海洋石油鉆采平臺投資巨大，服役環(huán)境要求其必須承受颶風、極地風暴、潮流、地震以及浮冰的沖擊。隨著平臺服役的海域越來越深，體積越來越龐大，結(jié)構(gòu)越來越復雜，投資也越來越高。為了使油氣開采變得更加經(jīng)濟，給作業(yè)人員提供更加安全的生活和工作保障，避免因為腐蝕引起的平臺坍塌損毀帶來的巨大經(jīng)濟損失和海洋環(huán)境污染災難，海洋平臺的水下結(jié)構(gòu)均采取了腐蝕控制措施。海洋平臺的水下結(jié)構(gòu)需要采取哪些措施進行防護？記者特別邀請到了鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所張偉博士做相關方面的精彩解讀。

張偉博士

    記者：國內(nèi)外海洋石油鉆采平臺都采取了哪些腐蝕防護技術，選擇的依據(jù)是什么？

    張博士：海洋平臺的水下鋼結(jié)構(gòu)陰極保護腐蝕控制技術包括犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極法是將還原性較強的金屬作為陽極，與陰極被保護金屬構(gòu)成腐蝕電池，陽極溶解消耗保護陰極。外加電流法是通過直流電源和輔助陽極，使保護電流流向被保護體從而達到保護。早在上世紀70 年代，我們國家就開展過平臺外加電流保護工程試驗，但多數(shù)系統(tǒng)數(shù)年內(nèi)失效。原因是外加電流系統(tǒng)關鍵組件非常多，由于缺乏統(tǒng)一的標準，組件的生產(chǎn)、加工、組裝和檢驗受人為影響因素大，系統(tǒng)故障點也就多，可靠性差，后期的維護維修工作量大，費用高。

    相較于外加電流，犧牲陽極陸地一次性安裝，無需后期維護，工藝可復制性強，設計和工程應用歷史久，工程經(jīng)驗豐富，標準和規(guī)范完善，很好地滿足了復雜海洋環(huán)境下的腐蝕防護需求，因此，該技術被廣泛應用于各類海洋石油鉆采平臺的水下結(jié)構(gòu)腐蝕控制。

    海洋石油平臺從結(jié)構(gòu)可分為固定式平臺和移動式平臺。固定式主要包括導管架平臺、混凝土重力式平臺、深水順應塔式平臺。移動式主要包括坐底式、自升式、鉆井船、半潛式平臺、張力腿式平臺、牽索塔式平臺。固定式平臺由于其水下結(jié)構(gòu)長期浸沒在海水中，陰極保護系統(tǒng)維護維修相對困難，因此，普遍采用了犧牲陽極法進行保護。而移動式平臺，由于其工作方式多是“打一槍換一個地方”，經(jīng)常拖航作業(yè)，水下結(jié)構(gòu)常常浮出水面暴露于海洋大氣，且進塢維修保養(yǎng)較為方便易行，因此，多采用涂層加犧牲陽極聯(lián)合的方式進行防護。

    可移動的自升式鉆井平臺是國內(nèi)外應用最為廣泛的鉆井平臺，它的腐蝕控制應該說是一個特例，普遍采用了涂層加外加電流的方式。原因自升式鉆井平臺升降裝置多采用液壓插樁式和齒條/ 齒輪箱式結(jié)構(gòu)，樁腿與船體間隙狹小，犧牲陽極安裝受到限制，須采取外加電流。

    記者：上面說到了新建平臺的腐蝕控制技術，對于在役平臺陰極保護系統(tǒng)會出現(xiàn)哪些問題，都是什么原因引起的？

    張博士：對于在役的平臺，以下幾個方面的原因容易導致局部或整體保護不足，出現(xiàn)欠保護的情況：（1）陽極脫落或失效。脫落的原因有多種，比如打樁震動、漁網(wǎng)拖掛、海流沖擊、較強的暴風潮都能引起犧牲陽極的脫落。陽極失效主要是由于陽極本身質(zhì)量問題導致電化學性能降低甚至無法工作，出現(xiàn)保護不足的情況。（2）陽極被快速消耗。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在深水平臺，比如某一水深的平臺結(jié)構(gòu)一直處于較強的海流流動沖刷狀態(tài)，該水深陽極被快速消耗，出現(xiàn)局部欠保護。（3）超期服役，咱們國家從上世紀80 年代開始自主設計建造各類海洋石油平臺，隨著服役年限延長，越來越多的平臺已經(jīng)超出了當初陰極保護設計的使用年限，其犧牲陽極已經(jīng)消耗殆盡，出現(xiàn)了保護不足的問題。對于第三種欠保護情況，如果該平臺水下油氣依然充足，需其繼續(xù)服役，而再造一座新的石油平臺投資巨大，因此，采取措施對其進行延壽修復就顯得十分經(jīng)濟且必要。

