CN109457256A - 海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置 - Google Patents

Abstract

一种海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，包括地毯式牺牲阳极阵列、电缆转接头和电连接装置，地毯式牺牲阳极阵列包括若干个用混凝土包覆的牺牲阳极单元，由纵横两个方向的导电钢丝绳实现电连接，并通过预埋的吊装绳实现整个牺牲阳极阵列连接和吊装；该牺牲阳极单元的牺牲阳极用混凝土固定在塑料壳内，牺牲阳极的顶端露出塑料壳顶端的通孔；牺牲阳极的底端与穿过塑料壳的该导电钢丝绳连接。优点是：利用海底管线镯式牺牲阳极的未完全消耗的区域，通过水下机器人施工安装电连接装置，有效实现管线与牺牲阳极的电连接；采取平铺的方式，直接覆盖的管线上或者管线周围，解决阳极堆倾倒问题，更适应于高低不平、环境复杂多变的海床。

Description

海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置

技术领域

本发明涉及一种海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置及安装方法，属于电化学保护技术领域。

背景技术

目前，在近海兴建了大量的海洋设施，布置了功能繁多的海底管线。这些海底管线包括输送石油、天然气、海水、淡水和污水管道。海底管线是一项耗资巨大、施工复杂的永久性工程，一般要求在不加维修的条件下能正常使用20年以上。为了解决海底管线免遭海水、海泥等环境的腐蚀，钢管的外表面采用防腐涂层和安装牺牲阳极的方法对管道进行保护。海底管道外防腐涂层将管道外表面与外部腐蚀环境隔离开，阻止环境中的腐蚀介质进入钢管的钢质外表面，以达到钢管外表面免遭海水介质引起的腐蚀破坏。由于环保和保护效果等因素的考虑，目前海底管道外防腐层多选择3LPE或3LPP防腐涂层。当防腐涂层完全有效的覆盖管道钢质表面时，牺牲阳极不起作用，只有在防腐涂层本身存在缺陷或在运输、施工及服役过程中由于渔业等活动等对防腐涂层产生损伤，以及在服役期间由于防腐涂层老化而产生防腐涂层局部剥落而导致钢管钢质裸露，这时裸露的钢质表面就很容易产生海水腐蚀，此时由牺牲阳极给管线钢管裸漏表面通以阴极电流，对钢管表面阴极极化，使管线得到保护。

为了保障海底管线的安全，尤其是海底输油管道，一旦发生腐蚀造成原油泄漏，不仅会造成重大经济损失，而且会对整个海洋生态环境造成不可弥补的危害，因此需要对海底管线进行周期性检查。而在管线阴极保护检查时，会发现某一段或者某一区域牺牲阳极大部分已经消耗殆尽，或者经测量钢管电位未达到保护状态，很多牺牲阳极表面甚至出现不溶解结壳等现象。发生此类情况就需要补装牺牲阳极，按照传统的安装方式，需要潜水员通过水下焊接的方式将大量阳极焊接到海底管线的钢结构物上，而海工阳极的尺寸及重量较大，在海上进行水下焊接非常困难，安装费非常高，甚至高过阳极材料费，且在深水区（大于50米水深）进行大规模阳极焊接是不现实的。

专利CN 201410510147.5公开了一种阴极保护快速修复用牺牲阳极堆，包括：牺牲阳极堆、与牺牲阳极堆相连的卡箍。其卡箍为U型结构，通过螺旋导电杆的端部的顶针实现海底管道与牺牲阳极堆的电连接，顶针为螺旋钻头，此种装置适用于裸钢状态的电连接。而一般情况下，海底管道除了在钢管外包覆三层PE或三层PP外，还在管道上施加混凝土保护层，主要是为了对管道的外防腐层和钢管提供机械保护和负浮力，以防止防腐涂层和钢管在吊装、运输、安装和运行期间被损伤，保持管道在海底的位置稳定，也称加重层。因此，通过该发明中的顶针钻透厚厚混凝土层和防腐层是不现实的。此外，该发明中的牺牲阳极堆采用高大的框架结构，缺乏稳定行，需要平整的海底作为支撑面，否则会发生倾倒，不适应高低不平复杂海床。此种高大框架形式的阳极堆放置在离海底管线较近位置，一旦遇到海流或者其他因素发生倾倒，存在砸中管道造成管道破损的安全隐患。

