李 剑,戴 忠,陈 渝

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452; 2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300452)



应用技术

海洋平台用新型翼型阳极设计

李 剑1,戴 忠2,陈 渝1

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452; 2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300452)

摘要：根据我国海洋钢结构阴极保护设计执行标准，通过具体实例计算和模拟试验对比研究了一种新型翼型阳极与传统形式阳极的阳极材料用量及电化学性能。结果表明:新型翼型阳极在满足初期保护所需电流密度需求及中、后期的阳极质量要求的同时,有效降低牺牲阳极材料的使用量,从而减少制造、运输和安装费用,降低成本,减少重金属污染。

关键词：海洋平台;阴极保护;翼型阳极;设计

目前我国海洋钢结构阴极保护设计执行DNV或NACE标准，阳极质量应当满足设计寿命期间维持电流所需的阳极总质量和初始电流密度的双重需求[1-2]。当两者不同时，为达到保护要求，取其大值，由此会造成阳极材料的浪费。本工作介绍了一种新型翼型阳极,通过提高阳极表面积与体积比值，即发生电流与阳极质量的比值，从而达到既满足初期所需保护电流密度的要求，又能满足中、后期的阳极质量要求，由此降低牺牲阳极材料的使用量，减少制造、运输、安装费用，减少结构的静、动负荷及重金属污染。

1阴极保护影响因素

对于海上构筑物全浸区部分的阴极保护，欲得到理想的保护效果，应使之充分极化。如阴极保护前期电流密度相对较高，会较快地促成石灰质垢层的形成，从而降低长期维持保护所需的电流密度[3]。实验室试验和实海试验表明，钢在海水中阴极极化时，电位快速极化至-0.9~-1.0 V(vs.Ag/AgCl,下同),比极化较慢或极化电位不够负情况下所产生的石灰质垢层更加致密,更具保护性。为获得理想保护效果需要较大初期电流密度，在此情况下电流密度随着石灰质垢层的形成而快速(成10倍)降低[4-5]。

除海水流速外,电流密度主要取决于水温。对深水构筑物，不同温度区域宜采用不同的设计值，为了优化设计，根据温度变化间隔不超过5 ℃将构筑物划分为不同的区域，由每个区域的平均温度和电阻率来确定所需要的电流密度。

表1为我国渤海和南海主要海上石油生产区内的阴极保护设计推荐参数。

表1　阴极保护设计推荐参数

2常规阳极设计[7]

2.1阳极电流理论

初期电流密度根据欧姆定律和电阻公式，由阳极原始尺寸根据Dwight′s或Crennell′s(Mccoy′s)电阻公式计算。平均电流密度用来计算在整个设计寿命期间维持电流所需的阳极总质量。末期电流密度的计算除了使用消耗后的阳极尺寸外，与初期电流密度计算方法相似。

根据Dwight修正公式，圆柱形阳极与所处电解质间的接水电阻用下式计算[8]：

(1)

式中:R为阳极与电解质间的电阻，Ω；ρ为电解质电阻率，Ω·cm(见表1)；L为阳极长度，cm；K为与长度单位有关的系数,取0.500/π或0.159;r为阳极半径，cm,如果截面不是圆形，其等效半径为：

(2)

式中:C为阳极截面周长。

阳极发生电流可由欧姆定律来确定：

(3)

式中:E为阴极保护状态下牺牲阳极工作电位与被保护构筑物阴极极化电位之差，即驱动电压。

因此，只要阳极的截面周长不变，则初期接水电阻R不变，进而阳极初期发生电流不变。

2.2常规阳极设计计算

以渤海油田导管架的常规阳极计算为例，所需的牺牲阳极数量必须满足初期、维持期和后期保护电流密度三种不同的计算要求。相关数据如下：构筑物表面积为9 300 m2;设计寿命为20 a;ρ为20 Ω·cm(取自表1)。

根据这些数据,所选Al-Zn-In牺牲阳极具有下列性能参数：E=0.25 V(牺牲阳极工作电位为-1.05 V，阴极极化电位为-0.80 V)；阳极长度L=260 cm；初期半径r=14.6 cm，阳极芯半径rcore=5.7 cm；每块阳极质量Wt=300 kg；牺牲阳极电容量C=2 600 A·h/kg。

由此得到块阳极初期发生电流I=4.81 A。暴露面积为9 300 m2的被保护构筑物所需阳极数量N1=233块。初期保护电流密度120 mA/m2，取自表1。

为了满足构筑物对平均保护电流密度的要求，确定在20 a设计寿命内被保护构筑物所需阳极数量N2=134块。平均保护电流密度为65 mA/m2，取自表1。

计算满足后期电流所需阳极数量时，应先根据消耗后的阳极尺寸，采用与初期电流类似的方法计算得到I=5.03 A，后期所需阳极数量N3=167块。后期保护电流密度为90 mA/m2,取自表1。按照常规阳极设计，初期电流计算结果需要233块阳极；后期电流计算结果需要167块阳极；若满足维持电流密度(忽略初期加速极化与后期破损率增加等因素)全程有效阴极保护所需阳极只要134块。对于该实例，从安全保险考虑，应选择233块，但是这个值与满足平均电流所要求的134块差别很大，造成了较大浪费。

