海洋工程阴极保护技术发展与展望

4、阴极保护监控系统发展趋势
腐蚀平台 控制中心
云计算+专 家数据库
互联网+
分散数据
4、阴极保护监控系统发展趋势
指导材 料研发
指导结构 设计、选 材
腐蚀平台 控制中心
事故诊 断、失 效分析
行业国家标 准、指导阴 保设计
四、海洋平台阴极保护及延寿修复技术
1. 技术现状
我国现有各类海洋石油平台 400余座，主要是自升式移动平台和固定式导管架 海洋石油平台是海洋工程钢结构的代表，一方面技术含量高、附加值高、高度 平台， 90%以上采用牺牲阳极阴极保护，原因是陆地安，装费用低，技术常熟， 智能和高度系统化，单体造价高；另一方面，体积庞大、结构复杂（ 70层楼高、 工程经验丰富，无需后期维护保养，很好地契合了苛刻海洋环境中的腐蚀控制 上万吨）、服役环境苛刻（风暴与飓风、贯穿超差、飞溅、全浸、海泥各区 需要。 带），最能反映一个国家阴极保护技术水平。
2、外加电流系统辅助阳极发展趋势
(废钢铁、铝 辅助阳极随着市场需求不断提高和技术不断进步，从可溶性阳极 实验室测试和工程使用经验都表明，不溶性辅助阳极体性能与国
等)，到微溶性阳极(石墨、高硅铸铁、铅银合金等)，到不溶性阳极(铂复合阳极、
外有一定差距，表现在涂镀层易脱落，寿命短。
愈大。
金属氧化物阳极等)，寿命不断提高，体积越来越小，质量愈来愈轻，电流越来 技术现状优于恒电位仪，失效主要是电连接不可靠导致，非阳极本体
海洋工程阴极保护技术发展与展望
杨 朝 晖
张 伟
青岛钢研纳克检测防护技术有限公司 钢 铁 研究总 院 青岛海 洋 腐蚀研 究 所
目 录
一、海洋工程阴极保护技术 二、海洋工程牺牲阳极技术发展与展望
三、海洋工程外加电流技术发展与展望
四、海洋平台阴极保护延寿修复技术 五、海洋工程阴极保护优化设计 六、结束语
工作电流密度更大、耐击穿电压更高、寿命更长是其发展方向。
3、外加电流系统参比电极发展趋势
长期使用：高纯锌（电位稳定性差、价格便宜，寿命10~15年）和银/氯 化银（银/卤化银）（稳定性高，价格高，寿命10年以内）
多采用恒电位法，参比电极损坏和电位漂移都将导致系统；寿命短；
优化结构设计和改进工艺设计提高寿命和稳定性是其发展趋势
2、市场现状
牺牲阳极凭借着其独特优势，在海洋工程领域占据80%的市场份额，尤其是服役环境苛 刻的深水海工钢结构，如深海石油钻井平台、海底油气管线、深海管汇和深海采油树等 方面占据绝对主导地位。
2、市场现状
外加电流凭借其体积小、质量轻、数量少的优势在海洋船舶领域一枝独秀， 包括海军舰船、潜艇、FPSO、破冰船、游艇、集装箱船、超大油轮、海洋 工程船舶等。舰艇几乎100%，其他营运和工程船舶占比80%以上。
2. 自升式钻井平台外加电流技术
安装外加电流腐蚀控制系统的中油海8号平台（左）和胜利4号平台（右）
自升式钻井平台，是国内外应用最为广泛的钻井平台，也是唯一采用外加电流
保护的平台。主要是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。
发和工程化应用，技术产品持续推陈出新，截止目前，将该装置已经在中油海5、
2. 自升式钻井平台外加电流技术
固定式系统——辅助阳极和参比电极安装在自升式钻井平台桩靴上
每个桩腿独立控制，辅助阳极和参比电极安装在自升式平台的桩靴上，阳极电 缆和参比信号电缆从桩腿内部穿越电连接到平台上部的供电模块，实现对整个 桩腿的腐蚀控制。采用陆地安装，适用于新建平台。
3. 在役导管架平台外加电流延寿修复保护技术
2009年，美国专业从事阴极保护修复的Deepwater公司：全球35%海洋工程 我国从上世纪80年代开始设计建造各类石油平台，设计寿命15~20年，超期 设施服役年限超过20年，超出当初阴极保护设计的使用年限。工程设施的迅速 服役现象比较普遍，存在潜在安全隐患，尤其是南海深水平台，最近5年陆续发 老化失效使得对新的阴极保护技术的创新需求变得尤为紧迫。未来10年，全球 现多座平台存在问题，其中的2座已经通过安装外加电流系统进行了延寿修复。 接近2/3的海洋工程设施服役期限超过20年，甚至更长。
4、阴极保护监控系统发展趋势
怎么做？资源整合
点
线
面
保护电流、保护电位、 涂层状态、海洋环境参 数（温度、盐度、水深、 流速）等点状参数
海洋石油平台、跨海大桥、 码头、海上风电、船舶、
云计算、互联网＋、专家 数据库（海洋平台数据中 心、海底管道数据中心、 跨海大桥数据中心……..）
海底管线、油气终端
2. 自升式钻井平台外加电流技术
拉伸式系统——辅助阳极由配重体固定在海床上，拖航、靠 船可将系统收回、放下。
每个桩腿独立控制，辅助阳极由重陀固定在海床上，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。
该系统可现场安装，不仅适用于新建平台，亦可适用与在服役平台的腐蚀控制。
位仪全世界质量最好！
