张力腿平台牺牲阳极阴极保护设计研究

蔡伊扬 尚世超 刘玉军

（1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司 深圳518000；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

张力腿平台牺牲阳极阴极保护设计研究

蔡伊扬1尚世超2刘玉军1

（1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司 深圳518000；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

针对张力腿平台下浮体的防腐设计，进行阴极保护方面的研究：首先分析了外加电流阴极保护方法和牺牲阳极阴极保护方法的特点，选择后者作为保护措施；然后结合牺牲阳极阴极保护机理，比对国标和DNV等规范提供的相关阴极保护设计方法的异同，选择后者作为设计准则；最后以某张力腿平台为例进行基于DNV RP B401规范的牺牲阳极阴极保护设计。研究表明：牺牲阳极阴极保护技术成熟，DNV RP B401规范设计过程较为周详，能应用于张力腿平台下浮体的阴极保护设计。

张力腿平台；阴极保护；牺牲阳极；DNV RP B401

引 言

海洋环境具有极强的腐蚀性，会直接影响海洋结构物的服役安全和使用寿命，甚至会引发安全事故［1］，是张力腿平台需要面对的关键问题。张力腿平台主要由上部组块、下浮体、张力筋腱、锚泊基础、钻井设施、顶张紧立管等组成，其中下浮体是支撑上部组块，并为平台提供浮力的关键结构。为确保张力腿平台安全运行，需要对下浮体采取可靠有效的防腐措施。阴极保护是防腐工程中常用而有效的电化学保护方法［2］，分为外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护，两者都可以有效地减缓腐蚀进程，但适用性不完全相同［3］。各大船级社对于阴极保护系统的设计准则也不尽一致［4］，国外有 DNV RPB401［5］、NACE SP 0176［6］和 NI 423 DT R01 E［7］等，但设计内容基本相同；国内阴极保护设计主要是依据GB8841［8］，与国外设计规范差异较大。

本文针对张力腿平台的特点，选择适用的阴极保护方法，比较国内外阴极保护设计规范的不同，确定适用于张力腿平台的阴极保护设计准则。

1 外加电流阴极保护与牺牲阳极阴极保护

外加电流阴极保护方法与牺牲阳极阴极保护方法基本原理相同，都使平台极化到一定程度，降低平台构件的腐蚀速度，达到保护目的。外加电流阴极保护是通过一套装置将外部电流施加到平台上，为平台提供保护电流；牺牲阳极阴极保护则是采用自然电位负于平台自然电位的金属或者合金，与平台构和海水成原电池系统，从而为平台提供保护电流。外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护均可有效减缓腐蚀进程。二者的主要差别如下：［9］

（1）牺牲阳极在设计安装完毕后相对固定，不需要根据环境变化进行调整；外加电流阴极保护需根据平台的具体情况调整保护电流输出。

（2）牺牲阳极在安装下水后，在寿命期内基本不需要维护；外加电流阴极保护中的电源、参比电极等设备需要定期维护。

（3）牺牲阳极使用寿命是固定的，延寿施工难度大，费用高；外加电流阴极保护则可仅调控系统的参数即可实现延寿。

（4）牺牲阳极溶解产物会对海洋环境造成一定程度的污染。外加电流保护对环境基本无不良影响。

（5）牺牲阳极增加平台质量和载荷，增加设计和建造成本；外加电流则对平台设计以及质量和载荷的影响很小。

（6）外加电流有导致平台结构过保护和杂散电流的风险。

相对而言，牺牲阳极保护技术成熟、性能可靠，无产生过保护的风险。从目前的应用而言，平台上大多采用牺牲阳极阴极保护的方法［3］。因此，选用牺牲阳极阴极保护方法作为张力腿平台下浮体的阴极保护措施。

2 国标和DNV阴极保护设计

2.1 阴极表面极化过程

牺牲阳极发生溶解并向结构物提供保护电流，使钢质结构物表面电位从自然电位发生负向移动。在一定保护电位和海水pH值条件下，钢质结构物表面会发生吸氧或者析氢反应，形成氢氧根。氢氧根和海水中的钙离子、镁离子发生反应并沉积在结构物表面，从而形成钙镁沉积层。只有适量较大的保护电流密度才能得到致密、结合力强的沉积层［10］。致密的钙镁沉积层能大大提高阴极保护的效果，这是因为它可以有效地阻碍溶解氧向金属表面扩散和增大金属的极化电阻，从而减小所需的保护电流密度和扩大了阴极保护的范围［11］。随着钙镁沉积层形成过程的逐渐完成，结构物表面所需的保护的电流密度值也逐渐减小，然后长期保持基本稳定。在设计寿命末期，随着牺牲阳极输出电流能力减弱、钙镁沉积层发生部分脱落，才需要较大的保护电流密度进行重新极化［5］。

