卧式新建导管架张紧式外加电流阴极保护系统安装方案研究

喻发令，唐静，董晓雨，王超，王崴，邵彦峥，秦铁男，徐云泽

（1.中海石油（中国）有限公司海南分公司，海口 570311；2.大连科迈尔防腐科技有限公司，辽宁 大连 116082；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；4.大连理工大学，辽宁 大连 116081）

海上桩基固定式石油平台作为开采、传输海底石油、天然气、可燃冰等海洋能源的主要海上基础设施，是我国海洋石油生产的主要结构形式[1-3]。其长期安全稳定服役是关系国家海洋油气资源安全保障的关键[4-6]。我国海上石油平台基础主要以桩基固定式钢质导管架为主，主要应用于滩涂、20～300 m 水深海域，在诸多海域均有广泛应用[7-10]。钢质导管架长期服役在海水环境中会发生腐蚀，导致结构发生不可逆损伤，严重情况下甚至会导致导管架结构失稳、坍塌[11-13]，其结构的耐久性一直备受关注。

阴极保护技术作为极为有效的防腐措施之一，被广泛应用于桩基固定式导管架基础在海水环境中的长期腐蚀防护[14-15]。传统方式普遍采用牺牲阳极的阴极保护方法[16-17]。由于导管架规模及应用水深的不尽相同[18-19]，尤其是300 m 水深级别的导管架结构，其牺牲阳极用量、安装数量巨大，且在服役期容易出现牺牲阳极局部消耗过快，导致导管架局部保护不足[20-22]。针对这一现实情况，并基于桩基固定式导管架基础的防腐需求，张紧式ICCP 系统被广泛应用于桩基导管架平台阴极保护延寿，其以集成有辅助阳极和参比电极的复合缆-电极系统为核心构件，可通过导管架首尾的锚固结构张紧固定在导管架内部，实现辅助阳极及参比电极的分布式一体化安装[23-24]。该技术及国产化装备已于2017 年首次应用于陆丰13-2 WHP 导管架平台，是国内首个深水在役导管架平台阴极保护系统延寿的国产化工程案例，系统至今正常运行，导管架保护状态良好。随后，又陆续应用在文昌13-1/13-2 井口平台、番禺30-1DPP平台等深水在役导管架阴极保护延寿项目，及垦利6-1、渤中垦利岸电、渤中29-6 等渤海海域新建导管架平台。

张紧式ICCP 技术已成为海上桩基固定式导管架平台阴极保护的主要技术手段，其应用项目已覆盖在役深水导管架平台和新建浅水导管架平台，但其对于卧式新建导管架平台尚无工程应用案例。本文以张紧式ICCP 系统在某卧式新建导管架的首次工程应用为背景，对系统陆地安装、导管架运输及海上就位等方案展开研究，为后续新建导管架张紧式ICCP 系统的设计与安装提供参考。

1 系统概况

卧式新建导管架为8 腿12 裙桩结构，服役水深为88.3 m，设计寿命为20 a。导管架采用“牺牲阳极（初期2 a 临时保护）+张紧式外加电流”联合阴极保护方案。张紧式ICCP 复合缆布置于导管架内部，通过对牺牲阳极与张紧式ICCP 共存工况、牺牲阳极耗尽仅剩张紧式ICCP 工况进行设计校核，导管架的水下结构保护电位分布在-1 100～-800 mV（相对于Ag/AgCl[SW]参比电极），满足阴极保护设计指标，导管架处于良好的阴极保护状态。张紧式ICCP 系统的构成如图1 所示，包括多路控制器（含测控软件）、张拉装置、复合缆-电极系统等，各设备的分布位置及具体功能见表1。

图1 张紧式外加电流阴极保护系统Fig.1 Tensioned impressed current cathodic protection system

2 卧式新建导管架张紧式ICCP 系统安装方案

相比于在役深水导管架与新建浅水导管架，卧式新建导管架基础结构更复杂、尺寸更大，导管架在建造、运输阶段均处于卧式姿态，普遍采用滑移或吊装的下水方式。如何将长度达百米甚至几百米的复合缆-电极系统贯穿导管架首尾安装到导管架内部，并确保其在运输及下水过程中的安全可靠性，是卧式新建导管架应用张紧式ICCP 系统亟待解决的首要问题。

