徐田甜， 高德歡， 張美榮

（1.中海石油（中國） 有限公司 天津分公司， 天津 300459； 2.中海油安全技術服務有限公司， 天津 300452；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

懸鏈式錨腿系泊（CALM）是單點系泊系統(tǒng)。 環(huán)境條件適宜的深水全海式開發(fā)油田通常在距離浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FPSO）船尾約2 km 處布置CALM 原油外輸終端。 油田正常外輸時，外輸油船系泊CALM 外浮筒，F(xiàn)PSO 通過水下原油外輸軟管、CALM 和漂浮軟管向油船外輸原油。 CALM 的外浮筒在油船系泊期間可在水平面內360°旋轉［1］。

CALM 的系泊系統(tǒng)是事關安全生產(chǎn)的關鍵系統(tǒng)之一［2］。 海洋環(huán)境中的各種腐蝕因素都會不同程度地引起CALM 系統(tǒng)的腐蝕，其中錨鏈、錨纜的腐蝕速率較快［3］。在西非、巴西等熱帶海域油田實測到的飛濺區(qū)頂部鏈最大腐蝕速率超過了API RP 2SK—2005 《浮式結構定位系統(tǒng)設計與分析規(guī)范》［4］中的推薦設計值，錨鏈、錨纜的耐腐蝕性能研究越來越受到重視［5-7］。 基于此，文中以某深水CALM 的水下系泊系統(tǒng)為例， 介紹CALM 系統(tǒng)所屬石油公司的企業(yè)標準——《CALM 系泊設計總則》（以下簡稱企標Ⅰ）、《水下裝置防腐蝕設計總則》（以下簡稱企標Ⅱ）、《海上浮式裝置防腐蝕涂層設計總則》（以下簡稱企標Ⅲ）以及《海上浮式裝置陰極保護設計總則》（以下簡稱企標Ⅳ） 的要點，從深水海洋環(huán)境、結構選材、防腐涂層和陰極保護等方面總結CALM 單點系泊系統(tǒng)防腐蝕設計［8-10］。

1 CALM 系統(tǒng)概況

該CALM 系統(tǒng)作業(yè)處水深為1 445 m， 可系泊載重35 萬噸級油船，入級法國船級社（BV）級，服役25 a 不解脫。 按照企標Ⅰ要求，CALM 設計滿足API RP 2SK—2005 《浮式結構定位系統(tǒng)設計與分析規(guī)范》、BV NR493—2012《海上裝置系泊系統(tǒng)入級規(guī)范》［11］、BV NR494—2012《海上外輸浮筒入級規(guī)范》［12］及BV NR216—2012《海上結構材料和焊接規(guī)范》［13］的規(guī)定。 CALM 定位采用3 組、共9 根系泊線（B1～B9），總體布置示意圖見圖1（圖中OOL1、OOL2 為2 根水下原油外輸軟管）。每根系泊線由頂部鏈連接桿、頂部鏈、錨纜、海底鏈及連接器組成，見圖2。

圖1 CALM 總體布置示圖

圖2 單根系泊線組成

企標Ⅰ要求，海底鏈的長度應保證安裝CALM海上預張系泊線后， 仍有一段海底鏈平躺在海床上， 使海底鏈能以最佳效率嵌入土中。 海底鏈在海床之上的長度應保證CALM 在位工況時， 錨纜不會接觸海床， 避免錨纜摩擦海床而受損。 為了平衡水下原油外輸軟管對CALM 浮筒的拉力，將與水下原油外輸軟管相對方向的3 根系泊線設計為長系泊線（圖1 中的B1～B3），其余6 根系泊線為短系泊線。 長系泊線和短系泊線的錨固點與CALM 單點上的出鏈點之間的設計水平距離分別為1 478～1 479 m 和1 259～1 279 m。 與短系泊線相比，長系泊線海底鏈長度增加了90 m，其它部件設計完全相同。

CALM 系統(tǒng)主要設計參數(shù)為， 頂部鏈連接桿長8.8 m，頂部鏈直徑140 mm、長45 m，無腐蝕和扣除腐蝕余量情況下頂部鏈最小破斷拉力分別為14 340 kN、12 660 kN；錨纜直徑70 mm（鋼纜）、88 mm（鋼纜+ 護套），錨纜長度1 800 m，錨纜最小破斷拉力5 000 kN；海底鏈直徑125 mm，長系泊線和短系泊線海底鏈長度分別為130 m、220 m，無腐蝕和扣除腐蝕裕量情況下海底鏈最小破斷拉力分別為11 850 kN、10 260 kN； 吸力錨尺寸 （直徑×長度）5 m×24 m、入土深度23 m。

