qū)域形成電位梯度場(chǎng)。距離金屬裸露點(diǎn)越近，則電流越大，電位梯度越集中。此外，借助遠(yuǎn)程參比電極及固定參比電極(Cell to Cell，CTC)系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量管道的陰極保護(hù)電位及電場(chǎng)梯度，ROV無(wú)需接觸即可一次性檢測(cè)獲取連續(xù)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用電位分布數(shù)據(jù)及電場(chǎng)梯度數(shù)據(jù)的對(duì)比與驗(yàn)證，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性[18,19](圖7)。

圖7 電場(chǎng)梯度測(cè)量示意圖

應(yīng)用電場(chǎng)梯度測(cè)量技術(shù)，可記錄和體現(xiàn)水下結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)系統(tǒng)的整體電位和趨勢(shì)性變化，并結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)估。同時(shí)，將獲得的測(cè)量電位值和電場(chǎng)梯度值(圖8)，應(yīng)用電位梯度判斷管道的外防腐層破損點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)計(jì)算方法可估算出陽(yáng)極剩余壽命，具有重要的工程參考意義。目前輝固集團(tuán)(Fugro)采用該技術(shù)原理建立輝固陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Fugro Cathodic Protection Monitoring System，F(xiàn)CPMS)，其在南海的荔灣3-1氣田海管、崖城至香港780 km天然氣輸送海管和陵水17-2水下結(jié)構(gòu)物等檢測(cè)中已成功應(yīng)用。

圖8 電場(chǎng)梯度測(cè)量法原理示意圖

3.2 FCPMS組成和應(yīng)用成果

FCPMS系統(tǒng)由CP測(cè)量探頭、水下電子艙、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、控制電腦(含輝固自主開(kāi)發(fā)的FCP軟件)、遠(yuǎn)程參比電極及其他輔助設(shè)備(探針和校準(zhǔn)設(shè)備等)組成，并通過(guò)ROV搭載對(duì)海管進(jìn)行電場(chǎng)梯度測(cè)量作業(yè)，以下為具體檢測(cè)程序：

(1)在實(shí)施海管電位測(cè)量前，將測(cè)量探頭、水下電子艙和信號(hào)轉(zhuǎn)換器安裝在ROV上，通過(guò)ROV臍帶纜將水下電子艙搜集的探針甲板校準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸至控制電腦，確保設(shè)備檢測(cè)和采集數(shù)據(jù)正常(圖9)。

(2)完成甲板測(cè)試后，ROV隨即入海下潛至所需檢測(cè)結(jié)構(gòu)附近，同時(shí)將遠(yuǎn)程參比電極從船舷側(cè)下放入海。在海底，ROV采用接觸式電位測(cè)量海管電位進(jìn)行水下校準(zhǔn)工作，再次確保設(shè)備功能正常。

(3)FCPMS系統(tǒng)功能測(cè)試正常后，即可開(kāi)展檢測(cè)作業(yè)，在檢測(cè)過(guò)程中，采集的原始數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算(圖10、圖11)后可以獲得連續(xù)電位值和電場(chǎng)梯度值(圖12)。在作業(yè)期間，若發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極時(shí)，需使用接觸式電位測(cè)量方法采集陽(yáng)極電位值和校驗(yàn)電場(chǎng)梯度值。

圖12 某海管計(jì)算所得連續(xù)電位值和電場(chǎng)梯度值

(4)FCP軟件實(shí)時(shí)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)并處理，生成電位曲線。

(5)完成海上現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后，所有采集的數(shù)據(jù)和資料經(jīng)陸地技術(shù)部門(mén)核對(duì)和二次處理后，形成最終報(bào)告。