发明内容

本发明的目的就是提供一种海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，以解决现有的阴极保护修复技术存在的电连接部件无法穿透三层PE或PP保护层+混凝土层实现电连接，仅适用于裸漏金属结构物的问题。

本发明的技术方案是：一种海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，包括地毯式牺牲阳极阵列、电缆转接头和电连接装置，地毯式牺牲阳极阵列通过电缆转接头与电连接装置连接，该地毯式牺牲阳极阵列包括若干个用混凝土包覆的牺牲阳极单元，由纵横两个方向的导电钢丝绳实现电连接，并通过预埋的吊装绳实现整个牺牲阳极阵列连接和吊装；该牺牲阳极单元包括牺牲阳极、牺牲阳极导电杆和塑料壳，牺牲阳极用混凝土固定在塑料壳内，牺牲阳极的顶端露出设在塑料壳顶端的通孔；牺牲阳极的底端通过牺牲阳极导电杆与穿过该塑料壳的该导电钢丝绳连接，所述的吊装绳穿入并预埋在塑料壳内。

所述的牺牲阳极采用铝基、锌基牺牲阳极或者外层镁基内层铝基的牺牲阳极，为圆柱形，其顶端为半球状。

所述的塑料壳采用上下拼装结构，每个侧面的拼装处都留有个小孔，用于安装铺设所述的导电钢丝绳和起重吊装用的吊装绳，该导电钢丝绳采用镀锌钢丝绳，该吊装绳采用聚丙烯绳。

所述的电缆转接头包括钢管、热缩套、堵头、铜芯、环氧树脂砂浆和铜电缆，圆柱形的铜芯从轴线均分成两瓣，在其轴心的两个半部分别设有用于穿过铜电缆的小径孔和用于穿过所述导电钢丝绳的大径孔，分别将剥皮后的铜电缆和导电钢丝绳放置在铜芯的小径孔和大径孔内，然后将铜芯、铜电缆、镀锌钢丝绳放置到钢管的轴线位置，使用密封机将钢管、铜芯、铜电缆和导电钢丝绳压制成一体，分别在钢管两端灌入环氧树脂砂浆，并用聚四氟乙烯堵头封堵，待固化后，用热缩套将上述所有部件包覆起来。

所述的电连接装置包括螺杆、塑料顶盖、膨胀套、橡胶垫片和环氧腻子，金属材质的螺杆的两端都有螺纹，且上、下的螺纹不连续，上螺纹与塑料顶盖的内螺纹连接，下螺纹用于拧紧膨胀套，在该螺杆下部套有橡胶垫片；在该螺杆的顶部焊接从所述电缆转接头一端引出的铜电缆；在该塑料顶盖顶端设有螺丝刀槽，该铜电缆从塑料顶盖的侧面开孔引出，在塑料顶盖内罐装环氧腻子密封焊接部位，并将螺杆与塑料顶盖拧紧。

所述的膨胀套选用铜合金或者不锈钢材料；所述的橡胶垫片采用丁基橡胶材料制作。

本发明的优点是：利用海底管线上唯一外露的金属结构——镯式牺牲阳极的未完全消耗的部分，采用本发明电连接部件，通过水下机器人施工安装，有效实现管线与牺牲阳极的电连性。此外，为解决传统牺牲阳极堆缺乏稳定性，需要平整的海床作为支撑面的缺陷，使用本发明的地毯式牺牲阳极结构，采取平铺的方式，直接覆盖的管线上或者管线周围，解决阳极堆倾倒问题，更适应于高低不平、环境复杂多变的海床。

