海上平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)研究

海上平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)研究

1金屬設(shè)施利隨著我國(guó)海洋石油開發(fā)的快速發(fā)展，海洋結(jié)構(gòu)也越來越普遍。例如，海上勘探平臺(tái)、采井平臺(tái)、海床上管道、橋梁、碼頭、船舶等。這些設(shè)施大多由材料制成，尤其是由鋼鐵制成。而這些海洋構(gòu)筑物又處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中,因此,研究鋼鐵在海洋環(huán)境中的腐蝕規(guī)律及控制腐蝕的方法,對(duì)延長(zhǎng)海洋鋼制設(shè)施的使用壽命,保證海上鋼制結(jié)構(gòu)物的安全運(yùn)行,具有十分重要的意義。2海洋腐敗環(huán)境海洋構(gòu)筑物在海洋環(huán)境中,腐蝕環(huán)境可為分五類,各類的環(huán)境條件及腐蝕行為見表1。3海水的電解質(zhì)—海洋腐蝕類型及機(jī)理在海洋環(huán)境中的金屬構(gòu)件,腐蝕類型主要有均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、沖擊腐蝕、空泡腐蝕、電偶腐蝕、腐蝕疲勞等,其腐蝕機(jī)理主要是由電化學(xué)腐蝕引起的。海水中溶解有大量可以離解的鹽類,海水礦化度較高,使海水成為一種導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)溶液。其中含量最多的鹽類是氯化物,其次是硫酸鹽。而氯離子含量約占總離子數(shù)的55%,這就使海水對(duì)于大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)材料具有較高的腐蝕活性,不可能建立鈍態(tài)。即使對(duì)于含鉻高的合金鋼來說,在海水中形成鈍態(tài)也是很不穩(wěn)定的,能引起孔蝕。由于海面與空氣接觸的面積很大,又有海浪攪拌,強(qiáng)烈的自然對(duì)流,故海水的充氣良好,可以認(rèn)為海水的外層是被氧所飽和了的。海水是中性溶液,pH值為7.2~8.6,這就決定了大多數(shù)金屬的腐蝕在海水中屬于氧去極化腐蝕,即電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的陰極過程是以氧的還原進(jìn)行的,同時(shí),伴隨著金屬的氧化過程,即金屬的腐蝕。4支撐整個(gè)平臺(tái)海上平臺(tái)主要是由平臺(tái)主體、升降裝置兩大組成部分。其中,升降裝置由樁腿、樁靴和液壓升降系統(tǒng)組成。當(dāng)平臺(tái)在固定海域工作時(shí),樁腿則降至海底,支撐整個(gè)平臺(tái)主體,使平臺(tái)主體位于海面以上。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)時(shí),樁腿則升起并隨平臺(tái)主體一起移動(dòng)。這樣,整個(gè)樁腿分別處于海泥區(qū)、海水全浸區(qū)、潮差區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋大氣區(qū),其腐蝕因素較多,腐蝕環(huán)境非常惡劣,并且,樁腿對(duì)整個(gè)平臺(tái)起著支撐作用,其安全性、可靠性是至關(guān)重要,因此,必須對(duì)樁腿進(jìn)行有效的防腐措施。同時(shí),考慮到樁腿升降時(shí)與樁架之間的間隙較小,因此對(duì)其樁腿提出涂層與強(qiáng)制電流聯(lián)合保護(hù)的防腐設(shè)計(jì)方案。4.1設(shè)計(jì)方案4.1.1保護(hù)面積及電流>海水電阻率:25Ω·cm>海泥電阻率:100Ω·cm>保護(hù)電流密度:海水中50mA/㎡;海泥中30mA/㎡>保護(hù)年限:20a(1)保護(hù)面積(單樁)式中:D—支撐樁直徑,m。(2)保護(hù)電流量(單樁)式中:i—電流密度,mA/㎡S。(3)陽(yáng)極接水電阻式中:L—陽(yáng)極長(zhǎng)度,cm;d—陽(yáng)極直徑,cm。(4)選擇恒電位儀輸出電流:I0=50.2A,考慮20%余量,選擇輸出63A,考慮到后期隨防腐層破損設(shè)備輸出逐漸增大,選擇輸出100A。輸出電壓:U0=I0(0.12+0.3)=42(V),考慮20%余量,選擇輸出60V。