基于外加电流的FPSO整体阴极保护状态评估方法

吴 雨 吴传伟 宋世德 黄 一

（1. 大连理工大学，辽宁 大连 116024；2. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引言

FPSO（浮式生产储油卸油船）兼有生产、储油和卸油的功能，是海洋工程中的高技术产品[1]。FPSO由于自身特点，将长期处在海水环境中作业，而海水环境是一种恶劣的腐蚀环境[2]，海洋钢结构物在恶劣的海洋腐蚀环境中通常需要采用阴极保护措施对其进行腐蚀防护。

阴极保护法分为外加电流阴极保护法和牺牲阳极阴极保护法[3]，外加电流阴极保护法因其安装快速、费用低、输出电流大等优势被广泛应用于船舶与海洋结构物的腐蚀防护中[4]。在阴极保护系统下，保护电位可以直观的表示船舶与海洋结构物的阴极保护状态。通常，船舶与海洋结构物的保护状态通过安装在其关键部位上的参比电极测量得到的电位值来评估。但对于船舶与海洋结构物的某些区域，例如结构角隅处，这些区域由于屏蔽效应，电位更低、更容易发生腐蚀且受到施工条件的限制，无法安装参比电极，从而无法对这些区域的保护状态进行评估。

本工作基于数值模拟对FPSO整体阴极保护状态进行评估。该方法首先建立FPSO边界元模型，利用数值模拟计算软件确定外加电流阴极保护最优参数；然后根据得到的最优阴极保护参数，计算FPSO在全寿命期不同工况下的保护状态，得到阴极保护数据库；最后根据FPSO上监测点处参比电极测量的电位值，利用评估算法得到当前FPSO整体阴极保护状态。

1 外加电流阴极保护系统简介

外加电流阴极保护法是将直流电通向被保护结构，使之阴极极化，从而达到阴极保护的目的。当外加电流阴极保护法应用在FPSO上时，其工作原理是：直流电源负极与FPSO船体钢板连接，直流电源正极与安装在FPSO船壳外部且与船体绝缘的辅助阳极连接，电路接通后，电流从辅助阳极经海水至船体外壳涂层破损处钢板，形成闭合回路，使FPSO船体外壳钢板受到阴极极化而免受海水腐蚀[5]。

外加电流阴极保护系统如图1所示，其主要由以下几个部分组成：

图1 外加电流阴极保护系统示意图

（1）电位仪：输出低压直流电；

（2）辅助阳极：释放阴极保护电流；

（3）辅助阳极屏蔽层：使阴极保护范围扩大、保护电位更均匀；

（4）参比电极：采集监测点处的电位信号。

2 外加电流阴极保护系统参数确立

外加电流阴极保护参数包括：辅助阳极数量、辅助阳极输出电流、辅助阳极布置位置以及参比电极数量和布置位置[6]，本部分基于数值模拟确定各参数。

2.1 辅助阳极布置

在外加电流阴极保护系统中，辅助阳极数量、辅助阳极输出电流、辅助阳极布置位置对FPSO船体水下结构表面电位的分布起着决定性作用。合理的辅助阳极数量、辅助阳极输出电流和辅助阳极布置位置，不仅能使得被保护结构处于完全保护状态还能节省成本。

针对FPSO船型展开辅助阳极布置方案的研究，首先根据船型主尺度参数和型线图建立FPSO水下湿表面边界元模型，船型主尺度如表1所示。再根据相关规范确定水下结构所需要的保护电流密度，并以此估算出满足设计保护电位需要的总电流大小；然后根据单个辅助阳极最大输出电流初步确定辅助阳极数量，并参考规范，确定阳极屏大小；根据FPSO水下外表面的结构初步确定各个辅助阳极的布置位置；最后将各阴极保护参数输入至数值模拟软件中对FPSO阴极保护状态进行计算，并根据每次计算得到的FPSO阴极保护电位云图，优化辅助阳极位置和输出电流大小，直至得到最优参数，具体流程如图2所示。

表1 FPSO主尺度

图2 外加电流阴极保护系统参数设计流程

经过多次参数优化，最终得到了FPSO外加电流阴极保护系统辅助阳极的最优参数：船体两舷侧对称布置共4对辅助阳极；各对辅助阳极距离船尾的垂直距离分别为46m、118m、196m、272m，各对辅助阳极距离船底的高度分别为7m、6m、6m、5.5m；各阳极屏的半径为6.5m；8个辅助阳极的初始输出电流均为6A，且以4.2A的年变化率线性增加。FPSO外加电流阴极保护系统的辅助阳极布置如图3所示，其中绿色区域为FPSO设计水线以下船体外壳，黄色区域为阳极屏，辅助阳极布置在阳极屏中心位置。最优辅助阳极参数下全寿命初期和末期水下结构的电位云图和电位信息分别如图4和表2所示。

