深海卧式采油树阴极保护研究与应用*

余朋伟，任克忍，雷广进，孙艳超，高 妍，李 晨

(1.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721001；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721001)

水下采油树是深海油气开发的关键装备之一,由于其长期浸泡在海水中极易发生电化学腐蚀，严重时会导致油气泄漏，造成巨大的海洋污染和经济损失。在水下采油树研制过程中，为降低海水腐蚀带来的安全隐患，除了涂覆防腐蚀涂层之外，还采用阴极保护等防护措施。在海洋装备阴极保护技术研究方面国外开展比较早，特别是NACE(美国腐蚀工程师协会)和DNV(挪威船级社)已经制定了这方面阴极保护相关设计标准[1]。国内企业在海洋装备开发方面起步较晚，在阴极保护数值模拟计算等关键技术方面研究还涉猎较少，没有成熟技术可供参考,因此有必要进行深入研究。

1 阴极保护技术分析

1.1 阴极保护方法

阴极保护有牺牲阳极和外加电源两种。外加电源需要惰性阳极和外部电源，外部电源需要占用一定的空间，对于采油树深海环境，后期的维护成本较高，实施较为困难。牺牲阳极是一次性投入，一般不需要后期维护。因此，采用牺牲阳极法抑制深海卧式采油树的电化学腐蚀，确定了阳极块布置的最优方案，以达到最佳的阴极保护效果[2]。

1.2 牺牲阳极材料选择

1.2.1 牺牲阳极的电化学性能

深海卧式采油树架体结构材料为低合金钢Q345D，工作水深1 500 m，海水的电阻率为25 Ω·m，经测试低合金钢Q345D作为阴极被保护的最佳电位为-870 mV。根据DNV标准RP 401—2007《海洋平台等牺牲阳极阴极保护设计》，对Al-Zn-In-Cd,Al-Zn-In-Sn,Al-Zn-In-Si,Al-Zn-In-Mg-Ti等4种牺牲阳极进行电化学性能及自放电性能进行测试，试验介质取自南海的海水，试验温度为3 ℃[3-5]。试验时测得保护电位随时间的变化曲线见图1，工作电位随时间的变化曲线见图2，工作电流随时间的变化曲线见图3。

图1 保护电位变化曲线

由图1看出，Al-Zn-In-Sn阳极的保护电位在自放电测试初期变化较大，200 h后波动较小，并趋于稳定；Al-Zn-In-Si阳极的保护电位则在自放电测试的中期波动较大；而Al-Zn-In-Cd阳极和Al-Zn-In-Mg-Ti阳极在整个自放电测试过程中保护电位都比较稳定。Al-Zn-In-Cd阳极的保护电位最终稳定在-940 mV，Al-Zn-In-Sn阳极的保护电位最终稳定在-880 mV，Al-Zn-In-Si阳极的保护电位最终稳定在-920 mV，Al-Zn-In-Mg-Ti阳极的保护电位最终稳定在-1 070 mV。

图2 工作电位变化曲线

图3 工作电流变化曲线

由图1和图2可以看出，工作电位随时间的变化趋势与保护电位基本相同。Al-Zn-In-Cd阳极的工作电位稳定在-940 mV，Al-Zn-In-Sn阳极的工作电位稳定在-890 mV，Al-Zn-In-Si阳极的工作电位稳定在-920 mV，Al-Zn-In-Mg-Ti阳极的工作电位稳定在-1 080 mV。

由图3可以看出，Al-Zn-In-Cd阳极和Al-Zn-In-Sn阳极在整个自放电测试中的电流值都比较稳定，只有小幅度波动，而Al-Zn-In-Si阳极和Al-Zn-In-Mg-Ti阳极则在整个测试过程中呈现出较大幅度的波动，这种波动可以用“溶解-再沉积”的机理解释。从电流方面看，Al-Zn-In-Mg-Ti阳极的工作电流在11～16 mA之间,其他3种牺牲阳极正常工作状态下的电流在2～4 mA之间。

1.2.2 牺牲阳极自放电测试

牺牲阳极自放电是将牺牲阳极与被保护体直接耦合，利用两种材料的电位差形成保护电流，分别测定阳极电位及电流，描绘电位-时间曲线。自放电能够真实地反应阳极在实际介质中的溶解和活化行为，与阳极实际应用条件相同。通过工作电流的数值变化，观察阳极的真实极化程度[6]。

在500 h的自放电测试后，4种牺牲阳极未去除表面腐蚀产物的形貌如图4所示。由图4可以看出,Al-Zn-In-Cd阳极和Al-Zn-In-Sn阳极表面覆盖了较多的腐蚀产物，而Al-Zn-In-Si阳极和Al-Zn-In-Mg-Ti阳极表面覆盖的腐蚀产物量较少。由图5可以看出，4种牺牲阳极都能够使低合金钢Q345D阴极表面形成石灰质垢层，Al-Zn-In-Mg-Ti阳极形成的石灰质垢层较厚，主要是由于在合金表面发生吸氧或析氢阴极反应，与溶液中的离子作用，当达到某些离子沉积的溶度积时，便开始沉淀析出，这种白色的产物主要是由CaCO3和Mg(OH)2等组成的钙镁沉积物。这层沉积物的存在，能够抑制钢材的阴极反应，阻止阴、阳离子以及反应产物的扩散，从而起到减缓钢材腐蚀的作用[7]。