卧式新建导管架张紧式ICCP 系统面临诸多挑战，集中体现为复合缆-电极系统的安装：复合缆-电极系统长度近百米，且导管架内部结构复杂，如何在导管架内部将其贯穿首尾安装；复合缆-电极系统安装过程需要大量的高空作业；复合缆-电极系统长度较长，自重较大，自身在大跨度下具有较大的挠度，会产生与导管架内部结构干涉的风险。

为实现张紧式ICCP 复合缆-电极系统在导管架卧式建造阶段的安全可靠安装，设计采用滑索牵引安装方法[25]，利用钢丝绳作为复合电缆安装就位的引导滑索，将复合电缆通过吊装索具间隔悬挂在钢丝绳滑索上，再采用绞车牵引钢丝绳滑索就位。悬吊部分包括用于导向及悬挂复合电缆的钢丝绳滑索、锚点、导向滑轮及地面绞车；牵引部分包括用于牵引复合电缆就位的导向滑轮、钢丝绳滑索及牵引绞车。安装步骤如图2 所示，主要包括：复合缆滚筒、绞车等就位；“滑索钢丝绳”纵穿导管架结构内部，并保持适宜张紧力，作为复合缆悬挂前行的滑索；将复合缆固定在钢丝绳滑索上，绞车通过牵引“钢丝绳滑索”进而带动复合缆前进，复合缆滚筒同步释放复合缆，间隔悬挂吊装索具，直至复合缆上端到达导管架最上层结构，锁紧复合缆首尾两端；复合缆张紧至设计的临时张紧力；拆除辅助装具。该方法不仅能够安全、精确地将复合缆-电极系统安装在导管架内部的特定位置，同时可以通过向钢丝绳滑索施加预紧力，以尽可能地降低复合缆-电极系统横向大跨度安装产生的挠度，使其能够在安装过程中避免与导管架结构产生干涉，尤其适用于卧式建造导管架，适用性强，安装简便，施工风险低。

图2 复合缆-电极系统安装Fig.2 Installation of the composite cable-electrode system

3 复合缆-电极系统海上安装期的自存工况校核

在导管架海上安装阶段，复合缆-电极系统可能会受运输、滑移下水冲击、打桩振动等影响，因此对复合缆-电极系统的自存性进行校核尤为重要，进一步优化复合缆-电极系统的设计和陆地安装方案，以提高张紧式ICCP 系统自存工况下的安全性。

3.1 复合缆运输过程中挠度校核

在导管架运输及下水过程中，复合缆-电极系统呈横向倾斜张拉状态，因其自重会产生挠度。若所产生的挠度大于其与导管架杆件的最近距离，复合缆-电极系统则可能会在运输及下水过程中与导管架杆件发生碰撞，并对复合缆和辅助阳极产生损坏。为了防止上述情况发生，在考虑复合缆摆幅大小的前提下，计算复合缆-电极系统安装就位后应施加的最小预紧力，以有效控制复合缆-电极系统的自身挠度。

钢丝绳挠度计算公式：

式中：fs为挠度；q为每米绳索的质量；g为重力加速度；x为绳端与下垂点之间的距离；S为绳索的拉力；β为绳索倾斜角度。

计算导管架运输过程中复合缆-电极系统在10～50 kN 预张紧力下的挠度，并将其与导管架最近距离进行比较。导管架运输过程中，复合缆-电极系统在不同预紧力下的挠度曲线如图3 所示。由图3 可知，复合缆-电极系统至少需要施加30 kN 的预紧力，才能使其最大挠度小于其与导管架的最近距离。为避免钢丝绳松弛导致预张力衰减，设计张紧力裕量为10 kN，进而确定复合缆-电极系统安装后需施加40 kN 的预紧力。

图3 导管架运输过程中复合缆-电极系统在不同预紧力下的挠度曲线及其与导管架的最小距离Fig.3 Deflection curve of the composite cable-electrode system under different preload forces during jacket transportation and its minimum distance from the jacket