    記者：通過什么方式對在役平臺的陰極保護系統(tǒng)進行檢測和評估呢？

    張博士：水下結(jié)構(gòu)保護狀態(tài)日常監(jiān)測靠的是安裝在其表面典型代表區(qū)域的電位探頭、電流探頭來實現(xiàn)的，就是常說的陰極保護監(jiān)檢測系統(tǒng)，CPMS。但是，探頭數(shù)量很有限，只能代表某些區(qū)域的保護信息，對于如焊縫、裂紋、剩余壁厚等對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重大影響的潛在“病灶”，必須依靠潛水員或水下機器人，簡稱ROV，攜帶專業(yè)檢測工具進行水下現(xiàn)場檢測。

    對于海洋石油鉆采平臺，國內(nèi)外均規(guī)定了強制例行檢查的期限和頻次。通常來說，服役10 年內(nèi)的平臺，每5 年強制檢測一次，接近服役年限時，頻率提高到每2 年一次，甚至每年一次，以便及時掌握平臺的“健康”狀況，及時采取必要的修復措施，避免發(fā)生危險。

    潛水員和ROV 水下現(xiàn)場檢測主要是陽極消耗情況、保護電位情況和其他必要的附屬檢測。陽極檢測主要是收集不同深度剩余陽極數(shù)量、分布及其尺寸等信息，進而估算剩余壽命和修復電流需求。保護電位檢測主要用于分析當前保護狀態(tài)及分布情況。

    其他附屬檢測目的是為修復方案的實施提供足夠的技術支撐，比如水下補裝犧牲陽極，結(jié)構(gòu)是否容易接近，水下補裝犧牲陽極時焊接點的選擇等。如果采用外加電流修復，陽極安裝位置，是否有足夠的空間，空間范圍的障礙物等等。

    記者：如果檢測到平臺局部或整體結(jié)構(gòu)處于欠保護狀態(tài)，該怎樣進行延壽修復，采取哪些修復措施，如何制定修復方案呢？

    張博士：一般情況下，如果平臺處于淺海海域，需要修復的面積較小，或者欠保護區(qū)域結(jié)構(gòu)復雜且屏蔽嚴重，這種情況多采用犧牲陽極修復。反之，對于大型深水平臺，延壽修復面積較大，則采用外加電流技術就行的比較經(jīng)濟。

    根據(jù)安裝方式的不同，可將犧牲陽極修復方式大致分為三種，單體焊接式、卡箍式和支架式。單體焊接式就是對需要修復的陽極逐一更換或補裝。優(yōu)點是安裝位置可控，可實現(xiàn)精確修復。缺點是需要水下焊接，超出一定水深，需要飽和潛水或者ROV，水下濕法焊接難度大，施工周期長，費用隨水深大幅度增加。

    卡箍式犧牲陽極是指多支陽極通過螺栓或澆鑄方法制作成半圓形卡箍，兩個卡箍組成一個手鐲式陽極固定到保護體上，通過電纜將卡箍陽極與被保護結(jié)構(gòu)連接。優(yōu)點是規(guī)避了水下濕法焊接高昂的工程費用，但是需要牽引電纜到水面上焊接，電纜固定困難且易損壞，可靠性低。

    支架式犧牲陽極是將多支陽極安裝到金屬支架上放置于海底，用電纜將陽極電連接到被保護。這種形式適合平臺底部泥線附近區(qū)域或者海底管道的修復。相較于單支陽極和卡箍式陽極，單體發(fā)生電流大，保護面積顯著增加。但僅限于泥線區(qū)結(jié)構(gòu)的修復。

    根據(jù)輔助陽極的結(jié)構(gòu)和安裝方式可將外加電流延壽修復技術大致分為固定式、拉伸式和遠地式三種形式。固定式是將輔助陽極通過絕緣支架固定到鋼結(jié)構(gòu)上。優(yōu)點是陽極距離被保護體近，漏電少，保護效率高，節(jié)能。缺點是輔助陽極貼近被保護體處易出現(xiàn)過保護，發(fā)生電流不能過大，不能有效發(fā)揮外加電流排流量大的優(yōu)勢。對于修復面積較大結(jié)構(gòu)，需安裝多支輔助陽極、陽極支架、電纜和電纜護管，工作量大，故障點多，系統(tǒng)損壞維護維修費用高。

