导管架牺牲阳极阴极保护设计研究

李 刚 盖丽丽 李 芬 姚 远 朱飞越

（1. 海洋石油工程股份有限公司，山东 青岛 266520；2. 青岛董家口发展集团有限公司，山东 青岛 266520；3. 中国船舶集团青岛北海造船有限公司，山东 青岛 266520）

0 引言

石油和天然气是当今世界最主要的化石能源，随着陆地油气资源逐渐被开发殆尽，海上油气田的开发正迅猛发展，作为近海油气开发平台主要的支撑载体—导管架的稳定性和长久性是非常重要的。对其结构的稳定与长久性，导管架防腐是绕不开的话题。导管架坐落在海床之上，桩腿深入海泥之中，主体浸泡在海水（强电解质）中，伸出海面部分还要不断遭受海浪的冲刷和烈日的暴晒，干湿交替，所处的环境非常恶劣，利于腐蚀的快速发生。

导管架根据其腐蚀环境通常可划分为大气区、飞溅区、全浸区（又进一步可细分为海水区和海泥区）。大气区一般采用高性能防腐涂料防腐，飞溅区采用厚浆型玻璃鳞片涂层结合牺牲阳极防腐，全浸区（裸钢）采用牺牲阳极阴极保护防腐，本文重点介绍水下区域（飞溅区和全浸区）牺牲阳极阴极保护该如何设计。

1 阴极保护的基本原理

金属腐蚀是金属与周围介质发生化学或电化学作用所引起的金属损失的现象和过程。工程领域常用的金属材料钢铁腐蚀的本质是电化学腐蚀，由于制造钢材本身材质的不均匀性，在电解质（海水或土壤）中、氧气等存在的情况下，钢铁在电解质中的电位会不同，从而在钢铁表面形成阴、阳极，驱动腐蚀的发生。

钢铁防腐较为普遍使用的一种方法是阴极保护。阴极保护的对象既包括暴露在海水或埋在海泥中的结构物外表面，也包括所有被海水充满的封闭舱室，以及海洋设施中混凝土加强筋的腐蚀防护等。

阴极保护的基本原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，从而使金属表面各点达到同一负电位。实现这一目的有两种办法，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

牺牲阳极阴极保护是将被保护金属和一种电位更负的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体阴极极化以降低腐蚀速率。

外加电流阴极保护是将被保护金属与外加电源负极相连，辅助阳极接到电源正极，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率。

当通过阴极极化使所有阴极点的电位都达到了最活泼阳极点的开路电位时，结构物上的腐蚀就会停止。

2 导管架的结构组成

导管架的结构构件一般由主要结构和附属结构组成，如立柱、拉筋、防沉板、桩、隔水套管、井口导向、靠船件、走道、梯子栏杆等。这些构件在纵向上分别处于大气区、飞溅区、全浸区不同的腐蚀环境之中。

3 导管架牺牲阳极设计思路

导管架牺牲阳极阴极保护设计的内容是确定阳极的型式，规格，数量和布置，其基本思路如下：

基础数据的确定→保护面积的计算→设计电流密度的选择→电流需求量的计算→初拟阳极规格尺寸，计算阳极净重和毛重→阳极初期发出电流计算→阳极末期发出电流计算→阳极数量的确定→使用寿命的核算→阳极的布置。

