海洋石油钻采平台投资巨大，服役环境要求其必须承受飓风、极地风暴、潮流、地震以及浮冰的冲击。随着平台服役的海域越来越深，体积越来越庞大，结构越来越复杂，投资也越来越高。为了使油气开采变得更加经济，给作业人员提供更加安全的生活和工作保障，避免因为腐蚀引起的平台坍塌损毁带来的巨大经济损失和海洋环境污染灾难，海洋平台的水下结构均采取了腐蚀控制措施。海洋平台的水下结构需要采取哪些措施进行防护？记者特别邀请到了钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所张伟博士做相关方面的精彩解读。

张伟博士

    记者：国内外海洋石油钻采平台都采取了哪些腐蚀防护技术，选择的依据是什么？

    张博士：海洋平台的水下钢结构阴极保护腐蚀控制技术包括牺牲阳极法和外加电流法。牺牲阳极法是将还原性较强的金属作为阳极，与阴极被保护金属构成腐蚀电池，阳极溶解消耗保护阴极。外加电流法是通过直流电源和辅助阳极，使保护电流流向被保护体从而达到保护。早在上世纪70 年代，我们国家就开展过平台外加电流保护工程试验，但多数系统数年内失效。原因是外加电流系统关键组件非常多，由于缺乏统一的标准，组件的生产、加工、组装和检验受人为影响因素大，系统故障点也就多，可靠性差，后期的维护维修工作量大，费用高。

    相较于外加电流，牺牲阳极陆地一次性安装，无需后期维护，工艺可复制性强，设计和工程应用历史久，工程经验丰富，标准和规范完善，很好地满足了复杂海洋环境下的腐蚀防护需求，因此，该技术被广泛应用于各类海洋石油钻采平台的水下结构腐蚀控制。

    海洋石油平台从结构可分为固定式平台和移动式平台。固定式主要包括导管架平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台。移动式主要包括坐底式、自升式、钻井船、半潜式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台。固定式平台由于其水下结构长期浸没在海水中，阴极保护系统维护维修相对困难，因此，普遍采用了牺牲阳极法进行保护。而移动式平台，由于其工作方式多是“打一枪换一个地方”，经常拖航作业，水下结构常常浮出水面暴露于海洋大气，且进坞维修保养较为方便易行，因此，多采用涂层加牺牲阳极联合的方式进行防护。

    可移动的自升式钻井平台是国内外应用最为广泛的钻井平台，它的腐蚀控制应该说是一个特例，普遍采用了涂层加外加电流的方式。原因自升式钻井平台升降装置多采用液压插桩式和齿条/ 齿轮箱式结构，桩腿与船体间隙狭小，牺牲阳极安装受到限制，须采取外加电流。

    记者：上面说到了新建平台的腐蚀控制技术，对于在役平台阴极保护系统会出现哪些问题，都是什么原因引起的？

    张博士：对于在役的平台，以下几个方面的原因容易导致局部或整体保护不足，出现欠保护的情况：（1）阳极脱落或失效。脱落的原因有多种，比如打桩震动、渔网拖挂、海流冲击、较强的暴风潮都能引起牺牲阳极的脱落。阳极失效主要是由于阳极本身质量问题导致电化学性能降低甚至无法工作，出现保护不足的情况。（2）阳极被快速消耗。这种现象多出现在深水平台，比如某一水深的平台结构一直处于较强的海流流动冲刷状态，该水深阳极被快速消耗，出现局部欠保护。（3）超期服役，咱们国家从上世纪80 年代开始自主设计建造各类海洋石油平台，随着服役年限延长，越来越多的平台已经超出了当初阴极保护设计的使用年限，其牺牲阳极已经消耗殆尽，出现了保护不足的问题。对于第三种欠保护情况，如果该平台水下油气依然充足，需其继续服役，而再造一座新的石油平台投资巨大，因此，采取措施对其进行延寿修复就显得十分经济且必要。

    记者：通过什么方式对在役平台的阴极保护系统进行检测和评估呢？

    张博士：水下结构保护状态日常监测靠的是安装在其表面典型代表区域的电位探头、电流探头来实现的，就是常说的阴极保护监检测系统，CPMS。但是，探头数量很有限，只能代表某些区域的保护信息，对于如焊缝、裂纹、剩余壁厚等对结构安全产生重大影响的潜在“病灶”，必须依靠潜水员或水下机器人，简称ROV，携带专业检测工具进行水下现场检测。