    拉伸式系統(tǒng)是將串聯(lián)有陽極體的電纜固定到一根起支撐作用的鋼纜上，鋼纜的下端固定在海底，上端固定到平臺水上支撐。通過不同水深的陽極體將保護電流施加到平臺水下結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)腐蝕控制。國外著名拉伸陽極有DENORA的LIDAR 系統(tǒng)和Galvotec CorrosionServices, LLC 的VTAR 系統(tǒng)，已有近20年的工程經(jīng)驗，服役水深達到200 米。目前，國內(nèi)僅在渤海灣的自升式鉆井平臺獲得應用，我們單位針對自升式平臺開發(fā)的拉伸式系統(tǒng)已經(jīng)應用到了包括海洋石油281 在內(nèi)的多座自升式平臺，服役水深超過40m，發(fā)生電流達100A 以上。

    拉伸式系統(tǒng)優(yōu)勢在于：可水上安裝、維修與更換，成本低；可在內(nèi)部、外側(cè)安裝，選擇性大；保護均勻。局限性：系統(tǒng)穿越大氣、飛濺、潮差多個區(qū)帶，易老化失效；易遭受颶風、浮冰、漁網(wǎng)拖掛而損壞。

    遠地式系統(tǒng)就是為了克服這一缺陷而設計的，該系統(tǒng)是將輔助陽極放置在導管架外側(cè)的海床上，實現(xiàn)對水下結(jié)構(gòu)的腐蝕控制。國外的工程應用也較為廣泛，比較著名的有DEEPWATER 公司的Retrobuoy 系統(tǒng)，該系統(tǒng)輔助陽極單元為浮式結(jié)構(gòu)，有效減弱了海流沖刷，同時避免了泥沙埋覆。

    在國內(nèi)，我們單位與海洋石油工程股份合作，針對南海200 米水深導管架平臺開發(fā)了單套發(fā)生電流600A 的遠地式系統(tǒng)，為了避免重物墜落和漁船脫網(wǎng)作業(yè)對輔助陽極的損壞，外部設計了脫網(wǎng)防護罩，目標是針對大型深水導管架平臺陰極保護系統(tǒng)的延壽修復。遠地式系統(tǒng)的優(yōu)點是：單套發(fā)生電流大，最大可達1000A；可用于在役和新建平臺；最大程度降低海流、浮冰、海上風暴等環(huán)境因素的破壞作用。其缺點是輔助陽極一旦損壞，維修成本極高，不具有可維護性。

    從以上介紹來看，在役平臺陰極保護修復產(chǎn)品種類多，選擇性大，基本滿足了目前平臺修復的需求。但是，不管是犧牲陽極還是外加電流，都有著自己優(yōu)點和缺陷。選擇修復方案時，應根據(jù)平臺水深、修復面積、修復部位、海水環(huán)境等特征條件，從技術和經(jīng)濟方面綜合考慮。

    記者：上面介紹了新建和在役海洋石油平臺陰極保護技術和延壽修復技術現(xiàn)狀，請您結(jié)合多年從事海洋構(gòu)筑物陰極保護產(chǎn)品研發(fā)和工程應用經(jīng)驗，談談對海洋工程裝備，尤其是海洋石油平臺陰極保護技術的發(fā)展趨勢。

    張博士：對于這個問題，我想結(jié)合工程實際和技術現(xiàn)狀，從犧牲陽極和外加電流兩個方面談談自己一點認識。首先談談海洋工程復合陽極和新型陽極的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

    在海洋平臺陰極保護設計時，保護電流密度是重要參數(shù)，我們國家一般參照DNV 和NACE 標準，比如DNV 推薦初期保護電流密度150mA/m2，平均和末期分別為70 和100mA/m2，初期保護電流密度達到了平均保護電流密度的2 倍以上，為末期保護電流密度的1.5 倍。

    初期設計較大的保護電流密度目的有兩個：一是為了使被保護體快速極化到保護電位，縮短極化時間，降低欠保護期間的腐蝕風險；另一個是促使鋼結(jié)構(gòu)表面快速形成致密的鈣鎂沉積層，降低后期對保護電流的需求。