综上所述，钢质海洋结构物在阴极保护作用下表面会形成具有一定保护作用的钙镁沉积层，为能够得到致密、结合力强的钙镁沉积层，初期极化阶段需要足够大的保护电流密度；然后随着钙镁沉积层形成基本完成，只需要较小的保护电流密度即可；在寿命末期，又需要较大的保护电流密度。

2.2 GB8841和DNV RP B401设计方法

DNV RPB401、NACE SP 0176和 NI 423 DT R01 E等设计思路基本一致，故仅以DNV RP B401为例与GB8841进行比较。GB8841和DNV RP B401的设计流程如下页图1和图2所示。

图1 GB8841设计流程图

图2 DNV RP B401设计流程图

比较GB8841和DNV RP B401的设计流程图，可以发现两者在确定保护电流密度和计算保护电流、计算单块牺牲阳极发生电流、计算所需牺牲阳极数量［4］以及估算设计寿命方面具有较大差异。

DNV RP B401的保护电流密度是按照水深和水温来确定的，且分为初期、平均和终期三个保护电流密度与阴极表面极化过程相对应，从而能够促进结构物表面在初期生成状态较好的钙镁沉积层，保障终期具有足够的重新极化电流。海水中的含氧量随水深变化而不同，靠近表面的含氧量较高。海水的温度也影响海水中的含氧量［12］。因此，按照水深和水温选取初期、平均和终期保护电流密度的方法与腐蚀发生和阴极极化的机理相契合。在计算保护面积时，DNV RP B401规范考虑到涂层的保护作用，并且基于不同的涂层种类和质量给出线性的涂层退化计算公式。而GB8841只是根据相对于水流的速度给出不同区域的保护电流密度，既没有体现阴极极化的特性也没有考虑到涂层等的影响。

DNV RP B401根据修正的Dwight公式计算牺牲阳极的输出电流量。牺牲阳极的几何形状影响牺牲阳极的接水电阻，且牺牲阳极在初期和终期的形状差异较大，故DNV RP B401分别计算初期和终期的牺牲阳极电阻和牺牲阳极输出电流量，更细致反映牺牲阳极消耗对其发生电流的影响；而GB8841仅给出单块牺牲阳极的发生电流量，未体现牺牲阳极形状变化。

DNV RP B401将服役寿命划分为初期、平均和终期，通过初期和终期的极化要求以及平均的牺牲阳极材料消耗要求计算所需牺牲阳极数量。DNV RP B401通过牺牲阳极材料消耗要求来保证整个阴极保护系统的使用寿命，而并未校核单块牺牲阳极的使用寿命。单块牺牲阳极的寿命很大程度上取决于所保护结构物的面积大小［6］，因此，在不能确定单块牺牲阳极平均保护面积的情况下，校核单块牺牲阳极寿命的做法值得商榷。而GB8841则是基于假定牺牲阳极利用系数进行单块牺牲阳极寿命估算，而且计算牺牲阳极数量时也没有考虑初期极化和终期极化的不同。

DNV RP B401更能体现阴极极化特性、涂层退化和牺牲阳极消耗等因素的影响，计算假设条件也更为合理。因此，选择DNV RP B401作为TLP平台的牺牲阳极阴极保护设计准则。

3 基于DNV RP B401的设计

现以某张力腿平台为例，使用DNV RP B401方法对其下浮体进行牺牲阳极阴极保护设计。该张力腿平台的基础设计参数如表1所示。牺牲阳极的尺寸为2 440 mm×（229 mm×248 mm）×248 mm，净质量为329 kg。

