水下生产设施阴极保护系统设计

钱思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

水下生产设施阴极保护系统设计

钱思成

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

对于深水水下油气开采，水下生产系统的开发模式已经成为主流的深海油气开采模式，水下生产系统包含有水下采油树、海底管汇、海管终端、水下分配单元等等众多水下生产设施，且由于水下系统的高可靠性和不可维护性的特点，对于这些深水水下生产设施的阴极保护设计就显得尤为重要。本文主要依据2011年版DNV RP B401阴极保护设计标准，介绍了水下生产设施阴极保护的设计理念和设计过程，同时也简述了深水环境下阴极保护设计所需注意的主要事项。

水下生产设施；阴极保护；DNV-RP-B401

1 设计原则

水下生产设施通常结构形式复杂，包含有管线、阀门、管支架、控制系统分配单元等部件，因此可供牺牲阳极布置的空间较小，为了减少牺牲阳极用量，通常对水下设施的防腐主要采用牺牲阳极和水下防腐涂层联合保护的方案。

水下生产设施通常不可维护和保养，因此要求水下设施必须具有较高的可靠性，出于此目的，水下生产设施的选材要求通常较常规海洋设施更高，因此对水下生产设施的阴极保护系统设计必须考虑阴极保护同不同金属材料的匹配性问题，尤其对于某些高强钢更应该注意阴极保护对其的影响，考虑适当的绝缘等措施，避免出现氢脆等过保护现象。

2 设计基础

2.1 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水下设施钢结构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。

2.2 水下生产设施表面积的计算

水下生产设施表面积的计算包括主体结构和附属物，主要分为涂层覆盖区域、裸钢区域和海泥区域，分别计算出各个区域的钢结构表面积。

2.3 设计过程

水下生产设施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，这个过程中会涉及到三个阳极块数。

2.4 根据初期需要的保护电流确定的阳极块数

首先需要确定需要的保护电流密度，根据DNV-RP-B 401（附录A）进行选取，该电流密度与水深和温度有关，通常南海热带地区深海水下推荐的保护电流密度如表1：

表1 阴极保护所需电流密度

2.5 水下生产设施阴极保护电连续设计

水下生产设施通常存在有螺栓、铰链等机械连接结构，同时针对典型的水下海管终端、水下管汇等设施，管线上通常不单独设计阳极，依靠主结构上阳极来保护，而管线支架垫有绝缘垫板，与主体钢结构绝缘，保护电流无法到达管线上，需额外考虑电连接。同时，对于机械连接方式，连接电阻较大，同时连接缝隙处若发生锈蚀将进一步增加连接电阻，影响影响阳极输出电流的均匀分布，进而影响整体阴极保护效果，因此对水下生产设施的阴极保护必须考虑电连续性设计。

对于水下生产设施的电连接设计，可以采用齿形垫片和电连接导线的方式。对典型水下管汇/海管终端管线与主结构的电连接，可以在管线支架和管线上焊接带螺栓孔的钢制接线基板，然后采用带齿形垫片的螺栓螺母来连接电导线，齿形垫片可以咬合进入接线板和导线耳表面，保证管线和主体钢结构间的电连续性，保证一定的伸缩余量，以免管线位移或其他施工碰撞而将导线扯断。

2.6 水下生产设施钢结构上阳极的安装布置

确定了满足水下生产设施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，具体的原则如下：①阳极的安装应尽量保证均匀分布；②阳极应焊接在结构物内侧，防止下水安装时将阳极损坏；③阳极应安装在结构物保护面积集中的部位；④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。

3 结论和建议

1）根据水下生产设施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。选取三者当中最多的阳极块数进行校核，分别校核初期/末期保护电流和设计寿命是否满足需要。

2）因水下生产设施和周边海管等其他结构的阴极保护都是独立设计，所以要保证各自阴极保护计算的阳极数量足够并且布置合理，互不干扰。

3）水下生产设施的阴极保护设计必须考虑电连续性设计。

4）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水下生产设施保护面积集中的区域。

[1] 利军，王春升，郭宏.水下生产系统清管方案研究[J].化工设备与管道，2013，50（S2）：79-80.

Design of Cathodic Protection System for Underwater Production Facilities

Qian Si-cheng

At present，the development model of underwater oil and gas exploitation and underwater production system has become the mainstream deep-sea oil and gas exploration mode.Underwater production system includes underwater oil production tree，submarine manifold，sea pipe terminal，underwater distribution unit And many other underwater production facilities，and because of the underwater system of high reliability and non-maintainability of the characteristics of the deepwater underwater production facilities for the cathodic protection design is particularly important.Based on the design of DNV RP B401 cathodic protection design in 2011，this paper introduces the design concept and design process of cathodic protection in underwater production facilities.At the same time，it also highlights the main issues needing attention in cathodic protection design in deep water environment.

underwater production facility；cathodic protection；DNV-RP-B401

TG174.41

A

1003–6490（2017）05–0046–01

2017–04–20

钱思成（1981—），男，天津人，工程师，主要从事海洋石油工程水下系统与产品研究设计工作。