2018年，F(xiàn)CPMS應(yīng)用于南海某條海管的陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)，采集整條海管的電位值和相關(guān)數(shù)據(jù)(圖13)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，該海管2018年的電位值為-1 130 mV至 -1 040 mV，與2016年采集的電位數(shù)據(jù)相比，電位值正在發(fā)生正偏移，表明該海管的陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)狀態(tài)在減弱，但此時(shí)的海管陰極保護(hù)狀態(tài)仍能很好地防止外部腐蝕。經(jīng)過(guò)分析和對(duì)比得出海管陽(yáng)極活性低于平均值，電流范圍為-168 mA至52 mA。

圖13 2016年與2018年連續(xù)電位值對(duì)比圖

同時(shí)，通過(guò)采集各犧牲陽(yáng)極的電流值，結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)，可根據(jù)以下公式[20]計(jì)算出基于當(dāng)時(shí)電流情況下?tīng)奚?yáng)極的剩余壽命：

式中：T1為犧牲陽(yáng)極剩余壽命(yrs)；W0為陽(yáng)極設(shè)計(jì)質(zhì)量(kg)；u為陽(yáng)極使用因子(參考DNV GL-RP-B401-June 2017 Cathodic protection design的相應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[20])；K為陽(yáng)極消耗率(參考GB/T 4948-2002鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極，表11“電化學(xué)性能的參數(shù)”[21])；Icm為計(jì)算出的犧牲陽(yáng)極電流值(Apms)；T0為犧牲陽(yáng)極服役年限(yrs)。

由上述方法計(jì)算得出該海管所有犧牲陽(yáng)極的壽命為55-100年。鑒于海管目前仍處于非常好的陰極保護(hù)狀態(tài)，因此對(duì)該條海管建議采取定期監(jiān)測(cè)的方式，暫不需要對(duì)現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)介入和干涉。

3.3 陰極保護(hù)電位測(cè)量技術(shù)的比較

通過(guò)比較5種陰極保護(hù)電位測(cè)量方法(表1)，可以發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)梯度測(cè)量與接觸式測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景更廣。與接觸式測(cè)量相比，電場(chǎng)梯度測(cè)量受ROV載體水下能見(jiàn)度和正確識(shí)別陽(yáng)極的影響小，數(shù)據(jù)采集率高;與拖纜式測(cè)量法相比，電場(chǎng)梯度測(cè)量減少了操作環(huán)節(jié)，克服了長(zhǎng)距離管道檢測(cè)的限制，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

表1 5種陰極保護(hù)電位測(cè)量技術(shù)對(duì)比及應(yīng)用

續(xù)表

4 結(jié)語(yǔ)

在海上油氣田水下設(shè)施陰極保護(hù)方面，因海管的鋪設(shè)工藝及長(zhǎng)距離等特性和水下生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度及緊湊性等特征，海管和水下生產(chǎn)系統(tǒng)在未來(lái)仍將以犧牲陽(yáng)極作為陰極保護(hù)的主要方法。隨著外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的成熟及國(guó)產(chǎn)化，在已建平臺(tái)延壽和新建深水平臺(tái)上，其將可能逐步替代導(dǎo)管架犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)作為主要的手段。FPSO所采用的犧牲陽(yáng)極和外加電流相結(jié)合的陰極保護(hù)技術(shù)能較好地控制FPSO的腐蝕速度，這兩種技術(shù)相結(jié)合的方法將會(huì)被普遍采用。

在陰極保護(hù)測(cè)量技術(shù)方面，接觸式測(cè)量方法雖然存在一定的受限條件，但由于操作成本較低，已成為國(guó)內(nèi)海洋油氣公司水下設(shè)施電位測(cè)量的首選方式，目前應(yīng)用較廣泛。但隨著國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的發(fā)展以及測(cè)量成本的下降，高效率、無(wú)受限條件和數(shù)據(jù)成果豐富、可靠、準(zhǔn)確的電場(chǎng)梯度電位測(cè)量技術(shù)，必將成為未來(lái)海上油氣田水下設(shè)施陰極保護(hù)檢測(cè)的主要手段和發(fā)展方向。