3.1 单块牺牲阳极发生电流计算

单块牺牲阳极的初期接水电阻由式（1）求得。

式中：Ra为牺牲阳极接水电阻，Ω；ρ为海水电阻率，m·Ω；L为牺牲阳极长度，m；r为牺牲阳极等效半径，m。

牺牲阳极消耗至利用系数时，重新计算其几何尺寸。单块牺牲阳极的终期接水电阻由式（2）求得。

表1 基础设计参数

因此，单块牺牲阳极的初期和终期发生电流由式（3）和式（4）求得。

式中：Ia为牺牲阳极发生电流，A；ΔE为驱动电压，一般取为0.25 V。

3.2 所需保护电流计算

所需保护电流计算由式（5）求得。

式中：Ic为保护电流，A；Ac为保护面积，m2；ic为保护电流密度，A/m2；fc为涂层破损率。

因此，平台所需的初期、平均和终期保护电流分别为14 770 A、725 A和1 007 A。

3.3 所需牺牲阳极数量计算

根据极化要求，牺牲阳极数量需分别满足式（6）和式（7）的要求。

根据牺牲阳极材料消耗要求，牺牲阳极数量需满足式（8）和式（9）的要求。

式中：Ma为牺牲阳极材料总质量，kg；tf为设计寿命，年；u为牺牲阳极利用系数；ε为牺牲阳极电化学效率，（A·y） /kg。

综上所述，计算求得该张力腿平台需要243块牺牲阳极。

4 结 论

文章通过选择阴极保护方法、确定计算准则和列举基于规范的详细计算过程，顺利完成针对张力腿平台的牺牲阳极阴极保护设计研究。与外加电流阴极保护方法相比，牺牲阳极阴极保护方法更具有高可靠性和无过保护风险等优点，可应用于张力腿平台下浮体的阴极保护。以DNV RP B401为代表的牺牲阳极阴极保护设计方法，能够体现环境要素影响、阴极极化过程、牺牲阳极消耗和涂层作用等，可作为牺牲阳极阴极保护的设计准则。

［ 1 ］ 许立坤，马力，邢少华，等. 海洋工程阴极保护技术评述［J］. 中国材料进展， 2014（2）： 106-110.

［ 2 ］ 孙吉星. 海洋结构物阴极保护优化模型及数值计算［D］. 青岛 ： 中国海洋大学， 2006 ： 5-28.

［ 3 ］ 李妍， 刘忠斌. 海洋平台的阴极保护［J］. 中国造船，2002， 43 ： 162-164.

［ 4 ］ 齐荣彪. 海船阴极保护设计标准与DVN规范的对比分析［J］.中国修船， 2010（5）： 28-31.

［ 5 ］ DNV. Cathodic Protection Design［S］. 2007.

［ 6 ］ NACE. Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Offshore Structures Associated with Petroleum Production［S］. 2007.

［ 7 ］ BV. Corrosion Protection of Steel Offshore Units and Instatllations［S］. 2006.

［ 8 ］ GB 8841-88， 海船牺牲阳极阴极保护设计和安装［S］.

［ 9 ］ 尹鹏飞，张伟，许征凯，等. 导管架平台外加电流阴极保护技术［J］. 腐蚀与防护，2012（2）： 18-21.

［10］ 朱锡昶，葛仁淦，朱颖. 大电流密度下阴极产物膜的探讨［J］. 海洋工程， 1992（1）： 60-68.

［11］ 曹振宇. 模拟深海环境阴极保护初期钙镁沉积层的研究［D］. 青岛 ： 中国海洋大学， 2010 ： 9-10.

［12］ 胡士信， 阴极保护工程手册［M］. 北京： 化学工业出版社， 1999.

On sacrificial anode cathodic protection for TLP platform

CAI Yi-yang1SHANG Shi-chao2LIU Yu-jun1
(1. CNOOC China Ltd., Shenzhen, Shenzhen 518000, China;2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This article studies the cathodic protection for the anticorrosion design of the TLP platform. Firstly,the sacrificial anode cathodic protection (SACP) method is selected as protection measure in view of the analysis of the characteristics of the impressed current cathodic protection (ICCP) method and SACP method. Secondly,the relevant cathodic protection design method in DNV code is selected as design criteria by comparison with the design method in GB document based on the SACP principle. Finally, SACP for a TLP platform is designed according to the DNV RP B401. It shows that the reliable SACP technology and the elaborate design procedure in the DNV RP B401 can ensure the application of the SACP on the floating body of the TLP platform.

TLP platform; cathodic protection; sacrificial anode; DNV RP B401

U672.7+2

A

1001-9855（2017）06-0079-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.079

“500米水深油田生产装备TLP自主研发”专项经费资助（工信部联装［2014］503号）。

2017-05-25；

2017-05-31

蔡伊扬（1984-），男，工程师，研究方向：油气开发。

尚世超（1988-），男，助理工程师。研究方向：船舶与海洋工程舾装设计。

刘玉军（1968-），男，高级工程师。研究方向：海洋工程结构。