3新型翼型阳极设计

3.1设计原则

由于一般情况下初期保护所需极化电流大于后期保护电流，故在阴极保护设计中需同时满足提供初期保护所需要的极化电流和全程设计寿命所需要的阳极质量。

新型阳极设计思路：按照初期电流密度计算所需阳极块数量，在阳极块数量不变的情况下设计结构合理的翼形阳极(如图1所示)，可减小阳极块的质量而保持新型阳极表面积不变，从而既满足初期极化电流密度要求和设计寿命全程保护的需要，又达到节省阳极材料的目的。

图1　新型翼型阳极Fig. 1　New type airfoil anode

3.2具体改进案例

按上述案例计算，为满足初期极化电流密度，需要233块阳极。由表2可见,如采用发生电流(等效半径)与常规阳极相同的新型翼型阳极，则每块阳极的质量由原来的300 kg减少至211.5 kg，阳极质量降低了29.5%，而阳极总质量则降低为233×211.5=49 279.5 kg,维持电流密度全程有效阴极保护所需阳极质量为134×300=40 200 kg，多出的18.4%的阳极，合理补充了初期加速极化、后期破损率增加等因素对阳极的消耗量。

表2　两种阳极质量的对比

这种新型阳极既保证了初期发生电流，保证了初期的加速极化，又降低了阳极总重量，节约了资源。

4实验室模拟

通过设计计算，在实验室内水槽中进行常规方条型阳极与新型翼型阳极对比模拟试验，研究和分析评价两者发生电流及其阴极保护效果。

室内阴极保护模拟试验采用PVC水槽，其内部容积为φ600 mm×1 050 mm，对比试验阴极选用两块3 mm×600 mm×1 000 mm的Q235B钢板，并将其一侧表面除锈磨光，以相同的布设位置和方法各安装一块牺牲阳极试样和8个Ag/AgX参比电极。钢板另一侧粘接组合成一体。

对比试验中试样A为翼型阳极试样，试样B为方条型阳极试样。试验前试样A质量为4.38 g，试样B质量为9.05 g，两阳极试样面积接近于15.6 cm2。试验后试样A质量为2.07 g，试样B质量为6.83 g。

图2　试样A与试样B试样初期发生电流Fig. 2　The initial current of samples A and B

图3　试样A与试样B试样全程发生电流Fig. 3　The whole current of samples A and B

用数据采集/存储器自动测钢试样两面电位分布变化，阳极电位及其发生电流部分试验,结果如图2，3所示。由图2,3可以看出，试验条件下，试样A的面积与试样B的相近，其质量不及试样B的一半，但其发生电流却比试样B大15%左右。这种情况可能是由于试样A的外向角边活化因素的作用大于内向凹陷隐蔽因素的影响所致。

5结论

由模拟试验结果可以看出，新型翼型阳极比相同表面积的传统方条型阳极表现出更好的电化学性

能，而其质量仅为方条形阳极的一半。因此，在平台导管架阴极保护设计时，采用翼型阳极替代常规方条型阳极，可在满足初期阳极发生电流需求情况下大大减少实际阳极质量，降低经济成本。

参考文献：

[1]DNV-RP-B401-2011阴极保护设计规范[S].

[2]NACE RP0176-2003海上钢质固定石油生产构筑物腐蚀控制的推荐做法[S].

[3]宋积文，兰志刚. 海洋环境中阴极保护设计与阴极产物膜[J]． 腐蚀与防护，2010，31(4)：265-267．

[4]刘立维，兰志刚. 导管架阴极保护初始极化监测采集系统开发应用[J]. 全面腐蚀控制，2012,26(4):34-38.

[5]SY/T l 0008-2000海上固定式钢质石油生产平台的腐蚀控制[S]．

[6]张克，闰瑞华，孙丽娟,等. 海洋钢结构阴极保护初始极化问题及解决途径[J]． 海洋科学，2007，31(7):20-24．

[7]刘存，赵增元，马永青,等. 海洋结构物牺牲阳极阴极保护设计方法探讨[J]. 全面腐蚀控制，2011,25(9):7-10.

[8]黄永昌. 电化学保护技术及其应用[J]． 腐蚀与防护，2000，21(5)：232-235．

Design of a New Type Airfoil Anode for Offshore Platform

LI Jian1, DAI Zhong2, CHEN Yu1

(1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China;2. CNOOC (China) Co., Ltd. Tianjin Branch, Tianjin 300452, China)

Abstract：According to cathodic protection design standards of marine steel structures in China, the amount and electrochemical properties of anode material were studied by comparing a new airfoil anode with anodes in traditional shape through calculation of concrete example and simulation experiment. The results show that the airfoil anode reduces the amount of sacrificial anode material effectively, meets current density requirement in the early protection and weight demand in the late requirements, which will reduce the costs of manufacturing, transportation and installation and the pollution of heavy metals.

Key words：offshore platform; cathodic protection; airfoil anode; design

中图分类号：TG174.41

文献标志码：A

文章编号：1005-748X(2016)02-0137-03

通信作者：李 剑(1982-)，工程师，硕士，从事海洋工程钢结构的理化检测，13821139783，lijian1@mail.cooec.com.cn

收稿日期：2015-01-22

DOI:10.11973/fsyfh-201602010