2 CALM 系統(tǒng)基本耐腐蝕性能

綜合采用控制腐蝕余量、 選用耐腐蝕材料、涂刷防腐涂層和犧牲陽極陰極保護等方法， 以滿足CALM 系統(tǒng)基本耐腐蝕性能要求。 對錨鏈在熱帶海域和飛濺區(qū)的腐蝕裕量要求明顯高于其他區(qū)域。 該CALM 系統(tǒng)所在海域對頂部鏈造成的坑蝕是由微生物導致的， 與溫暖的氣候及富氮海水有關， 硫酸鹽還原菌是造成微生物腐蝕和坑蝕的主要原因［3］。 頂部鏈表面出現(xiàn)的局部腐蝕受到鋼材中的錳、硫等雜質含量的影響。 此外，深水的水溫和系泊線運動對海底鏈的磨損、腐蝕有顯著影響［6］。根據(jù)企標Ⅱ、 企標Ⅲ及企標Ⅳ的要求， 按照壽命25 a 計算確定了CALM 系統(tǒng)各部件腐蝕裕量和防腐涂層，見表1。 表1 中腐蝕裕量、腐蝕速率系企標Ⅱ、企標Ⅲ要求，防腐涂層或護套材料類型系企標Ⅲ、企標Ⅳ要求，涂層總厚度系企標Ⅲ、企標Ⅳ要求。 對錨鏈、錨纜，應保證在扣除腐蝕裕量后其安全系數(shù)仍能滿足規(guī)范要求［4］。

表1 CALM 系統(tǒng)部件設計腐蝕裕量和防腐涂層

企標Ⅳ對CALM 系統(tǒng)系泊線部件的化學成分要求見表2。 鉻和鉬元素可以使不銹鋼表面在海水中形成鈍化膜。 在海底鏈材料中加入銅元素可以提高材料的抗菌性能， 起到抑制海底微生物腐蝕的作用。增大錨鏈連接器、錨纜端節(jié)頭材料中鎳元素的質量分數(shù)可以提高材料的力學性能、 延展性和耐腐蝕性能［14］。

表2 企標Ⅳ對CALM 系統(tǒng)系泊線部件化學成分要求（質量分數(shù)） %

CALM 系統(tǒng)選用鋼材具有氫脆敏感性，采用低驅動電位（工作電位-800～-850 mV）鋁- 鋅- 銦犧牲陽極，可使CALM 系統(tǒng)得到有效保護，又不會增大材料氫脆敏感性。 在水深大于500 m 的高壓強環(huán)境中， 吸力錨和錨纜端節(jié)頭表面難以形成鈣沉積層， 犧牲陽極須提供足夠的電流以保證吸力錨和錨纜端節(jié)頭充分極化［15］。

企標Ⅳ中CALM 系統(tǒng)錨纜端節(jié)頭、 吸力錨處安裝的鋁-鋅-銦犧牲陽極化學成分要求見表3。犧牲陽極中的鋅質量分數(shù)小于3%時電流效率較高，鋅質量分數(shù)在4%～5%時電流效率下降，故鋅質量分數(shù)不宜大于5%。銦質量分數(shù)小于0.03%時電流效率增高，銦質量分數(shù)大于0.03%時電流效率下降［16-17］。

表3 CALM 系統(tǒng)鋁-鋅-銦犧牲陽極化學成分要求（質量分數(shù)） %

受構件尺寸和陽極布置空間限制， 頂部鏈連接桿處需采用電化學性能更好的鋁-鋅-銦高效犧牲陽極，其化學成分要求見表3。 鎘與鋅是同族元素，兩者有較大的親和力，鎘的加入能促使鋅在基體中均勻分布，減少鋅、銅、銦的偏析，提高材料的電化學性能［18］。 與錨纜端節(jié)頭、吸力錨處安裝的鋁-鋅-銦犧牲陽極相比， 采用此高效犧牲陽極可降低陽極質量約7%。

3 CALM 系統(tǒng)陰極保護設計基礎

3.1 陰極保護設計環(huán)境參數(shù)

保護電位和保護電流密度是CALM 系統(tǒng)陰極保護設計的2 個重要參數(shù)。 犧牲陽極方法須在頂部鏈連接桿、 錨纜端節(jié)頭及吸力錨等處安裝足量的陽極來提供保護電位和保護電流密度， 而陽極輸出電流的自我調節(jié)能力有限， 因此需要較為精確的設計。