4.1.3輔助陽(yáng)極的控制目前在強(qiáng)制電流陰極保護(hù)中廣泛采用可控硅恒電位儀。每根支撐樁單獨(dú)設(shè)一臺(tái)恒電位儀,實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制,單獨(dú)監(jiān)測(cè),另外備用2臺(tái),可以定期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。每臺(tái)恒電位儀控制4支不同高度的輔助陽(yáng)極,見圖1。在平臺(tái)支撐樁伸長(zhǎng)到海底并固定好后,方可用懸吊支架把陽(yáng)極緩緩放入海平面以下,且4支陽(yáng)極處于不同深度,使保護(hù)電流分布均勻。此時(shí)可以安裝通電點(diǎn),即陰極電纜與支撐樁相連接。4.1.4鈦陽(yáng)極dsa輔助陽(yáng)極是將保護(hù)電流從電源引出的導(dǎo)電體,要求該導(dǎo)電體的材料具有良好的導(dǎo)電性能,當(dāng)通過大電流時(shí)極化阻值小,陽(yáng)極溶解損耗也少,對(duì)介質(zhì)的接觸電阻穩(wěn)定,便于加工,經(jīng)濟(jì)性好。輔助陽(yáng)極的種類很多,但是適用于海水環(huán)境的并不多。常見的有鍍鉑鈦陽(yáng)極、鉑鈮復(fù)合陽(yáng)極、鉛銀合金陽(yáng)極、鈦/金屬氧化物陽(yáng)極。在此推薦使用釕鈦氧化物陽(yáng)極。釕鈦陽(yáng)極即在鈦基上涂有金屬氧化物的一種新型陽(yáng)極,屬于混合金屬氧化物陽(yáng)極(DSA)類。該陽(yáng)極排流能力大,消耗率十分低,價(jià)格比鍍鉑鈦陽(yáng)極低。釕鈦陽(yáng)極在含一定氯離子的介質(zhì)中,具有高的工作電流密度。在海水中,1000A/㎡的工作電流密度下,室溫至70℃溫度范圍,其極化電位不超過1.8V,0℃左右,其極化電位升高到2.8V左右。工程上長(zhǎng)期使用,電化學(xué)性能普遍穩(wěn)定,與鍍鉑鈦陽(yáng)極相比,性能相差無幾,而價(jià)格又便宜。在每根支撐樁周圍布置4支~8支釕鈦陽(yáng)極,均布置在水平面以下不同深度,按照海水深度均勻布置在支撐樁周圍,距離支撐樁距離不小于3m。陽(yáng)極通過導(dǎo)線固定在平臺(tái)底部,安裝一種特殊的懸吊支架,在支撐樁伸入海底并固定好后,將陽(yáng)極緩緩的放到指定位置,固定好陽(yáng)極和導(dǎo)線。4.3.5資金強(qiáng)度電極參比電極放置在通電點(diǎn)附近,海平面以下靠近支撐樁。為了減少IR降的影響,應(yīng)使參比電極盡可能地靠近支撐樁鋼結(jié)構(gòu)?？蛇x用Ag/AgCl電極和鋅電極。這兩種電極的性能見表2:4.3.6主養(yǎng)系統(tǒng)保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為了隨時(shí)監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,掌握陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)水下鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)是否有效,陽(yáng)極工作狀態(tài)是否正常,需要設(shè)置平臺(tái)陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于海上的特殊作業(yè)條件,不允許隨時(shí)進(jìn)行海下作業(yè),檢測(cè)保護(hù)電位,有必要通過監(jiān)測(cè)裝置來完成這一檢測(cè)工作。可在平臺(tái)水下鋼結(jié)構(gòu)不同水深的節(jié)點(diǎn)部位安裝Ag/AgCl和Zn雙電極電位測(cè)量探頭和犧牲陽(yáng)極輸出電流測(cè)量探頭,把水下電化學(xué)信號(hào)通過電纜傳送到平臺(tái)水上中心控制室的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可連續(xù)自動(dòng)顯示和定時(shí)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)結(jié)果,具有高度智能化和自動(dòng)化,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無人管理。5降低陰極保護(hù)費(fèi)用海上平臺(tái)的各組