本发明可根据海底管线的保护面积，灵活组合，确定牺牲阳极阵列中牺牲阳极的数量，采用凸出的半圆球牺牲阳极结构，降低接水电阻，有利于增大阴极保护电流，使管道快速极化，管道的保护电位负于-850mV（相对于铜/硫酸铜参比电极）。该装置适用于任何复杂的海床结构，甚至平铺在管道表面，对管道起到一定的保护作用。利用牺牲阳极未消耗部分区域，通过水下机器人安装电连接装置，简单有效，既节约了人力成本和安装风险，又保证了地毯式牺牲阳极阵列与被保护管道的电性连接，同时该装置具有无需破坏海底管线的“PE或PP保护层+混凝土层”优点。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明地毯式牺牲阳极阵列中一个牺牲阳极单元的三维结构示意图；

图3为本发明地毯式牺牲阳极阵列中一个牺牲阳极单元的剖视结构示意图；

图4为本发明电缆转接头沿镀锌钢丝绳方向的剖视结构示意图；

图5为图4中铜芯结构的轴向剖视图；

图6为图5的右视图；

图7为本发明电连接装置及其安装方式的结构示意图；

图8为图7中塑料顶盖的俯视图。

附图标记说明：1、地毯式牺牲阳极阵列，2、电缆转接头，3、电连接装置，4、牺牲阳极，5、牺牲阳极导电杆，6、导电钢丝绳，7、聚丙烯绳，8、塑料壳，9、混凝土，10、铜芯，101、小径孔，102、大径孔，11、铜电缆，12、堵头，13、环氧树脂砂浆，14、热缩套，15、钢管，16、螺杆，17、塑料顶盖，171、十字槽，18、橡胶垫片，19、环氧腻子，20、膨胀套，21、原牺牲阳极（镯式牺牲阳极）。

具体实施方式

参见图1-图3，本发明一种海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，包括地毯式牺牲阳极阵列1、电缆转接头2和电连接装置3，地毯式牺牲阳极阵列1通过电缆转接头2与电连接装置3连接，该地毯式牺牲阳极阵列1包括若干个用混凝土包覆的牺牲阳极单元，由纵横两个方向的导电钢丝绳6实现电连接，并通过预埋的吊装绳7实现整个牺牲阳极阵列连接和吊装；该牺牲阳极单元包括牺牲阳极4、牺牲阳极导电杆5和塑料壳8，牺牲阳极4用混凝土固定在塑料壳8内，牺牲阳极4的顶端露出设在塑料壳8顶端的通孔；牺牲阳极4的底端通过牺牲阳极导电杆5与穿过该塑料壳8的该导电钢丝绳6连接，所述的吊装绳7穿入并预埋在塑料壳8内。

所述的牺牲阳极4采用铝基、锌基牺牲阳极或者外层镁基内层铝基的牺牲阳极，为圆柱形，其顶端为半球状。

所述的塑料壳8采用上下拼装结构，每个侧面的拼装处都留有3个小孔，用于安装铺设所述的导电钢丝绳6和起重吊装用的吊装绳7，该导电钢丝绳6采用镀锌钢丝绳，该吊装绳7采用聚丙烯绳。

本发明的地毯式牺牲阳极阵列1可根据海底管线阴极保护面积确定牺牲阳极阵列中阳极单元的数量，组合灵活多样。地毯式牺牲阳极阵列1的结构重心低，稳定性高，适用于复杂海床结构，可平铺海床上或管线表面。塑料壳8采用ABS工程塑料或者聚丙烯材料，塑料壳8的作用是为了包覆牺牲阳极，使浇筑混凝土成型，具有一定的弹性，防止吊装、铺设时破坏海底管线。牺牲阳极4可采用铝基、锌基牺牲阳极或者外层镁基内层铝基牺牲阳极材料，外形为圆柱加半球结构，其中半球结构裸漏在混凝土外，可减少接水电阻，增大发生电流；导电钢丝绳6主要是为串联各个牺牲阳极4，组成牺牲阳极阵列，起到串联和导电的作用，具有一定的柔性，可以根据海床地形的需要完全平铺在海床或者管线表面；吊装绳7为了方便牺牲阳极阵列的吊装，采用强度高、韧性好的聚丙烯绳；混凝土采用高密实度混凝土，既可提前预制，也可现场浇筑，起到给整个牺牲阳极阵列做配重和固定牺牲阳极单体作用。

