海洋構(gòu)筑物和海底管道陰極保護(hù)措施

  今天越來(lái)越多的海洋構(gòu)筑物(即鉆井和采油平臺(tái)、鋼板樁墻、船閘和其他港口設(shè)施)采用陰極保勢(shì)，并目總是規(guī)定海底管道必須施加陰極保護(hù)。由于薄防層(見(jiàn) 5.1.1節(jié)、在水里的使用壽命很有限，一般來(lái)講，前文提到的薄防腐層都無(wú)法修補(bǔ)，因此，在近海工程中這樣的薄防腐層很少使用，并且?guī)缀鯊牟徊捎?。人們?yōu)榇诉M(jìn)行了廣泛的調(diào)研，并在山基礎(chǔ)上制定了相應(yīng)的規(guī)范來(lái)指導(dǎo)陰極保護(hù)的建立[1~3]在潮沙帶和飛濺區(qū)，陰極保護(hù)通常是不太有效的。在這些部位，人們常用厚覆蓋層或耐腐材料(如鎳銅基合金)做成的防護(hù)套防止腐蝕[4]。覆蓋層將承受很強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力作用，必須在這些部位牢靠地附著在金屬材料上，甚至能在海水飛濺的條件下實(shí)施修補(bǔ)。必須保證厚覆蓋層在陰極極化作用下保持良好的穩(wěn)定性(見(jiàn)17.2節(jié))，并能耐受海洋生物紫外線照射和海水侵蝕[4,5]。與管道和港口設(shè)施不同，海洋平臺(tái)處于動(dòng)態(tài)負(fù)荷的作用下。因此，在選擇鋼材時(shí)，除了考慮機(jī)械強(qiáng)度和力學(xué)性能外，還必須結(jié)合實(shí)施陰極保護(hù)，考慮腐蝕疲勞和應(yīng)變引發(fā)的應(yīng)力腐蝕(見(jiàn)2.3.3~2.3.5節(jié))。

16.1 陰極保護(hù)措施

  在海洋構(gòu)筑物和海底管道上已經(jīng)采用強(qiáng)制電流、犧牲陽(yáng)極或者兩種方法結(jié)合起來(lái)的陰極保護(hù)系統(tǒng)。表16-1列出了各種陰極保護(hù)方法的特性和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)每一構(gòu)筑物必須具體問(wèn)題具體分析，實(shí)現(xiàn)保護(hù)措施的優(yōu)化。例如，海洋平臺(tái)實(shí)施強(qiáng)制電流保護(hù)中，維護(hù)和修理很困難，是需要研究解決的重點(diǎn)問(wèn)題;而在港口設(shè)施中，這些問(wèn)題可以忽略不計(jì)實(shí)施陰極保 護(hù)前，必須準(zhǔn)確了解所要應(yīng)對(duì)的腐蝕介質(zhì)的特性。16.1.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

  在腐蝕防護(hù)系統(tǒng)選擇及保護(hù)電流的供給方面涉及大量參數(shù)，這些已在前文的章節(jié)里進(jìn)行了敘述(見(jiàn)第6章和第17章)。特別是當(dāng)固定式采油平臺(tái)要安置在某個(gè)新地點(diǎn)時(shí)，了解有關(guān)參數(shù)是非常有用的，例如水溫、含氧量、導(dǎo)電率、流速、化學(xué)成分、生物活性、砂的磨損情況等。必須在海洋里指定位置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，才能確保計(jì)算的安全穩(wěn)妥。

第2.4節(jié)里敘述了海水的保護(hù)電位。在管道與港口設(shè)施中，無(wú)覆蓋層的碳鋼或者覆蓋層厚度超過(guò)1mm并且屈服強(qiáng)度達(dá)到800N。mm-2的鋼材沒(méi)有極限負(fù)電位U。但是，如果構(gòu)筑物處于高度的動(dòng)態(tài)負(fù)荷下，因?yàn)榇嬖跉渲聭?yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)(見(jiàn)23.4節(jié))，這樣的構(gòu)筑物應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1~3]的要求，達(dá)到表16-2所列的保護(hù)電位范圍。