图3 外加电流阴极保护系统辅助阳极布置图

图4 最优外加电流阴极保护参数下全寿命初期和末期FPSO水下结构电位云图

表2 最优外加电流阴极保护参数下全寿命初期和末期FPSO水下结构电位信息

2.2 参比电极布置

为实现对FPSO水下外表面阴极保护状态的评估，需要测量FPSO水下结构外表面特定位置处的电位值，此时参比电极的布置位置就显得十分重要。

本部分依据FPSO水下结构并结合参比电极监测点的布置原则，对FPSO上监测点进行布置。

参比电极布置原则如下：

（1）监测点应布置在结构的关键部位和典型部位；

（2）为加强对容易出现欠保护或者过保护区域的监测，应选择电位较高和电位较低处作为监测点；

（3）对于对称结构，监测点尽量对称布置，当某个参比电极电位测量异常时可作对照使用，即传感器冗余；

（4）考虑在不同结构部位以及部分角隅处布置监测点；

（5）在满足监测需求的情况下，尽量减少监测点数目，以减少在结构侧壁开孔数，节约成本；

（6）要考虑参比电极安装时的可操作性。

根据辅助阳极布置得到的水下结构电位分布云图并结合电位监测点布置原则，在FPSO上对称布置共6个电位监测点，其中包括：船尾处一组对称监测点，船中处一组对称监测点，船首角隅处一组对称监测点。具体布置如图5所示，其中红色点即为监测点。

图5 外加电流阴极保护系统参比电极布置示意图

3 外加电流阴极保护系统评估

本部分包括FPSO阴极保护状态数据库建立和保护状态评估。

3.1 保护状态数据库

确定FPSO外加电流阴极保护系统最优参数后，利用腐蚀数值模拟软件计算FPSO在全寿命期内不同工况下的外加电流阴极保护状态。如图6、图7所示，分别为第20年船首左舷辅助阳极损坏和第25年船尾右舷辅助阳极损坏下的保护状态电位云图。

图6 第20年船首左舷辅助阳极损坏示意图

图7 第25年船尾右舷辅助阳极损坏示意图

将计算得到的不同工况下FPSO外加电流阴极保护状态对应的保护状态数据文件汇总，即得到全寿命期内FPSO外加电流阴极保护状态数据库，FPSO保护状态数据文件如图8所示。

图8 外加电流阴极保护状态数据文件

3.2 阴极保护状态评估

当FPSO外加电流阴极保护状态数据库建立之后，可以通过各监测点采集到的电位信息对当前FPSO的保护状态进行评估。然而，阴极保护状态数据库中数据文件庞大，这里将阴极保护状态数据库中的数据文件进行简化。

参考海洋结构物的腐蚀与防护，当FPSO不发生大面积的防护涂层脱落时，FPSO的阴极保护存在以下三个理论[7]：

（1）阴极保护状态数据库可反映全寿命周期内FPSO所有阴极保护状态；

（2）某一时刻采集的一组保护电位唯一对应一种FPSO阴极保护状态；

（3）监测点采集的保护电位值与阴极保护状态数据文件中与之对应点的电位越接近，两者所对应的阴极保护状态越接近。

因此，首先从保护状态数据文件中，提取各监测点位置处的电位值，代表阴极保护状态监测点电位参考值[8]，对阴极保护数据库中的每个文件都做相同操作，形成一个PFSO阴极保护特征数组，如图9所示。其中V代表保护状态数据文件中监测点处的电位，6代表FPSO上的监测点的数个，N代表阴极保护数据文件的个数。

图9 FPSO阴极保护特征数组

将各监测点处参比电极的实测电位值形成一个6维向量，通过评估算法在FPSO阴极保护特征数组中找到与监测点实测电位向量最接近的行向量，该行向量对应的FPSO阴极保护状态即为当前FPSO阴极保护状态，最后以三维电位云图的形式显示此阴极保护状态。

图10 实测电位向量

4 结语

基于外加电流的FPSO整体阴极保护状态评估方法可以对FPSO水下船体外壳的保护状态进行评估，并可将保护状态评估结果以三维电位云图的形式直观显示。这为调整各辅助阳极的输出电流，使得FPSO处于更好的阴极保护状态提供了参考依据。