水深超過500 m 的深水腐蝕環(huán)境特征與表層海水顯著不同。 深水環(huán)境的壓強、溫度、鹽度、溶解氧濃度、pH 值、 流速和微生物等因素對金屬材料的腐蝕均有影響， 其中對腐蝕影響最大的是溶解氧濃度，其次是溫度和流速［10］。

陰極保護設計主要環(huán)境參數(shù)為， 表層海水溫度23.7～30.8 ℃（平均為27.9 ℃），表層海水含鹽量35.5～35.9 g/L，表層海水氯離子質量濃度19.4 g/L，水溫20 ℃時表層海水pH 值8.2，表層海 流 流 速 （1 a 一 遇）1.7 m/s， 海 底 海 水 溫 度3.6～4.4 ℃（平均3.9 ℃），海底海流流速（1 a 一遇）0.2 m/s。

3.2 企業(yè)標準要求

3.2.1 陰極保護電位

對碳鋼結構， 在海水環(huán)境中采用陰極保護被極化至-800 mV（相對于Ag/AgCl 海水參比電極）時，其腐蝕速率可被抑制到可接受的低水平。企標Ⅳ中指出， 陰極保護系統(tǒng)將飛濺區(qū)及以下系泊設施極化后，陰極保護電位Ec0應當滿足以下要求：①≤-800 mV。 ②碳鋼結構屈服強度不大于550 MPa 時，-1 100 mV≤≤-800 mV。 ③如結構易發(fā)生氫致應力腐蝕開裂，-1 050 mV ≤≤-800 mV。④對可能發(fā)生硫酸鹽還原菌微生物腐蝕區(qū)，≤-900 mV。

頂部鏈連接桿、 錨鏈、 錨纜端節(jié)頭的陰極保護電位為-800 mV， 吸力錨的陰極保護電位為-900 mV。

3.2.2 陰極保護電流密度

企標Ⅳ要求，CALM 系統(tǒng)水下系泊設施陰極保護電流密度按DNVGL-RP-B401—2010《陰極保護設計》［19］取值，見表4。

表4 CALM 系統(tǒng)水下系泊設施保護電流密度設計需求 mA/m2

電阻率是計算陰極保護電流密度的重要影響因素。按企標Ⅳ要求和DNVGL-RP-B401—2010 計算的CALM 系統(tǒng)中頂部鏈連接桿、 錨纜端節(jié)頭在海水中的陰極保護設計電阻率為0.22 Ω·m，錨鏈、 錨纜及吸力錨在海水中的陰極保護設計電阻率為0.3 Ω·m、在海底沉積物中的陰極保護設計電阻率為1 Ω·m。

3.3 犧牲陽極用量計算方法

為了縮短CALM 系統(tǒng)海上安裝工期， 在海上安裝前1 a 先將吸力錨和系泊線安裝、 鋪設在海底， 故吸力錨、 錨纜端節(jié)頭犧牲陽極設計壽命為26 a。 頂部鏈連接桿的犧牲陽極利用率取0.85，其他部位的取0.8。 頂部鏈連接桿犧牲陽極電化學容量為2 585 A·h/kg（20 ℃時），其他部位犧牲陽極電化學容量為2 433 A·h/kg（20 ℃時）。頂部鏈連接桿的犧牲陽極消耗率為3.39 kg/ （A·a），其他部位的犧牲陽極消耗率3.95 kg/ （A·a）。CALM 水下系泊系統(tǒng)防腐涂層破損率fc計算結果見表5。

表5 CALM 水下系泊系統(tǒng)涂層破損率fc 計算結果

CALM 系統(tǒng)犧牲陽極用量按DNVGL-RP-B401—2010 計算公式確定：

式（1）～（3）中，m 為陽極凈質量，kg；tf為設計壽命，a；Ic為需求電流量，A；u 為陽極利用率；A 為保 護 面 積，m2；ic為 電 流 密 度，A/m2；Z 為 電 化 學 容量，A·h/kg；t 為溫度，℃。