    為了滿足初期極化要求，初期設計了大量的犧牲陽極。初期極化時間一般小于1 年，相對于20 ～ 30 年的平臺壽命來說非常短，因此造成巨大的浪費。我曾有幸參與了曹妃甸一座廢棄被拆除的導管架平臺的調(diào)研，這座平臺日本設計建造，1995 年投產(chǎn)服役，設計壽命15 年，服役16 年后拆除，陽極剩余量約為原來的1/2。實際上，安裝在渤海灣海洋平臺CPMS 數(shù)據(jù)顯示，設計的平均保護電流密度70mA/m2，實際僅需35mA/m2 左右，造成很大浪費，這是一個世界性的難題。

    為海洋工程鋼結(jié)構(gòu)“量身定制”一種犧牲陽極是國內(nèi)外腐蝕工程師和科學家關注的焦點。目前，國內(nèi)外主要從兩個方面進行了探索，一個是復合犧牲陽極技術，另一個是新型犧牲陽極技術。

    復合犧牲陽極是在傳統(tǒng)鋁合金犧牲陽極的外表面澆鑄一層驅(qū)動電壓更高，電位更負的陽極材料，像鎂合金和高活性鋁合金等。初期利用高活性陽極發(fā)出較大保護電流快速極化，理想狀態(tài)是初期極化完成后，外層的高活性陽極消耗殆盡，此后，利用內(nèi)部的鋁陽極實現(xiàn)平均和末期保護電流需求。

    國外最早開發(fā)并工程應用的是鎂包鋁復合犧牲陽極，但是并未獲得推廣，原因是（1）鎂陽極電位-1.4 ～ -1.6V，易出現(xiàn)過度保護。（2）澆筑工藝繁瑣，費用高。后來，復合犧牲陽極的發(fā)展轉(zhuǎn)向鋁－鋁復合，盡管該技術解決了過保護問題，但同樣存在二次澆鑄，費用高的問題。

    新型陽極則是通過在傳統(tǒng)梯形陽極底部澆筑兩個薄薄的“翅膀”而制成的，與傳統(tǒng)陽極相同質(zhì)量的基礎上，新型陽極的表面積增加，初期發(fā)生電流增大，使鋼結(jié)構(gòu)快速極化。初期利用“邊緣效應”，使“翅膀”快速溶解，表面積降低，電流降低，最理想的結(jié)果是初期極化完成后，“翅膀”也完全消耗，剩余陽極發(fā)生電流滿足平均和末期較小的保護電流需要。

    該新型陽極是中國海洋石油總公司發(fā)明的，我們單位有幸參與了該陽極的優(yōu)化設計試驗研究。相較于常規(guī)陽極，新型陽極能更快將被保護體極化到保護電位區(qū)間，可節(jié)約陽極用量10 ～ 20%。目前，該陽極已經(jīng)批量生產(chǎn)并在多個導管架上開展了工程示范，應用前景相當樂觀。

    最后，我想談一談犧牲陽極與外加電流聯(lián)合技術。

    陽極的冶煉對資源和能源的消耗巨大，而且大量污染廢棄物的排放對空氣、水、土壤造成嚴重的生態(tài)污染和破壞。同時，犧牲陽極的溶解釋放大量的Al、Zn、In、Mg 及其他重金屬離子進入到海洋環(huán)境，也存在潛在海洋生態(tài)污染隱患。而外加電流屬于節(jié)約資源，生態(tài)友好型技術，如果電力供應可有其他風能、太陽能、核能等清潔能源替代，將更加環(huán)保。對于緩解我國快速發(fā)展與資源短缺、建設環(huán)境友好型社會與環(huán)境污染矛盾有著重要的現(xiàn)實意義。

    犧牲陽極 “耐力”好，“爆發(fā)力”弱；外加電流恰好是“爆發(fā)力”強，但 “耐力”差，如果將二者結(jié)合呢？平臺建造時，犧牲陽極只需滿足平均和末期保護電流即可，同時安裝外加電流系統(tǒng)。如此，平臺就位服役以后，開啟外加電流系統(tǒng)，通過較大的保護電流密度快速極化，形成致密的鈣質(zhì)沉積層。此后，關閉外加電流系統(tǒng)，測試平臺犧牲陽極是否可將結(jié)構(gòu)維持在保護電位。如此，反復多次，直到關閉外加電流系統(tǒng)后，平臺自身的犧牲陽極依然可以保護極化狀態(tài)。

    可喜的是，中海油研究總院已經(jīng)在南海的導管架平臺開展了外加電流與犧牲陽極聯(lián)合使用的工程示范研究工作，可以預期，如果操作得當，至少可以節(jié)約30% 以上的犧牲陽極用量。

