【研究意义】为降低石油平台水下部分的腐蚀，在石油平台的水下部分安装牺牲阳极或者外加电流系统已经成为美国防腐工程师协会(NACE)和挪威船级社(DNV)的推荐做法^[1]。但是很多石油平台打桩到位以后，需要服役20年以上，有的平台甚至需要延长寿命继续生产，水下部分的阴极钢表面的保护状态、阳极部分的工作电位和发生电流直接反应了保护效果，因此必须对阴极钢表面的电位、阳极工作电位和发生电流进行长期实时的采样^[2]。【前人研究进展】目前关于石油平台水下结构的阴极及阳极的监测主要有两个技术流派。一是后期安装，在平台下水以后，采取潜水作业进行探头布设及安装采集系统。孙虎元等^[3]和孙宁松等^[4]在渤海数座平台设计了阴极及阳极采样系统，由于其采样水深较浅，且平台有较好的涂装，多数地方保护较好，可以大大减少采样点数量，主要选择两块阳极间隔的中间部位作为薄弱点进行采样分析。这是符合渤海靠近岸边的平台的实际情况的。二是前期安装，在平台下水之前预选部分节点及阳极进行探头布设。文献^[5-9]在平台中抽出两根主桩腿的阳极、节点等处布设采样点，主要是为保证采样系统的耐久性及可靠性。通过在主桩腿焊接牢靠的护管和结实的探头实现长期的持久采样，部分探头下水十几年后还在稳定地工作，对于一些结构除考虑主桩腿外，还在斜撑设立分支采样点，为与斜撑相配套，其设计的护管及探头体型小，这样做的好处是照顾了部分细小结构，精度较好。【本研究切入点】吸收以上两种技术流派的优点，以一个八桩腿的平台(共有阳极325块，在水下部分的结构分3层)为分析对象，设计阴/阳极监测系统^[10]。【拟解决的关键问题】通过实验室实验对电位及电流探头进行筛选，现场布设阴/阳极电位监测探头、阳极电流监测探头，并开展长期监测实验。

用于测量平台水下部分阴极保护电位及牺牲阳极工作电位的电位测量探头为长效、防污损生物附着的电极(Ag/AgCl，Zn)电位测量探头。Ag/AgCl电极材料采用纯度≥99.95% AR级试剂制备。Zn合金电极材料采用高纯锌(99.995%)材料制备，杂质Fe≤0.0009%，Cu≤0.0005%。在安装前，探头(含一个备用探头)均在海水中(恒温25℃)进行为期20 d的性能测试，用标准饱和甘汞电极(SCE)分别测量两种电极的电极电位。

用于平台牺牲阳极电流检测探头的设计参数：测量电流为0.1～10(20)A，取样标准电阻为0.005 Ω。每个电流探头分别用直流恒流电流1.0 A和5.0 A测试，并分别用Fluke 8845A数字万用表测量其相应电压。

平台水下3层的深度分别为6.2 m，20.3 m和33.6 m。为了全面了解平台水下导管架阴极保护运行状态，选择A1、A2和B3、B4桩腿及3个水平层上共10个代表点(表 1)，安装平台水下导管架阴极保护电位测量探头。探头外部为钢壳，将实验室筛选过的Ag/AgCl电极和高纯Zn电极封装在壳内，只留电极的工作面，并用树脂密封；壳外部设铜网作为防污损过滤网。该结构具有抗强烈冲击和振动能力，能承受与平台水深相应的压力，并具有长效和防污损生物附着的特点。

表 1(Table 1)

表 1 阴极电位探头位置 Table 1 The positions of monitoring probes of cathode 探头编号Number of probe 安装深度(水下)Installation depth(underwater，m) 安装位置Installation location T1 6.2 A1-A2桩腿间1/2处 In the middle of leg A1-A2 T2 6.2 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 T3 20.3 A2-B2桩腿间1/2处 In the middle of leg A2-B2 T4 20.3 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 T5 33.6 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 T6 33.6 A2桩腿节点处 At the joint of leg A2 T7 6.2 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 T8 20.3 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 T9 33.6 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 T10 33.6 B3桩腿节点处 At the joint of leg B3

表 1 阴极电位探头位置 Table 1 The positions of monitoring probes of cathode

在平台导管架水下部分阴极保护系统中，牺牲阳极为平台导管架提供其所需的阴极保护电流，其性能好坏直接决定了平台水下导管架能否得到有效保护而免遭腐蚀破坏。根据平台水下导管架的深度及节点的分布，分别在A1腿和B4腿的水下6.2 m、20.3 m和33.6 m节点处选择6支阳极作为代表性阳极(表 2)，监测其阳极的工作电位和输出电流。阳极工作电位测量探头采用Ag/AgCl电极和高纯Zn电极电位测量探头，阳极输出电流测量采用无源阳极电流测量探头，被监测阳极采用绝缘法来使阳极与平台导管架绝缘。

表 2(Table 2)

表 2 阳极监测探头位置 Table 2 The positions of monitoring probes of anode 探头编号Number of probe 测量对象Measurement object 安装深度(水下)Installation depth(underwater，m) 安装位置Installation location A1 电位 Potential 6.2 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 C1 电流 Current 6.2 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 A2 电位 Potential 20.3 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 C2 电流 Current 20.3 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 A3 电位 Potential 33.6 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 C3 电流 Current 33.6 A1桩腿节点处 At the joint of leg A1 A4 电位 Potential 6.2 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 C4 电流 Current 6.2 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 A5 电位 Potential 20.3 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 C5 电流 Current 20.3 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 A6 电位 Potential 33.6 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4 C6 电流 Current 33.6 B4桩腿节点处 At the joint of leg B4