    对于海洋石油钻采平台，国内外均规定了强制例行检查的期限和频次。通常来说，服役10 年内的平台，每5 年强制检测一次，接近服役年限时，频率提高到每2 年一次，甚至每年一次，以便及时掌握平台的“健康”状况，及时采取必要的修复措施，避免发生危险。

    潜水员和ROV 水下现场检测主要是阳极消耗情况、保护电位情况和其他必要的附属检测。阳极检测主要是收集不同深度剩余阳极数量、分布及其尺寸等信息，进而估算剩余寿命和修复电流需求。保护电位检测主要用于分析当前保护状态及分布情况。

    其他附属检测目的是为修复方案的实施提供足够的技术支撑，比如水下补装牺牲阳极，结构是否容易接近，水下补装牺牲阳极时焊接点的选择等。如果采用外加电流修复，阳极安装位置，是否有足够的空间，空间范围的障碍物等等。

    记者：如果检测到平台局部或整体结构处于欠保护状态，该怎样进行延寿修复，采取哪些修复措施，如何制定修复方案呢？

    张博士：一般情况下，如果平台处于浅海海域，需要修复的面积较小，或者欠保护区域结构复杂且屏蔽严重，这种情况多采用牺牲阳极修复。反之，对于大型深水平台，延寿修复面积较大，则采用外加电流技术就行的比较经济。

    根据安装方式的不同，可将牺牲阳极修复方式大致分为三种，单体焊接式、卡箍式和支架式。单体焊接式就是对需要修复的阳极逐一更换或补装。优点是安装位置可控，可实现精确修复。缺点是需要水下焊接，超出一定水深，需要饱和潜水或者ROV，水下湿法焊接难度大，施工周期长，费用随水深大幅度增加。

    卡箍式牺牲阳极是指多支阳极通过螺栓或浇铸方法制作成半圆形卡箍，两个卡箍组成一个手镯式阳极固定到保护体上，通过电缆将卡箍阳极与被保护结构连接。优点是规避了水下湿法焊接高昂的工程费用，但是需要牵引电缆到水面上焊接，电缆固定困难且易损坏，可靠性低。

    支架式牺牲阳极是将多支阳极安装到金属支架上放置于海底，用电缆将阳极电连接到被保护。这种形式适合平台底部泥线附近区域或者海底管道的修复。相较于单支阳极和卡箍式阳极，单体发生电流大，保护面积显著增加。但仅限于泥线区结构的修复。

    根据辅助阳极的结构和安装方式可将外加电流延寿修复技术大致分为固定式、拉伸式和远地式三种形式。固定式是将辅助阳极通过绝缘支架固定到钢结构上。优点是阳极距离被保护体近，漏电少，保护效率高，节能。缺点是辅助阳极贴近被保护体处易出现过保护，发生电流不能过大，不能有效发挥外加电流排流量大的优势。对于修复面积较大结构，需安装多支辅助阳极、阳极支架、电缆和电缆护管，工作量大，故障点多，系统损坏维护维修费用高。

    拉伸式系统是将串联有阳极体的电缆固定到一根起支撑作用的钢缆上，钢缆的下端固定在海底，上端固定到平台水上支撑。通过不同水深的阳极体将保护电流施加到平台水下结构，实现腐蚀控制。国外著名拉伸阳极有DENORA的LIDAR 系统和Galvotec CorrosionServices, LLC 的VTAR 系统，已有近20年的工程经验，服役水深达到200 米。目前，国内仅在渤海湾的自升式钻井平台获得应用，我们单位针对自升式平台开发的拉伸式系统已经应用到了包括海洋石油281 在内的多座自升式平台，服役水深超过40m，发生电流达100A 以上。

    拉伸式系统优势在于：可水上安装、维修与更换，成本低；可在内部、外侧安装，选择性大；保护均匀。局限性：系统穿越大气、飞溅、潮差多个区带，易老化失效；易遭受飓风、浮冰、渔网拖挂而损坏。

    远地式系统就是为了克服这一缺陷而设计的，该系统是将辅助阳极放置在导管架外侧的海床上，实现对水下结构的腐蚀控制。国外的工程应用也较为广泛，比较著名的有DEEPWATER 公司的Retrobuoy 系统，该系统辅助阳极单元为浮式结构，有效减弱了海流冲刷，同时避免了泥沙埋覆。

    在国内，我们单位与海洋石油工程股份合作，针对南海200 米水深导管架平台开发了单套发生电流600A 的远地式系统，为了避免重物坠落和渔船脱网作业对辅助阳极的损坏，外部设计了脱网防护罩，目标是针对大型深水导管架平台阴极保护系统的延寿修复。远地式系统的优点是：单套发生电流大，最大可达1000A；可用于在役和新建平台；最大程度降低海流、浮冰、海上风暴等环境因素的破坏作用。其缺点是辅助阳极一旦损坏，维修成本极高，不具有可维护性。

