導管架陰極保護及監測系統設計

河南匯龍合金材料有限公司

技術部：劉珍

編制：2018年8月

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導管架陰極保護及監測系統設計

錢思成，張有慧，張國慶，陸長山

（海洋石油工程股份有限公司，天汴塘沽300451）

摘要

依據2005年版DNV-RP-B401陰極保護設計標準，詳細介紹了悔洋工程領域導管架犧牲陽極陰極保護的設計

過程和計算方法，同時也對犧牲陽極的建造.安裝和檢驗做了簡要的介紹.介紹的導管架犧牲陽極陰極保護設計，

主要參考的是渤海地區的相關數據，犧牲陽極為現階段海洋工程領域常用的鋁基陽極，根據初期、平均’末期導

管架需要的保護電流及鋁基陽極的電容量和電位來進行陽極數量的計算，然后對初期.平均.末期三個階段分別需

耍的陽極數量進行考察，取其中較為合理的一個陽極數量.陰極保批監測系統主要是依靠導管架不同位置的參比

電極來對電位和陽極發生電流進行測量，通過實測電位和電流隨時間的變化關系，來進一步考察陰極保護的效果.

所采用的陰極保護監測系統數據為文昌項目的實測數據.

關鍵詞：導管架陰極保護：DNV.RP-B401；犧牲陽極；監測系統

0前言

石油是目前世界上最重要的能源之一，隨著海上油氣田開發與生產的迅猛發展，海洋鋼結構物的重

要性也日益凸現出來。海洋油氣田的開發與生產離不開采油平臺和平臺的支撐體一導管架，而海洋是一

個嚴酷的腐蝕環境，以鋼鐵為主要結構的導管架隨時都面臨著腐蝕的危害，從而直接影響到海洋采油平

臺的使用壽命和安全。

金屬在海水中的腐蝕屬丁?電化學腐蝕，海水作為侵蝕性介質，其特征是含有大量以氯化鈉為主的易

離解鹽類，因而具有很高的導電性。采取電化學保護的方法可以有效地減緩和防止鋼結構在海水中的腐

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獨。電化學保護分為陰極保護和陽極保護，在海水和海泥中通常采用陰極保護。陰極保護是在金屬表面

上通入足夠的陰極電流，使金屬電位變負，這種保護方法又分為犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。

前者是靠電位較負的金屬的溶解來提供保護所需的電流，在保護的過程中，這種電位較負的金屬為陽極，

逐漸溶解犧牲掉，所以稱為犧牲陽極保護，該方法為一次性投入，一般不需要后期維護。而后者則靠外

部的直流電源來提供保護所需的電流，為了使電流能夠流通，還需要輔助陽極，輔助陽極通常為惰性陽

極，采用該方法需要增加電源裝置，占用一定空間，同時后期的維護和修理費用較高，因此外加電流陰

極保護法在國內外應用于導管架的實例不多，目前導管架陰極保護主要采用犧牲陽極的方法。

1設計基礎

1.1設計環境參數和工藝參數

設計環境參數主要指海水溫度、海水鹽度、pH值、海水/海泥電阻率、氧化還原電位：設計工藝參

數主要包括導管架陰極保護部位的長度、管徑、陽極類型、陰極保護極化電位和需要的電流密度等。1.2

導管架表面積的計算

導管架表面積的計算包括主體結構和附屬物，主要分為飛濺區、全浸區和海泥區三大保護區域，分

別計算出各個區域下的導管架樁腿、斜拉筋、護套管和平面結構的表面積。

2設計過程

導管架陰極保護設計的最終結果是得到合理的陽極重量和陽極塊數。

2.1根據初期需要的保護電流確定的陽極塊數

首先須根據DNV-RP-B401（附錄A）選取，確定需要的保護電流密度，該電流密度與水深和溫度

有關，通常渤海地區推薦的保井電流密度如表1所列。

表1陰極保護所需電流密度

八“電流密度/mA?nf2平均婦

區域

初期id末期

飛濺區1。3040

全浸區1207090

海泥區202020

井口2A2A2A

分別計算出各個不同區域被保護的導管架表面積，根據推薦電流密度計算出需要的初期保護電流婦

為：

[d=AcXid（1）

式中Ac為導管架保護面積（n?）,婦為初期需要的保護電流密度（A/n?）。

必須分別計算出飛濺區、全浸區和海泥區初期所需的保護電流，然后再相加得到初期需要的總的保

護電流心。

初期陽極輸出電流琮為:

式中松〃。加為單個陽極重量，可以由鋁陽極的尺寸和密度〃得到:

J=P?*x[Ui+A）/2]x|（4+B）xHZ2-xxD2/4j/IO

式中功“ode為陽極密度，2730kg/m3,Z,為陽極上底長度（mm）,3為陽極下底長度（mm）

4為陽極上底寬度（mm）,5為陽極下底寬度（mm）,H為陽極高度（mm）,D為陽極芯直徑

（mm）.