  在微咸水里，Ag-AgCl電極的參比電位必須根據(jù)氯離子含量進(jìn)行校正(即離子濃度增大10倍，那么參比電位將朝正值方向偏移約50mV[6])。在屈服強(qiáng)度高于800Nmm-2的高強(qiáng)度鋼的陰極保護(hù)中，極限電位U、必定比參比電位至少正0.1V，這不排除對(duì)個(gè)別情況進(jìn)行必要的調(diào)整(見(jiàn)2.3.4節(jié))。海洋構(gòu)筑物的水下部分還包含機(jī)加工的不銹鋼或有色金屬部件，這些結(jié)構(gòu)性部件必須以適宜的方式附裝在構(gòu)筑物上，以便對(duì)保護(hù)電位范圍進(jìn)行觀察(見(jiàn)2.4節(jié))。涉及多種材料時(shí)，可以采用適宜的犧牲陽(yáng)極布置。

在確定所需要的保護(hù)電流時(shí)，應(yīng)當(dāng)隔開(kāi)在水中和在海底的受保護(hù)的目的物的表面，并隔開(kāi)與受保護(hù)的目的物電連通的外部結(jié)構(gòu)的表面。表16-3列出的不同海域的保護(hù)電流密度是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)量得出的。只有在特殊情況下，才有必要在安裝地點(diǎn)事先進(jìn)行保護(hù)電流的測(cè)量，但是，這樣的調(diào)查資料很難說(shuō)明經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間后保護(hù)電流的變化情況。如果選用適宜的覆蓋層[4]，在開(kāi)始使用前幾年里的保護(hù)電流密度只有表16-3所列值的10%如果構(gòu)筑物計(jì)劃運(yùn)行 30年，那么有必要達(dá)到表16-3所列值的大約50%。

  鋼結(jié)構(gòu)和管道與鋼筋混凝土構(gòu)筑物的加強(qiáng)鋼筋或者必須實(shí)現(xiàn)電連通，或者必須實(shí)現(xiàn)電絕緣。假如它們互相電連通的話，應(yīng)將大約5mA·m-2的電流密度加到外部加強(qiáng)鋼筋上并且要按總的混凝土表面的面積進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于在微咸水、港灣水和淡水里的構(gòu)筑物，應(yīng)當(dāng)具體情況區(qū)別對(duì)待，并要參照從其他裝置上獲取的經(jīng)驗(yàn)。由于港口設(shè)施通常很容易接近，所以如有必要可以將陰極保護(hù)裝置向外延伸。

  在海洋構(gòu)筑物的腐蝕防護(hù)中，常常發(fā)現(xiàn)隨著水深度的增加，腐蝕速率大大減小，甚至在很深的水里，可以不考慮保護(hù)。在太平洋進(jìn)行的實(shí)際調(diào)研結(jié)果就是這些見(jiàn)解的依據(jù)[7]然而，這些觀點(diǎn)并不適用于北海和有油氣鉆采平臺(tái)的其他海域。圖16-1所示就是在北海進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的例子，由圖可見(jiàn)，流速以及隨其發(fā)生的含氧量的增加是導(dǎo)致保護(hù)電流密度變化的原因。海水流動(dòng)速度加快，就使更多的氧運(yùn)移到無(wú)覆蓋層的鋼表面，并由此決定了它的腐蝕速率(見(jiàn)4.1節(jié))。圖16-2所示是海洋平臺(tái)電位隨波浪高度的變化情況，此海洋平臺(tái)是位于赫古蘭西北80km的Nordsee研究平臺(tái)。實(shí)際上，波浪高度受流速的間接影響，在短時(shí)間有暴風(fēng)雨的時(shí)候，觀察到電位明顯向正值變化。平臺(tái)支柱上有不同程度的海洋生物附著量，不斷變化的含氧量與電位之間的關(guān)系[9]也可以被確定。圖16-3所示是波浪高度與電位的同步變化，即使波浪高度只有很小的變化，也能看出電位隨之發(fā)生變化。