    記者：張博士，請簡單介紹一下咱們單位在海洋平臺的陰極保護技術產(chǎn)品方面都開展了哪些方面的工作，還有下一步的打算。

    張博士：單位針對新建平臺和役平臺的水下結(jié)構(gòu)陰極保護及其延壽修復技術，開展了系列的研究開發(fā)和工程化應用工作。所有的技術產(chǎn)品開發(fā)，都是從實際的工程需要出發(fā)，落腳點在工程應用上。

    單位從2005 年開始針對自升式平臺開展外加電流產(chǎn)品開發(fā)與應用。早期的系統(tǒng)是樁靴式結(jié)構(gòu)，輔助陽極和參比電極安裝在平臺樁靴上，但維護和維修必須進塢才能完成，更適用于新建平臺。后來開發(fā)了拉伸式系統(tǒng)，輔助陽極固定在海床上，上部連接升降裝置，根據(jù)拖航、鉆井作業(yè)、輔助船舶停靠需要可自由將系統(tǒng)放下收回，方便系統(tǒng)檢測、維護和保養(yǎng)。截止目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用到了包括中油海5、6、7 和8 號和勝利4、5、7 和10 號在內(nèi)的近二十座自升式平臺，是國內(nèi)最專業(yè)的自升式平臺外加電流陰極保護設計和施工單位。

    作為與自升式平臺拉伸式系統(tǒng)的互補，結(jié)合渤海灣海洋環(huán)境條件，開發(fā)了針對固定式平臺和FPSO 陰極保護和延壽修復的地床式外加電流系統(tǒng)裝置。輔助陽極放置到海泥中，具備泥水分離，保證電流的有效輸出，避免了船舶航行、浮冰對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，該結(jié)構(gòu)尤其適用于淺灘平臺。目前已經(jīng)被應用到了多艘大型船舶和淺水平臺的腐蝕控制。

    受海洋工程股份有限公司委托，針對200m 水深大型深水導管架平臺開發(fā)了單座600A 的防脫網(wǎng)遠地式和單套750A 的拉伸式外加電流延壽修復系統(tǒng)裝置，特備強化了防臺風、海流和漁網(wǎng)拖掛設計，可以抵御50 年一遇的極端海洋天氣。在犧牲陽極修復技術方面，開發(fā)了支架式犧牲陽極堆和快速安裝卡箍，借助ROV 可以快速安裝到深海鋼結(jié)構(gòu)上。以上延壽修復技術產(chǎn)品不僅用于海洋石油鉆采平臺，同樣可用于包括海底管道、跨海大橋、鋼樁碼頭、海上風電、FPSO 在內(nèi)的多種海洋工程裝備水下結(jié)構(gòu)的腐蝕控制。

    為配合國家專項“973”《海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究》項目，國家材料環(huán)境腐蝕平臺聯(lián)合海洋石油工程股份有限公司、北京科技大學、青島海洋腐蝕研究所等單位，通過整合在役結(jié)構(gòu)物的陰極保護設計與運行參數(shù)，構(gòu)建了海洋平臺陰極保護數(shù)據(jù)庫，以期為我國陰極保護設計與施工單位、國家和行業(yè)標準起草單位提供技術參考和數(shù)據(jù)依據(jù)，為我國海洋工程結(jié)構(gòu)物全壽命期間的安全運行提供必要的支撐。

    后記：海洋石油平臺的腐蝕控制技術，除了提高產(chǎn)品可靠性外，還有很多基礎研究工作需要做，比如平臺腐蝕控制互聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測與預警系統(tǒng)，平臺陰極保護專家數(shù)據(jù)庫建設，構(gòu)建并完善有針對性的國家或行業(yè)標準等等。這些工作多是系統(tǒng)性強，多學科交叉，非單一腐蝕學科能解決，需要國內(nèi)外的腐蝕科學家與工程師打破傳統(tǒng)學科界限，與包括地球、信息、材料、海洋在內(nèi)的多學科專家協(xié)作融合，持續(xù)創(chuàng)新，才能有效解決問題。

    人物簡介

    張偉，鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所/ 青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，博士，高級工程師，中國材料研究學會青年委員會第七屆理事會理事，中國腐蝕與防護學會腐蝕電化學與測試方法專業(yè)委員會委員。主要從事海水環(huán)境涂層劣化和涂層下金屬腐蝕與防護機制研究，海洋工程結(jié)構(gòu)物陰極保護及其延壽修復技術研究，發(fā)表各類科技論文30 余篇，獲批專利20 余項。

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責任編輯：王元

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