通常導管架陰極保護采用的鋁陽極形狀如圖I所示。

圖1陽極圖

2.3根據末期保護電流確定的陽極塊數

滿足末期保護電流所需要的陽極塊數所為:

式中，婦=4X力XsTADRaf。

w為導管架末期需要的保護電流，由末期設計電流密度婦決定；婦為末期陽極輸出電流，由末期陽

極電阻犬寸決定.AE為設計驅動電位.

=px[Ln(8x￡z/D/)-1]/(2x3.14x￡j

式中R4?為末期陽極電阻（Q）邛為海水電阻率（Q?cm）,0為末期陽極長度（cm），勻為末期陽極芯

直徑（cm）?

LAL-().IxvxL(A+A)/2

Dj=x(1-wJ版x0.25xLXV))+￡)2

式中臉"ode為單個陽極重量（kg）,2＞她為鋁陽極密度（kg/n?）一為初期陽極芯直徑（dm），/?為初

期陽極長度（如），”為陽極利用系數.

最終可計算得出滿足末期保護電流需要的陽極塊數場.

考察上述三種因素確定的陽極塊數和單個陽極重量，取其中最合適的一種陽極.

2.4陽極的檢驗

陽極的檢驗主要包括對陽極質量、尺寸、物理性能、化學紐成和電化學性能等的檢驗.

陽極的質量和尺寸應滿足設計時的數據，允許的公差如表2所列.

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表2陽極重屆和尺寸允許公差

單個陽極質量陽極總質量陽極長度陽極寬度陽極高度

+3%~-3%+2%旬％(+/-)25mm(+/-)5%(+/-)10%

對陽極物理學性能的檢驗主要指在陽極的鑄造加工過程中應盡量避免外在的缺陷、裂紋，在陽極熔

煉過程中嵌在陽極表面的雜質不能超過陽極總表面積的1%；對于細長陽極不允許有縱向裂紋出現；橫向裂

紋寬度不應超過Smm,且不允許在兩個平面交界處出現.

陽極化學組成的檢驗是利用特定的光譜分析儀，對每個陽極熔爐中的典型樣品進行分析，開始鑄造

和瘠煉后期均需檢裝。

陽極的電化學性能應滿足要求：陽極電容量22500A.hr/kg；開路電位1.10V(Ag/Ag。)：閉路電位

I.O5V(Ag/AgCl).

2.5導管架上陽極的安裝布置

確定了滿足導管架陰極保護所需要的陽極數量之后，需要進行陽極的安裝布置設計，具體的原則是：

①陽極的安裝應盡量保證均勻分布：②陽極應焊接在導管架內伸I,防止導管架浮拖下水時將陽極損壞：③

陽極?定要處于飛濺區以"不能暴露在空氣中：④陽極應安裝在導管架保護面積集中的部位：⑤在后續

的涂敷涂層作業過程中，已安裝好的陽極必須被很好的保護起來以保證陽極表面干凈清潔.

圖2為導管架立面和平面的陽極布置圖.

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歸］匚

V7”in

圖2陽極布置圖

3導管架陰極保護監測系統設計

3.1陰極保護監測系統的原理

陰極保護監測系統的設計目的是為了對陰極保護的效率進行實時監控與測量，通常監測系統的傳感

器安裝在那些不容易對陰極保護的效果進行檢測的部位，根據實際需要設定程序，對陰極保護系統

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進行定時監測。

陰極保護監測系統的原理是通過測量被保護鋼結構即陰極的電位，考察其是否處于腐蝕電位以下，

進而來評價陰極保護的保護效果，對于犧牲陽極陰極保護來說，同時還測量陽極電位和陽極發生電流，進

一步考察犧牲陽極的使用效率。

3.2監測裝置

監測裝置由水下部分和水上部分組成，水上部分主要包括臨時性室外數據采貯器和永久性室內陰極

保護監測儀：水下部分主要包括參比電極、被監測陽極、電流探頭和連接電纜。監測內容包括陰極電位、

陽極電位和陽極發生電流。

3.3參比電極及被監測陽極

參比電極應采用全固態銀/鹵化銀(海水)固溶體電極與高純鋅電極的復合參比電極，相對于飽和甘汞

電極，其電極電位￡計算公式為：

E=Eg+0.22八(7-25)(12)

式中E為電極電位，mV；旦5為25c時的電極電位，mV；,為海水溫度，

25C時的電極電位場5與海水鹽度S(%。)的關系為：

E25=79.6-53.4xLog(S)(13)