参见图4-图6，所述的电缆转接头2包括钢管15、热缩套14、堵头12、铜芯10、环氧树脂砂浆13和铜电缆11，圆柱形的铜芯10从轴线均分成两瓣，在其轴心的两个半部分别设有用于穿过铜电缆11的小径孔101和用于穿过所述导电钢丝绳6的大径孔102，分别将剥皮后的铜电缆11和导电钢丝绳6放置在铜芯10的小径孔101和大径孔102内，然后将铜芯、铜电缆、镀锌钢丝绳放置到钢管15的轴线位置，使用密封机将钢管15、铜芯10、铜电缆11和导电钢丝绳6压制成一体，分别在钢管15两端灌入环氧树脂砂浆13，并用聚四氟乙烯堵头12封堵，待固化后，用热缩套14将上述所有部件包覆起来。

参见图7-图8，所述的电连接装置包括螺杆16、塑料顶盖17、膨胀套20、橡胶垫片18和环氧腻子19，金属材质的螺杆16的两端都有螺纹，且上、下的螺纹不连续，上螺纹与塑料顶盖17的内螺纹连接，下螺纹用于拧紧膨胀套20，在该螺杆16下部套有橡胶垫片18；在该螺杆16的顶部焊接从所述电缆转接头2一端引出的铜电缆11；在该塑料顶盖17顶端设有十字槽171，便于机器人以旋转的方式拧紧电连接装置。该铜电缆11从塑料顶盖17的侧面开孔引出，在塑料顶盖17内罐装环氧腻子19密封焊接部位，并将螺杆16与塑料顶盖17拧紧。膨胀套20选用铜合金或者不锈钢材料，具有一定韧性，通过机器人在镯式牺牲阳极21钻孔后，将膨胀套20放入小孔中，该膨胀套20介于镯式牺牲阳极21与螺杆16之间，起着固定、夹紧、导电的作用。橡胶垫片18采用丁基橡胶材料制作，具有良好密封性、耐老化和电绝缘性能，该垫片套18装在螺杆16的下部，紧贴敷塑料顶盖17的下表面，在螺杆16下落拧紧、挤压后，可完全贴敷在镯式牺牲阳极21钻孔的断口处，隔离海水与孔内的膨胀套20和螺杆16，保护孔内金属免受腐蚀。

本发明的安装方法：

将浇筑成型的牺牲阳极单元通过牺牲阳极导电杆5与镀锌钢丝绳6焊接，每个横纵交叉点焊接一个牺牲阳极4；然后将焊接好的牺牲阳极阵列1放入塑料壳8的底盖中，并将聚丙烯绳7铺设在相应位置，安装塑料壳8顶盖，并露出牺牲阳极4的半圆球部分，分别将各个塑料壳8内灌装高密实混凝土9，固化待用。按照上文所述完成电缆转接头2和电连接装置3的加工、制作。

将本发明吊装到待修复钢管的附件或者直接铺设在管道上。水下机器人先对镯式牺牲阳极21未腐蚀区域进行打磨，然后使用钻头在镯式牺牲阳极21上打孔，孔深可根据镯式牺牲阳极21的剩余厚度确定，一般为30~50mm。机器人将电连接装置3的膨胀套20放入小孔内，膨胀套20的长度要小于孔深3~5mm。机器人将电连接装置3的螺杆16部分放入膨胀套20内，然后机器人通过塑料顶盖17的十字槽171以旋转动作拧紧电连接装置，在旋转拧紧过程中，将橡胶垫片18挤压至小孔断口处，并完全覆盖断口，使小孔内的金属部件与海水隔绝。通常情况下，一套地毯式牺牲阳极阵列1可通过3~5个电连接装置3与未消耗完全的镯式牺牲阳极21打孔连接。