图4 牺牲阳极腐蚀产物的形貌

图5 低合金钢Q345d形貌

通过几种阳极的电化学性能分析和自放电测试比较可知，Al-Zn-In-Sn作为牺牲阳极时工作电位与Q345D较近，且在其放电测试中的表现证明此阳极能很好发挥阴极保护作用。

1.3 阴极保护参数模拟

利用软件建立水下采油树模型来模拟阴极保护参数计算，并对金属构筑物的表面进行离散化，通过电流源参数和极化曲线参数计算整体结构的电场方程,了解金属结构各个表面上的电位分布[8]。

为了保证模拟计算结果的准确性，使用了BEASY软件进行建模和模拟计算[9]，采用了“标准设计+计算机模拟”的研究思路。完成设计后，由计算机进行设计条件下的保护电位分布模拟计算，并进行全寿命保护期内的电位分布验算，根据计算结果再进行设计方案的调整和优化。

1.3.1 模型建立

根据水下采油树三维模型图(图6)建立模型，对于管道采用常用的管单元，对需要阴极保护的表面采用面单元。在建立数值模型的基础上，按照阴极保护设计方案，完成阳极材料的3种布置方案设计。

图6 整体模型

1.3.2 模拟计算分析

开展了阳极材料3种布置方案的数值模拟分析，采用平均击穿系数下的单只阳极输出电流1.69 A，进行数值模拟计算，得到电位分布结果。其中方案一：6顶部+8立柱阳极，电位分布为最低-1.301 21 V，最高电位为-1.014 57 V。方案二：2顶部+8立柱+4底部阳极电位分布为最低-1.301 1V,最高-1.013 7 V。方案三见图7，方案三电位分布见图8。

为达到降低应力腐蚀的目的，根据DNV标准，采用降低电流输出进行重新数值模拟。

单根阳极按照25%的电流输出，针对涂层平均击穿系数，以单根阳极输出1.69 A电流为基数，减少后的单根阳极输出电流为422.5 mA，再次进行数值模拟后的结果表明，方案三在25%的单根阳极输出电流下最负电位为-891 mV，已经非常接近-880 mV。在方案三的情况下，各个部件也处于阴极保护范围内，既处于阴极保护状态下，又不会超出-880 mV的保护上限[10-11]。同时，由于采油树顶部和后支撑柱(与面板接触)不推荐安装牺牲阳极，所以，第三种安装方案最佳。

图7 方案三立柱(3+2)阳极+4底部阳极

图8 方案三电位分布

2 现场应用情况

在深海卧式采油树样机上以最佳方案安装了阴极保护装置，并进行了通路检查，确认各零部件均处于受保护状态。在厂内试验完成后，最终在烟台附近海域进行了水下作业试验。

该次海试，水下卧式采油树在海底浸放32 d(见图9)。

图9 水下卧式采油树出海后情况

由图9可以看出,出海后采油树架体外观良好，未见明显腐蚀,阳极块表面发生明显化学变化(见图10)。由图10可知,阳极表面形成石灰质垢层2 mm左右，该阴极保护系统能有效保护设备不被腐蚀，且自身消减速度合理，满足了设计要求。

图10 阳极块表面情况

3 结论和建议

通过深海卧式采油树牺牲阳极的阴极保护技术研究，试验分析了4种牺牲阳极合金材料电化学性能，结合水下卧式采油树材料和结构特征,通过数值模拟计算分析和海试验证，达到比较满意的试验效果。

(1)自放电测试结果表明:牺牲阳极连接不同的阴极材料，保护电位基本相同；不同牺牲阳极所能达到的保护电位不同。分析对比了4种不同材质阳极材料的工作电位范围，发现Al-Zn-In-Sn提供的保护电位(-880 mV)最接近水下采油树材料的阴极保护范围，故选择Al-Zn-In-Sn作为牺牲阳极的材料。

(2)采取牺牲阳极限流和降低电流密度的方法，选取14支22 kg，规格为500×(115+135)×130(尺寸单位mm)的铝合金牺牲阳极，按照方案三方法安装，满足了设计要求，使各个部件既处于阴极保护状态下，又不会超出-880 mV保护上限。

(3)虽然该水下采油树进行的海水防腐蚀试验表明阴极保护布置效果尚佳，但该次试验时间与采油树的水下工作寿命相差甚远，为了充分验证牺牲阳极安装的合理性，后期应通过工程化应用来验证初期与末期保护电流和设计寿命是否满足实际需要。