高純鋅電極的化學組成如表3所列。

表3高純鋅電極的化學組成

鋁鎘鐵銅鉛鋅

<0.005%<0.003%<0.0014%氽里

<0,002%<0.003%

相同條件卜.，各參比電極的電位值應當一致且在海水中應長期穩定。參比電極的工作表面應具有很

好的耐腐蝕性和防污損性，保證在設計壽命期間正常工作。被監測陽極應由陰極保護所用陽極加工改造而

成，其電化學性能應與其他陽極的電化學性能一致。

參比電極及被監測陽極的數量應依據導管架的大小來確定，數量及分布應能正確、全面地反映導管

架的保護情況。參比電極的布置應能客觀反映導管架的保護狀況，選擇導管架不同平面和立面、不同構件

及不同屏蔽情況的部位，同時還應與被監測陽極的布置適當配合以取得全面、系統的數據：被監測陽極的

布置應能客觀反映陽極的工作狀況，應具有代表性。根據導管架所處海域的水深，參比電極及被監測陽極

的數量可參考表4.

表4參比電極及被監測陽極數量

水深/m參比電極/個被監測陽極/人

<308*-124*6

34?0122648

>80>16>8

3.4監測系統的安裝

監測系統的施工應在技術人員的指導下嚴格按照設計圖紙及規格書進行，安裝結束后，應根據實際

施工情況繪制完工圖，完工圖應反映出實際安裝情況與設計之間的任何變更。

應將銀/鹵化銀（海水）電極與高純鋅電極組合成一個整體作參比電極，參比電極與所有部件的結合處

均應采取密封措施。被監測陽極應焊接在導管架上，并應采取有效措施防止在焊接安裝過程中對絕緣系統

及電纜造成損壞。

3.5監測記錄及數據處理

利用陰極保護監測系統可以實時得到被保護部位電位及陽極發生電流值，同時根據監測系統測到的

被保護部位電位和陽極發生電流，經過數據處理可以得到不同時間情況下電位和電流的變化曲線，

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如圖3、圖4所示。

AGX1檢測到的電位值

圖3導管架電位隨時間的變化曲線

H檢測到的電流值

圖4陽極發生電治防時間的變化曲線

由圖可見，被保護結構電位從剛下水時的-700mV經過IS天降到-800mV,又經過大約20天降到-

900mV并趨于穩定，處于腐蝕電位之下，因此犧牲陽極陰極保護具有很好的保護效果；導管架剛下水時

陽極發生電流很高，達到10-11A,60天后基本穩定在162A.這主要是由于陰陽極的極化作用導致電位差

減小，即驅動電壓減小，從而導致陽極發生電流減小.同時造成陽極發生電流減小還因為在陰極區域形成

鈣鎂等碳酸鹽覆蓋在被保護鋼結構匕形成了一層保護膜，從而需要的保護電流減小.由圖還可見對手導

管架電位和陽極發生電流下水初期存在一個突然的波動，然后又繼續平穩減小，這主要是由于導管架下水

之后安裝過程的影響造成的.

4結論和建議

(1)根據導管架陰極保護系統設計過程，得出了三個陽極塊數：根據初期需要的保護電流確定的陽

極塊數：根據設計壽命得到的陽極塊數：根據末期需要保護電流得到的陽極塊數。且應滿足如下條件：

①根據初期需要保護電流確定的陽極塊數：N.I也ci

②根據設計壽命得到的陽極塊數；N/WnxetilcmxT^g

③根據末期需要保護電流確定的陽極塊數：N產臉cf

(2)因導管架和海管的陰極保護都是獨立設計的，所以要保證絕緣法蘭的絕緣效果，以避免絕緣墊片

失效。同時還要盡量避免陽極發生電流向外界流失，增加陽極的消耗。

(3)陽極的安裝布置應結合現場實際情況酌情處理，應盡量保證均勻分布在導管架保護面積集中的

區域。

(4)根據監測數據分析，可以了解到犧牲陽極的發出電流先高后低，由此可以考慮采用復合犧牲陽極

或其他形式陽極來達到陰極保護系統優化的目的以減少陰極保護系統的投入成本。

參考文獻：

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[2]NACERPO176(2003),CorrosionControlofSteelFixedOffshoreStructuresAssociatedwithPetroleumProductionfS].

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ES].

DesignofCathodicProtectionandMonitoringSystemsonJacket

QIANSi-cheng?ZHANGYou-hui,ZHANGGuo-qing,LUChang-shan

(ChinaOffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Abstract

Basedonthe2005editionofDNV-RP-B40Icathodicprotectiondesignstandars,thedesignprocessand

calculationmethodsofjacketsacrificialanodecathodicprotectioninmarineengineeringfieldareintroduced

indetail,aswellasabriefintroductionofthesacrificialanode'sconstruction,installationandtestingisgiven.

Thejackedsacrificialanodecathodicprotectiondesignmainlyrefersto(herelevantd