应用实例：

按照上述方法安装本发明，管道阴极保护修复前后电位值对比，经测量修复前钢管处 于欠保护状态，管线存在腐蚀的风险，在加装地毯式牺牲阳极装置后，各测量点的电位都负 于850mV，达到了阴极保护设计要求，该装置保护效果良好（参见下表：管道修复前后电位数 值对比）。

测量点位置	1	2	3	4	5
						管道修复前电位 （mV/SCE）	-652	-728	-765	-678	-687
管道修复后电位（mV/SCE）	-902	-879	-923	-989	-976

Claims (6)

1.一种海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，包括地毯式牺牲阳极阵列、电缆转接头和电连接装置，地毯式牺牲阳极阵列通过电缆转接头与电连接装置连接，该地毯式牺牲阳极阵列包括若干个用混凝土包覆的牺牲阳极单元，由纵横两个方向的导电钢丝绳实现电连接，并通过预埋的吊装绳实现整个牺牲阳极阵列连接和吊装；该牺牲阳极单元包括牺牲阳极、牺牲阳极导电杆和塑料壳，牺牲阳极用混凝土固定在塑料壳内，牺牲阳极的顶端露出设在塑料壳顶端的通孔；牺牲阳极的底端通过牺牲阳极导电杆与穿过该塑料壳的该导电钢丝绳连接，所述的吊装绳穿入并预埋在塑料壳内。

2.根据权利要求1所述的海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，所述的牺牲阳极采用铝基、锌基牺牲阳极或者外层镁基内层铝基的牺牲阳极，为圆柱形，其顶端为半球状。

3.根据权利要求1所述的海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，所述的塑料壳采用上下拼装结构，每个侧面的拼装处都留有个小孔，用于安装铺设所述的导电钢丝绳和起重吊装用的吊装绳，该导电钢丝绳采用镀锌钢丝绳，该吊装绳采用聚丙烯绳。

4.根据权利要求1所述的海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，所述的电缆转接头包括钢管、热缩套、堵头、铜芯、环氧树脂砂浆和铜电缆，圆柱形的铜芯从轴线均分成两瓣，在其轴心的两个半部分别设有用于穿过铜电缆的小径孔和用于穿过所述导电钢丝绳的大径孔，分别将剥皮后的铜电缆和导电钢丝绳放置在铜芯的小径孔和大径孔内，然后将铜芯、铜电缆、镀锌钢丝绳放置到钢管的轴线位置，使用密封机将钢管、铜芯、铜电缆和导电钢丝绳压制成一体，分别在钢管孔的两端灌入环氧树脂砂浆，并用聚四氟乙烯堵头封堵，待固化后，用热缩套将上述所有部件包覆起来。

5.根据权利要求1所述的海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，所述的电连接装置包括螺杆、塑料顶盖、膨胀套、橡胶垫片和环氧腻子，金属材质的螺杆的两端都有螺纹，且上、下的螺纹不连续，上螺纹与塑料顶盖的内螺纹连接，下螺纹用于拧紧膨胀套，在该螺杆下部套有橡胶垫片；在该螺杆的顶部焊接从所述电缆转接头一端引出的铜电缆；在该塑料顶盖顶端设有螺丝刀槽，该铜电缆从塑料顶盖的侧面开孔引出，在塑料顶盖内罐装环氧腻子密封焊接部位，并将螺杆与塑料顶盖拧紧。

6.根据权利要求5所述的海底管线阴极保护修复用地毯式牺牲阳极装置，其特征在于，所述的膨胀套选用铜合金或者不锈钢材料；所述的橡胶垫片采用丁基橡胶材料制作。