国内几乎100%阴极保护工程采用恒电位仪，随 制该技术的推广使用，国外经验值得借鉴。
环境变化自动调节、控制精准、不用定期调整；而 美国、英国、德国、俄罗斯等国家，刚好相反，普 结实耐用
提高可靠性、集成数据采集、远程远程人 机交互、故障报警等智能化使其发展趋势。
遍采用整流器，可靠性高、稳定性好、故障率低、
3、海洋工程新型牺牲阳极
高活性阳极 铝阳极 铁芯
复合新型阳极就是为满足这种需求而研发； 外表面冶金浇铸高活性阳极，如镁阳极、高活性铝阳极等，初期发生电流大， 满足初期需求；内层为传统铝阳极，满足后期保护电流需求；
问题较多：镁阳极——过保护风险，需二次浇筑，费用高；高活铝——二次
浇筑，外层与内层结合处金属组织结构改变，影响内部阳极溶解。均未被推广
阴极保护领域存在问题： 我们普遍采用恒电位仪控制，为什么？数据匮乏，如果有详细精准的该区域 该结构20年阴极保护运行数据参考，我们也可以用整流器。 渤海湾石油平台设计寿命15年，用了25年牺牲阳极依然充足，浪费，设计保 守，缺乏相关数据参考。 南海石油平台设计寿命15年，10年某些深水区域欠保护，我们没有自己的标 准，参考的是NACE/DNV/ISO标准，缺乏针对性强的设计数据参考。 结构的防腐蚀设计、选材参照国外设计标准，还是缺乏设计数据参考。 举不胜举，不是一个用户能解决，是需要行业、国家层面进行综合规划运筹 宝贵的数据资源就在那里，不管你用还是不用！
3. 在役导管架平台外加电流延寿修复保护技术
深水平台牺牲阳极焊接： 工程量大——几十吨到上百吨 ；费用高——陆地安装的上十几甚至百倍； 技术难度大——尤其是深海，工期长、施工人员安全难以保障； 停产作业——给企业带来巨大经济损失；
随着深海工程技术的发展，深水平台、海底管线和油气终端等深海工程大量涌现。深海 环境对材料结构和功能可靠性要求远远高于陆地和浅海，任何可能的材料腐蚀破坏现象 在深海环境中都可能导致严重的工程事故。低温、高压、低溶解氧等环境，常规阳极效 率低，效果差、深海牺牲阳极开发是一个热点和难点。
1、特殊环境保护用牺牲阳极
一、海洋工程阴极保护技术
海洋工程设施与装备是人类开发、利用海洋资源的前提和基础。 腐蚀是海洋工程安全服役必须面对的一个关键技术问题。 阴极保护是防止海洋工程设施与装备腐蚀的有效手段。
一、海洋工程阴极保护技术

阴极保护技术包括牺牲阳极法和外加电流法； 牺牲阳极法：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：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。
2. 自升式钻井平台外加电流技术
安装外加电流腐蚀控制成套设备的中油海7号平台（左）和胜利5号平台（右） ）
青岛海洋腐蚀研究所从2005年开始开展自升式平台外加电流腐蚀控制科研开 6、7和8号和胜利4、5、7和10号等十几座自升式海洋平台获得成功应用，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。
潮差带干湿交替环境、江河入海口淡水环境、海水管路高温环境、码头油污 海水环境
2、不同屈服强度高强钢保护牺牲阳极开发
为保证深海工程装备结构的强度，目前普遍采用高强钢，强度越高，氢脆敏 感性也越高，越易发生氢致开裂，危及整个钢结构的安全。常规牺牲阳极已 不适用这种需求，国内外开展了大量的研究工作，但尚无统一标准。 针对不同强度钢开发相应的牺牲阳极是阳极发展的趋势，也是热点和难点
4、海洋工程牺牲阳极发展与展望
海洋工程用牺牲阳极由“普遍适用”向着“量身定制”方向发 展： 特殊使用环境，如深海，特种钢材，如高强钢； 通过结构、外观优化设计，符合不同阶段保护电流需求，节约 阳极，避免浪费，减轻环境污染。
二、海洋工程外加电流技术海洋工程船舶，海军舰艇、海上风电等，外加电 流凭借着独特优势占据一席之地，但是对于大型钢结构，尤其是结构复杂，服役期长， 服役环境苛刻的工程结构物，外加电流明显处于劣势，比如各类海洋石油钻采平台，跨
3、海洋工程新型牺牲阳极
传统梯形阳极基础上，在阳极两侧增加两个翼翅，与传统阳极相同质量基础上， 表面积增加，接水电阻降低，初期电流增加。 初期溶解过程中，受边缘效应影响，相较于本体，翼翅消耗更快，表面积迅速 降低，接水电阻变大，发生电流降低。理想的结果：初期极化后，翼翅也消耗 完全，剩余阳极可以满足平均和末期较小的保护电流需要。
1、牺牲阳极法和外加电流法对比
保护方式 优点 无需外部电源 无需后期维护 牺牲阳极 电流分布均匀 结构越小越经济 体积小、质量轻、数量少 外加电流 电流输出大、可调 安装快速、更换成本低 钢结构越大越经济 缺点 电流可调节性差 阳极数量大，安装费用高 大型钢结构增加设计载荷和建造 成本
更换成本高、介质电阻率影响大， 使用范围小 需要外部电源 阳极即电缆易损伤，维护工作量 大 易出现保护不均匀 产生杂散电流