表 2 阳极监测探头位置 Table 2 The positions of monitoring probes of anode

数据采集系统(包括信号调理器、A/D转换板、微机、打印机及相应软件)安装在中控室的多层仪器架上，用来自动巡回采集、存贮、显示和打印水下探头的测量结果。该系统能实时显示测量结果，并对异常数据具有报警功能，同时，对水下电位测量探头实施保护和养护，确保探头能长期、稳定地工作。本研究监测实验数据从平台下水稳定运行半年后开始截取。为确认监测结果的正确性，在水下特检时用人工测量的方式获取各点的特检数据值。

由图 1可知，浸入海水10 d后，17个Ag/AgCl电极其电极电位均稳定在9.22～9.96 mV，其最大电位波动值≤0.74 mV。而在整个测试期间，Ag/AgCl最小电极电位值≥8.10 mV，最大电极电位值≤9.96 mV，其最大误差≤2 mV，远低于DNV规范规定5 mV的误差范围；17个Zn电极电位值均稳定在-1 058～-1 050 mV，其电位最大波动值≤8 mV，远低于DNV规范规定的20 mV误差范围。表明以上电极电位测量探头的性能优良，均符合国际船检机构的要求。

图 1 (Fig. 1)

图 1 Ag/AgCl和Zn海水电极电位稳定性测试结果 Fig.1 The test results of potential stability for Ag/AgCl and Zn electrodes in seawater

根据表 3的误差分析，7号和8号探头的误差较大，因此，应选择1号到6号探头作为最终的安装探头。

表 3(Table 3)

表 3 电流探头取样电阻值检测结果 Table 3 The test results of samplings resistance of current probe 探头编号Number of probe 电流表读数Value of current meter(A) 电压表测量值Value of voltage meter(mV) 探头测量值Value of probe(A) 误差Error(%) 1 1.004 5.03 1.006 +0.200 4.999 25.06 5.012 +0.260 2 1.007 5.03 1.006 -0.099 4.996 24.94 4.988 -0.160 3 1.004 5.01 1.002 -0.200 4.991 24.93 4.986 -0.100 4 0.999 5.00 1.000 +0.100 5.016 25.11 5.022 +0.120 5 1.009 5.04 1.008 -0.100 4.993 24.93 4.986 -0.140 6 1.006 5.02 1.004 -0.200 5.007 24.99 4.998 -0.180 7 1.004 5.04 1.008 +0.400 5.008 25.14 5.028 +0.400 8 1.000 4.97 0.994 -0.600 5.012 24.94 4.988 -0.480

表 3 电流探头取样电阻值检测结果 Table 3 The test results of samplings resistance of current probe

如图 2所示，下水半年稳定后，Ag/AgCl电极总体电位为-1 031~-1 009 mV，Zn电极总体电位为20~40 mV。说明测量点的阴极电位均达到NACE标准的保护要求，由于阳极是根据经验布设的，测量的阴极点也是根据经验考虑薄弱点布设，所以各层之间的电位不具有一定的规律性。Ag/AgCl电极和Zn电极的电位差在1 050 mV左右，说明两种电极满足工程测量的标准要求。

图 2 (Fig. 2)

图 2 10个阴极监测探头的Ag/AgCl电极电位和Zn电极电位 Fig.2 The potential on Ag/AgCl and Zn of 10 monitoring points of cathodes

图 3为所有阴极监测点自动监测电位的平均值与人工测量得到的电位平均值的相关性图(均为Ag/AgCl电极)。方差为0.9973，两者之间有较好的相关性，证明所布设的阴极监测点探头处于正常的工作状态，能获取准确的电位数据。

图 3 (Fig. 3)

图 3 阴极监测点自动监测值与人工测量值的相关性 Fig.3 Correlation between automatic monitoring and manual measurement of cathode

由图 4可知，下水半年稳定后，Ag/AgCl电极总体电位为-1 059~-1 050 mV，属于铝阳极的正常工作电位；Zn电极总体电位为-9~0 mV。各层之间的阳极电位不具有一定的规律性。Ag/AgCl电极和Zn电极的电位差在1 046~1 050 mV，说明两种电极满足工程测量的标准要求。

图 4 (Fig. 4)

图 4 6个阳极监测探头的Ag/AgCl电极电位和Zn电极电位 Fig.4 The potential on Ag/AgCl and Zn of 6 monitoring points of anodes

图 5为6个阳极监测点自动监测电位平均值与人工测量电位平均值的相关性图(均为Ag/AgCl电极)。方差为0.91，两者之间有较好的相关性，证明所布设的阳极点探头处于正常的工作状态，能获取准确的电位数据。

图 5 (Fig. 5)

图 5 阳极点自动监测值与人工测量值的相关性 Fig.5 Correlation between automatic monitoring and manual measurement of anodes

图 6为下水半年稳定后长期监测到的6个阳极的发生电流的平均值，为1.30~1.55 A，阳极发生电流较小，甚至小于NACE标准推荐的阳极电流值，说明在设计阳极总量时还是留了较大的余量。综合图 2可以看出所抽测的6个阳极起到了保护作用，电位和电流值处于合理的区间，但阳极电流值小于最初的设计值，单就这6块阳极的寿命要大于最初的设计寿命。

图 6 (Fig. 6)

图 6 6个阳极发生电流 Fig.6 The output current of 6 anodes

监测系统通过下水半年后稳定运行，工作正常，性能良好。其监测结果表明，所测到的阴极点处于良好的保护状态；阳极工作电位在合理的区间，发生电流小于最初的设计值和标准的推荐值，初步估计设计时阳极量留了一定的余量；电位和电流监测探头的结构承受了平台导管架拖航、安装等过程的强烈冲击、震动，所有探头均采集到了数据，性能良好。