4 牺牲阳极的计算

4.1 基础数据

牺牲阳极阴极保护设计首先需要有设计的基础数据：主要有海水电阻率、导管架所在海域的水深、设计寿命等；阳极材料一般采用铝阳极（Al-Zn-In）。

附： 本文中一些字母的含义

4.2 导管架保护面积的计算

根据导管架结构图纸，按区域分别计算出在不同水深区间段被保护的导管架结构表面积，计算结果汇总如表1所示。

表1

其中按区域的含义是根据水线和泥线将导管架的水下部分划分为飞溅区，全浸海水区和海泥区；按不同水深计算面积是按设计电流密度选择对应的水深划分，具体如4.3节所示。

4.3 设计电流密度的选择

挪威船级社DNV-RP-B401-2017按水深、海域的不同给出了钢结构在海水中初期、末期保护电流密度和平均保护电流密度的参考取值，如表2和表3所示[1]。

表2 初期和末期保护电流密度参考取值（mA/m2）

表3 平均保护电流密度参考取值（mA/m2）

DNV同时推荐海泥中钢结构的保护电流密度为20mA/m2。

以上数据为导管架裸钢在海水中的保护电流密度，如果钢结构表面有涂层，保护电流密度的取值需考虑涂层破损率（fc），即有涂层的钢结构的保护电流密度等于裸钢的保护电流密度乘以涂层破损率。

涂层破损率的大小取决于涂层种类和性能、涂层施工质量及使用时间等。DNV-RP-B401标准给出了涂层破损率计算公式并将涂层分为三类，分别给出了公式中常数的取值。通常情况下，导管架水下及泥面以下结构不采用防腐涂层，仅依靠牺牲阳极进行保护；飞溅区采用玻璃鳞片涂层，保护电流密度需考虑涂层破损率。为简化计算，根据我国海域的实际情况和以往海洋工程经验，阴极保护设计电流密度取值可参考表4。

表4 阴极保护设计电流密度参考值

4.4 电流需求量的计算

电流需求量=∑电流设计密度×保护区域面积+井口的电流需求I4c（如表5所示）。

表5 Ic（total）=I1c+I2c+I3c+I4c

4.5 初拟阳极规格尺寸，计算阳极净重和毛重

阳极的型式有Stand-off，flush mounted，bracelet三种类型。导管架常用的阳极类型为Stand-off，如图1所示；需根据设计经验，初拟阳极的规格，反复试算。常见Stand-off型阳极的规格设计参数如表6所示。

表6 阳极规格参数

图1

单个阳极的净重Wn使用下式公式：

单个阳极的毛重Wg使用下式公式：

其中：Lc为阳极芯的拉直总长度，Lc=L3-2R+πR+2H2;

4.6 阳极初期发出电流计算

阳极初期的等效长度Li， Li=（L1+ L2）/2

阳极初期截面当量半径ri使用下式公式：

阳极初期接水电阻Rai使用下式公式：

阳极初期发出电流Iai，Iai=DE/Rai，铝合金阳极驱动电位取ΔE=0.25V。

4.7 阳极末期发出电流计算

阳极末期的等效长度Lf，Lf=（L1+ L2）/2×0.9。

阳极末期截面当量半径rf使用下式公式：

阳极末期接水电阻Raf使用下式公式：

阳极末期发出电流Iaf， Iaf= DE/Raf，铝合金阳极驱动电位取ΔE=0.25V。

4.8 阳极数量的确定

牺牲阴极保护计算应同时满足初期、中期和末期的阳极数量要求，即取计算初期、中期和末期的阳极数量的最大值。

为了满足中期电流需求，计算阳极数量Nm，使用下式公式：其中Ma为满足中期电流所需阳极的总净重，/kg。

为了满足初期电流需求，计算阳极数量Ni，使用下式公式：

为了满足末期电流需求，计算阳极数量Nf，使用下式公式：

实际所需阳极的数量N=Max（Nm，Ni，Nf）。

4.9 阳极使用寿命Ta的核算

计算得出的Ta应大于导管架的设计寿命。

4.10 牺牲阳极的布置

在导管架的主结构和防沉板结构图上，布置阳极。遵循的基本原则是阳极均匀布置在飞溅区最低水位以下，泥线以上。在空间上尽量均匀布置，阳极之间的间距大于0.5m。

5 结语

由于铝或锌阳极是靠牺牲自己来提供对导管架的防腐保护，此过程会释放出Zn离子，对海洋有一定的污染作用；随着人们环保意识的加强，国家和政府对海洋生态环境的重视，牺牲阳极联合外加电流阴极保护已开始在导管架防腐上广泛应用，减少了阳极使用的数量，降低了对海洋的污染程度。