4 CALM 系統(tǒng)犧牲陽極設計結果

4.1 頂部鏈連接桿及頂部鏈犧牲陽極

頂部鏈連接桿及頂部鏈受連接構造及外部涂層影響，構件間存在電氣隔離，因此采用捆扎電纜線進行構件間連接，以保證構件間電氣連續(xù)性。按照企標Ⅳ要求， 設計頂部鏈連接桿陽極時應考慮30 m 長頂部鏈的保護電流密度需求。 頂部鏈連接桿犧牲陽極及安裝位置見圖3。 頂部鏈連接桿及頂部鏈犧牲陽極設計結果見表6。

圖3 頂部鏈連接桿犧牲陽極及安裝位置

表6 頂部鏈連接桿及頂部鏈犧牲陽極設計結果

4.2 錨纜端節(jié)頭犧牲陽極

錨纜的鋼絲經(jīng)過熱鍍鋅表面處理， 每層鋼絲上涂抹潤滑油脂。 按照ASTM D1248—2012《電線電纜用聚乙烯擠出材料標準規(guī)范》［20］和企標Ⅲ中的相關要求，采用9 mm 厚的中密度聚乙烯護套保護錨纜外部。 向錨纜端節(jié)頭處澆鑄Wirelock 樹脂，并采用TLMM 型復合材質的襯套、密封圈將鋼絲端頭密封。 在每根錨纜的2 個端節(jié)頭處各安裝1 塊可拆卸式犧牲陽極（圖4），對端節(jié)頭進行陰極保 護［21］。

圖4 錨纜端節(jié)頭上的可拆卸式犧牲陽極

單根錨纜端節(jié)頭安裝1 塊犧牲陽極， 單塊陽極凈質量11 kg，陽極梯形橫剖面寬158 mm、高110 mm，長230 mm。

4.3 吸力錨犧牲陽極

為保證吸力錨與土體之間的摩擦力和土的吸附力，按照企業(yè)標準《板裙基礎和吸力錨設計、安裝總則》要求，海床面以下吸力錨結構的表面不能設防腐涂層， 僅在海床面以上吸力錨的外表面有防腐涂層，其它部位均為裸鋼表面。計算了所有結構表面保護電流密度需求，按照企標Ⅳ要求，設計吸力錨犧牲陽極時應考慮30 m 長海底鏈的保護電流密度需求。 單個吸力錨犧牲陽極的設計結果見表7。

表7 單個吸力錨犧牲陽極設計結果

設計的吸力錨犧牲陽極的初期總輸出電流44.128 A、末期總輸出電流31.134 A。 30 m 海底鏈所需犧牲陽極用量約占吸力錨上犧牲陽極總用量的2.8%。 吸力錨內部的犧牲陽極均安裝在頂部梁的側面（圖5），側壁外表面的犧牲陽極安裝位置應避開海底鏈、電勢檢測點等處。

圖5 吸力錨內部犧牲陽極布置

為便于水下機器人（ROV）檢測吸力錨和海底鏈的陰極保護電勢，開展防腐蝕完整性管理，按照企標Ⅱ要求， 在每個吸力錨上至少設1 處電勢檢測點（電觸點）。 檢測點設備由100 mm×100 mm 鋼板制成，對鋼板表面噴砂除銹并涂上臨時防腐漆。電勢檢測點鋼板與海水直接接觸， 應位于ROV 攜帶的檢測儀易于觸碰到的位置。 為避免海上安裝時海底鏈刮碰安裝在吸力錨側壁的犧牲陽極，在海底鏈固定架兩側可能受刮碰的犧牲陽極上、下方還安裝了防碰架（圖6）。

圖6 吸力錨外部犧牲陽極和電勢檢測點

5 結語

該深水CALM 系統(tǒng)設計要求壽命25 a，給水下系泊系統(tǒng)的防腐蝕設計提出了較高要求。 根據(jù)熱帶深水海域的腐蝕環(huán)境特點，對CALM 水下系泊系統(tǒng)頂部鏈連接桿、錨鏈、錨纜、連接器和吸力錨等進行了耐腐蝕材料選型， 并按有關規(guī)范和石油公司企業(yè)標準要求設計了水下系泊系統(tǒng)各部件的腐蝕裕量和防腐涂層。 水下系泊系統(tǒng)的陰極保護采用可靠性較高的犧牲陽極方法， 全壽命期內所需的犧牲陽極總凈質量達37.42 t， 其中布置在海底的犧牲陽極總凈質量占比為81.2%。 在吸力錨外部安裝了陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)，滿足了CALM 系統(tǒng)結構防腐蝕完整性管理的要求。經(jīng)ROV 檢測確認，CALM 服役3 a 后的水下系泊系統(tǒng)的防腐蝕效果達到了設計預期。