  實(shí)際上，在記錄這些曲線時(shí)，假設(shè)所有其他參數(shù)都保持恒定不變，電位變化與波浪高度之間才有這樣的間接關(guān)系。這些電位也會(huì)變得比保護(hù)電位Ucucuso,=-0.85V更正。但

是，這是無(wú)害的，對(duì)表16-2的值沒(méi)有什么影響。

至今人們還沒(méi)有對(duì)海洋生物和硫酸鹽還原菌對(duì)30年或更長(zhǎng)的使用壽命可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行充分的研究。隨著時(shí)間的推移，海洋生物會(huì)有顯著變化，它們能夠改變腐蝕防護(hù)的條件，而且在某些情況下，甚至能夠改善防腐狀況。鈣質(zhì)沉積物的形成不是陰極極化的結(jié)果，而是海洋動(dòng)物沉積所致。進(jìn)行檢查時(shí)(或者沉積物太時(shí))，必須局部清除這些海洋生物附著物，特別是在構(gòu)筑物的節(jié)點(diǎn)上。然而這只適用于小面積，而不是整個(gè)構(gòu)筑物表面。目前人們還沒(méi)有在海洋生物、硫酸鹽還原菌和陰極保護(hù)三者之間的相互影響上取得一致看法，尚不知是否可以用陰極保護(hù)充分緩解在硬質(zhì)沉積物下面的硫酸鹽還原菌所引起的腐蝕。通過(guò)隨機(jī)抽樣試驗(yàn)，人們可以了解它們?cè)谄脚_(tái)外表面上的特性。在平臺(tái)無(wú)法接近的部位(如在內(nèi)有不流動(dòng)的水的平臺(tái)支柱內(nèi)部或在鋼樁與支柱之間)檢查簡(jiǎn)直是不可能的，在這些有腐蝕危險(xiǎn)的部位應(yīng)當(dāng)采用覆蓋層防腐。

16.1.2 犧牲陽(yáng)極保護(hù)

第6章詳細(xì)說(shuō)明了犧牲陽(yáng)極的組成和驅(qū)動(dòng)電壓以及它們的材料、大小、用途等，在海上構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范里也有相應(yīng)的規(guī)定[1~3]。犧牲陽(yáng)極總有個(gè)外露的鋼芯便于焊接，或者用電纜與管道連接，即使是出于修理目的，也不允許采用螺紋連接。不宜采用鎂陽(yáng)極，因?yàn)樗鼈冊(cè)诤Ｋ镒愿g嚴(yán)重。通常在海洋平臺(tái)上安裝鋁陽(yáng)極，而在艦船、港口設(shè)施和儲(chǔ)罐上安裝鋅陽(yáng)極。

  應(yīng)當(dāng)提供近海和港口地區(qū)用的所有陽(yáng)極的化學(xué)組成，以及它們的電容量(A·h·kg-1)和電流輸出(A)[2,3]，根據(jù)這些參數(shù)確定陽(yáng)極的幾何形狀和需要的陽(yáng)極數(shù)量。只有在特殊情況下才需要根據(jù)接地電阻進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)計(jì)算，因?yàn)閷?shí)際上存在太多的不確定因素在確定陽(yáng)極的質(zhì)量和數(shù)量時(shí)，還應(yīng)有相應(yīng)的安全余量。16.1.3 強(qiáng)制電流保護(hù)

第7章說(shuō)明了用于強(qiáng)制電流輔助陽(yáng)極的材料、它們的消耗率與使用壽命。第17章所述艦船用的保護(hù)電流設(shè)備的資料，也適用于海洋平臺(tái)。在這些構(gòu)筑物上使用強(qiáng)制電流系統(tǒng)時(shí)，在規(guī)劃階段需要格外周到考慮，因?yàn)橐院筮M(jìn)行修理需要的費(fèi)用非常高。特別是必須恰當(dāng)設(shè)計(jì)水下的電纜安裝架，絕對(duì)避免它們被波浪和冰塊運(yùn)動(dòng)以及行船造成機(jī)械損壞。保護(hù)電流設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡可能靠近陽(yáng)極安裝，但是實(shí)際情況并非總是可能。因此，海洋平臺(tái)未必都能夠非常成功地實(shí)施強(qiáng)制電流保護(hù)。