3.2 滑移下水冲击对复合缆-电极系统的影响分析

该新建导管架采用滑移下水方式，下水冲击载荷作用于复合缆及集成在复合缆上的辅助阳极组件，将产生以下影响：张紧于导管架内部的复合缆由于侧向载荷作用发生偏移，存在碰撞导管架结构杆件的风险；复合缆有效张力增大，有破断风险；辅助阳极组件有强度不足的风险。为确保导管架下水期间系统的安全性，需对以上情况进行校核。

1）滑移下水对复合缆的冲击作用分析。取导管架下水全过程出现的最大下水速度7.09 m/s 为校核工况，计算不同预紧力下，复合缆-电极系统受海水冲击时，相对于复合缆各水深处理论位置的最大变形量。导管架下水过程中，复合缆受海水冲击时，各预紧力下相对于复合缆各水深处理论位置的变形最大值如图4 所示，有效张力的最大值如图5 所示。

图4 导管架下水过程中复合缆受海水冲击时相对于复合缆各水深处的变形最大值Fig.4 Maximum deformation of the composite cable relative to the theoretical position at each seawater depth under the impact by seawater when jacket is launched into seawater

图5 导管架下水过程中复合缆受海水冲击时相对于复合缆各水深处有效张力的最大值Fig.5 Maximum effective tension of the composite cable relative to each seawater depth of the composite cable under the impact by seawater when jacket is launched into seawater

由图4 与图5 可知，导管架下水全过程中，复合缆-电极系统所产生的位移不会导致其与导管架发生干涉，冲击载荷不会导致复合缆破断，具有足够的安全裕量。

2）滑移下水对辅助阳极组件的冲击作用分析。为保证安全系数，校核辅助阳极在海水拍击载荷下的结构强度，施加的载荷值为实际拍击载荷值的2 倍。钛壳正背面迎水时应力云图如图6 所示。辅助阳极正面迎水时，最大应力为89.2 MPa；辅助阳极背面迎水时，最大应力为2.1 MPa，均远小于辅助阳极的屈服强度373 MPa。因此，当导管架下水速度为7.09 m/s时，导管架下水全过程中，辅助阳极强度满足需求，不会受下水冲击影响而产生破坏。

图6 辅助阳极封装外壳正背面迎水时的应力云图Fig.6 Stress cloud of the front (a) and back (b) of the auxiliary anode package housing when facing water

3.3 打桩振动对复合缆-电极系统的影响分析

打桩振动是一种脉冲衰减的瞬间锤击强迫振动，振动波向四周辐射，形成了振动影响场。下面分析导管架打桩振动对复合缆的影响。钢桩质量为 4.33×105kg，桩锤在空气中的质量为2.03×105kg，在水中的质量为1.693×105kg，水下压载质量为3.7×104kg，锤长18.9 m，最大冲击能量为1 200 kJ，最小冲击能量为120 kJ，打桩频率为10～120 次/min。根据能量冲击（，E为能量，m为物体质量）和冲击力（Ft=Δmv，F为平均冲击作用力，t为作用时间）公式，当复合缆预张力为 40 kN，钢桩直径为2 134 mm，长度为125 m，质量为4 334.33×105kg，最高打桩频率为120 次/min 时，打桩冲击力垂直向下作用于导管架主桩裙桩套筒内侧。以打入第四根主桩为例，其有限元分析结果如图7 所示。经计算，导管架结构总体应力分布良好，最大计算应力与许用应力比小于1，因此导管架结构和复合缆顶部及底部连接结构强度能够满足打桩工况设计要求。打桩振动对复合缆的影响也非常小，不会对复合缆产生破坏。

图7 打入第四根主桩时导管架振动有限元分析最大有效应力云图Fig.7 Maximum effective stress cloud of jacket vibration finite element analysis when the fourth main pile is driven

4 结论

1）本文建立了卧式新建导管架张紧式ICCP 复合缆-电极系统的安装工艺。通过滑索牵引的方式，实现了复合缆-电极系统贯穿导管架内部的精确安装。

2）明确了复合缆预紧力、ICCP 系统组件强度校核方法，并以某卧式新建导管架为工程案例进行了验证。

3）本文所述安装工艺及相关计算校核，可保障复合缆-电极系统在卧式新建导管架上的安装顺利实施，为张紧式ICCP 系统在同类卧式新建导管架项目中的应用提供参考。