    从以上介绍来看，在役平台阴极保护修复产品种类多，选择性大，基本满足了目前平台修复的需求。但是，不管是牺牲阳极还是外加电流，都有着自己优点和缺陷。选择修复方案时，应根据平台水深、修复面积、修复部位、海水环境等特征条件，从技术和经济方面综合考虑。

    记者：上面介绍了新建和在役海洋石油平台阴极保护技术和延寿修复技术现状，请您结合多年从事海洋构筑物阴极保护产品研发和工程应用经验，谈谈对海洋工程装备，尤其是海洋石油平台阴极保护技术的发展趋势。

    张博士：对于这个问题，我想结合工程实际和技术现状，从牺牲阳极和外加电流两个方面谈谈自己一点认识。首先谈谈海洋工程复合阳极和新型阳极的现状与发展趋势。

    在海洋平台阴极保护设计时，保护电流密度是重要参数，我们国家一般参照DNV 和NACE 标准，比如DNV 推荐初期保护电流密度150mA/m2，平均和末期分别为70 和100mA/m2，初期保护电流密度达到了平均保护电流密度的2 倍以上，为末期保护电流密度的1.5 倍。

    初期设计较大的保护电流密度目的有两个：一是为了使被保护体快速极化到保护电位，缩短极化时间，降低欠保护期间的腐蚀风险；另一个是促使钢结构表面快速形成致密的钙镁沉积层，降低后期对保护电流的需求。

    为了满足初期极化要求，初期设计了大量的牺牲阳极。初期极化时间一般小于1 年，相对于20 ～ 30 年的平台寿命来说非常短，因此造成巨大的浪费。我曾有幸参与了曹妃甸一座废弃被拆除的导管架平台的调研，这座平台日本设计建造，1995 年投产服役，设计寿命15 年，服役16 年后拆除，阳极剩余量约为原来的1/2。实际上，安装在渤海湾海洋平台CPMS 数据显示，设计的平均保护电流密度70mA/m2，实际仅需35mA/m2 左右，造成很大浪费，这是一个世界性的难题。

    为海洋工程钢结构“量身定制”一种牺牲阳极是国内外腐蚀工程师和科学家关注的焦点。目前，国内外主要从两个方面进行了探索，一个是复合牺牲阳极技术，另一个是新型牺牲阳极技术。

    复合牺牲阳极是在传统铝合金牺牲阳极的外表面浇铸一层驱动电压更高，电位更负的阳极材料，像镁合金和高活性铝合金等。初期利用高活性阳极发出较大保护电流快速极化，理想状态是初期极化完成后，外层的高活性阳极消耗殆尽，此后，利用内部的铝阳极实现平均和末期保护电流需求。

    国外最早开发并工程应用的是镁包铝复合牺牲阳极，但是并未获得推广，原因是（1）镁阳极电位-1.4 ～ -1.6V，易出现过度保护。（2）浇筑工艺繁琐，费用高。后来，复合牺牲阳极的发展转向铝－铝复合，尽管该技术解决了过保护问题，但同样存在二次浇铸，费用高的问题。

    新型阳极则是通过在传统梯形阳极底部浇筑两个薄薄的“翅膀”而制成的，与传统阳极相同质量的基础上，新型阳极的表面积增加，初期发生电流增大，使钢结构快速极化。初期利用“边缘效应”，使“翅膀”快速溶解，表面积降低，电流降低，最理想的结果是初期极化完成后，“翅膀”也完全消耗，剩余阳极发生电流满足平均和末期较小的保护电流需要。

    该新型阳极是中国海洋石油总公司发明的，我们单位有幸参与了该阳极的优化设计试验研究。相较于常规阳极，新型阳极能更快将被保护体极化到保护电位区间，可节约阳极用量10 ～ 20%。目前，该阳极已经批量生产并在多个导管架上开展了工程示范，应用前景相当乐观。

    最后，我想谈一谈牺牲阳极与外加电流联合技术。

    阳极的冶炼对资源和能源的消耗巨大，而且大量污染废弃物的排放对空气、水、土壤造成严重的生态污染和破坏。同时，牺牲阳极的溶解释放大量的Al、Zn、In、Mg 及其他重金属离子进入到海洋环境，也存在潜在海洋生态污染隐患。而外加电流属于节约资源，生态友好型技术，如果电力供应可有其他风能、太阳能、核能等清洁能源替代，将更加环保。对于缓解我国快速发展与资源短缺、建设环境友好型社会与环境污染矛盾有着重要的现实意义。

    牺牲阳极 “耐力”好，“爆发力”弱；外加电流恰好是“爆发力”强，但 “耐力”差，如果将二者结合呢？平台建造时，牺牲阳极只需满足平均和末期保护电流即可，同时安装外加电流系统。如此，平台就位服役以后，开启外加电流系统，通过较大的保护电流密度快速极化，形成致密的钙质沉积层。此后，关闭外加电流系统，测试平台牺牲阳极是否可将结构维持在保护电位。如此，反复多次，直到关闭外加电流系统后，平台自身的牺牲阳极依然可以保护极化状态。

    可喜的是，中海油研究总院已经在南海的导管架平台开展了外加电流与牺牲阳极联合使用的工程示范研究工作，可以预期，如果操作得当，至少可以节约30% 以上的牺牲阳极用量。

    记者：张博士，请简单介绍一下咱们单位在海洋平台的阴极保护技术产品方面都开展了哪些方面的工作，还有下一步的打算。

    张博士：单位针对新建平台和役平台的水下结构阴极保护及其延寿修复技术，开展了系列的研究开发和工程化应用工作。所有的技术产品开发，都是从实际的工程需要出发，落脚点在工程应用上。

    单位从2005 年开始针对自升式平台开展外加电流产品开发与应用。早期的系统是桩靴式结构，辅助阳极和参比电极安装在平台桩靴上，但维护和维修必须进坞才能完成，更适用于新建平台。后来开发了拉伸式系统，辅助阳极固定在海床上，上部连接升降装置，根据拖航、钻井作业、辅助船舶停靠需要可自由将系统放下收回，方便系统检测、维护和保养。截止目前，该系统已经成功应用到了包括中油海5、6、7 和8 号和胜利4、5、7 和10 号在内的近二十座自升式平台，是国内最专业的自升式平台外加电流阴极保护设计和施工单位。

    作为与自升式平台拉伸式系统的互补，结合渤海湾海洋环境条件，开发了针对固定式平台和FPSO 阴极保护和延寿修复的地床式外加电流系统装置。辅助阳极放置到海泥中，具备泥水分离，保证电流的有效输出，避免了船舶航行、浮冰对结构稳定性的影响，该结构尤其适用于浅滩平台。目前已经被应用到了多艘大型船舶和浅水平台的腐蚀控制。

    受海洋工程股份有限公司委托，针对200m 水深大型深水导管架平台开发了单座600A 的防脱网远地式和单套750A 的拉伸式外加电流延寿修复系统装置，特备强化了防台风、海流和渔网拖挂设计，可以抵御50 年一遇的极端海洋天气。在牺牲阳极修复技术方面，开发了支架式牺牲阳极堆和快速安装卡箍，借助ROV 可以快速安装到深海钢结构上。以上延寿修复技术产品不仅用于海洋石油钻采平台，同样可用于包括海底管道、跨海大桥、钢桩码头、海上风电、FPSO 在内的多种海洋工程装备水下结构的腐蚀控制。

    为配合国家专项“973”《海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究》项目，国家材料环境腐蚀平台联合海洋石油工程股份有限公司、北京科技大学、青岛海洋腐蚀研究所等单位，通过整合在役结构物的阴极保护设计与运行参数，构建了海洋平台阴极保护数据库，以期为我国阴极保护设计与施工单位、国家和行业标准起草单位提供技术参考和数据依据，为我国海洋工程结构物全寿命期间的安全运行提供必要的支撑。

    后记：海洋石油平台的腐蚀控制技术，除了提高产品可靠性外，还有很多基础研究工作需要做，比如平台腐蚀控制互联网智能监测与预警系统，平台阴极保护专家数据库建设，构建并完善有针对性的国家或行业标准等等。这些工作多是系统性强，多学科交叉，非单一腐蚀学科能解决，需要国内外的腐蚀科学家与工程师打破传统学科界限，与包括地球、信息、材料、海洋在内的多学科专家协作融合，持续创新，才能有效解决问题。

    人物简介

    张伟，钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所/ 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，博士，高级工程师，中国材料研究学会青年委员会第七届理事会理事，中国腐蚀与防护学会腐蚀电化学与测试方法专业委员会委员。主要从事海水环境涂层劣化和涂层下金属腐蚀与防护机制研究，海洋工程结构物阴极保护及其延寿修复技术研究，发表各类科技论文30 余篇，获批专利20 余项。

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