劉福國,武素茹

(1.中國海洋石油總公司海洋石油工程股份有限公司,天津 300451;2.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局化礦金屬材料檢測(cè)中心,天津 300456)

導(dǎo)管架平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算研究

劉福國1,武素茹2

(1.中國海洋石油總公司海洋石油工程股份有限公司,天津 300451;2.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局化礦金屬材料檢測(cè)中心,天津 300456)

數(shù)值模擬技術(shù)是求解陰極保護(hù)電位模型的有效方法,數(shù)值模擬計(jì)算可以有效地預(yù)測(cè)陰極保護(hù)被保護(hù)體表面電位分布,并以此驗(yàn)證陽極布置效果。該文采用大型防腐蝕數(shù)值模擬分析軟件 Beasy對(duì)小型導(dǎo)管架式平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究,并進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。結(jié)果表明數(shù)值模擬計(jì)算能夠模擬分析陽極布置以及被保護(hù)體表面電位分布,輔助陽極的位置對(duì)導(dǎo)管架表面的電位分布有一定的影響,輔助陽極位置距離導(dǎo)管架越近,導(dǎo)管架表面電位分布越不均勻。采用物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行的驗(yàn)證表明,物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果吻合較好。

外加電流 陰極保護(hù) 數(shù)值模擬 導(dǎo)管架

外加電流陰極保護(hù)是基于電化學(xué)腐蝕原理的一種防腐蝕手段,也是國內(nèi)外公認(rèn)的防止鋼質(zhì)構(gòu)筑物腐蝕的經(jīng)濟(jì)有效的措施[1]。在陰極保護(hù)工程中,電位是監(jiān)視和控制陰極保護(hù)效果的一項(xiàng)重要指標(biāo),因此掌握被保護(hù)體表面的電位分布是非常重要的。在傳統(tǒng)的陰極保護(hù)工程中,大多采用實(shí)際測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的方法來獲得被保護(hù)體表面的電位分布[2]。然而,對(duì)于某些被保護(hù)結(jié)構(gòu),如海底管道、海洋平臺(tái)、深埋的鋼樁或鋼管、大罐的罐底等,實(shí)地測(cè)量技術(shù)難度很大或費(fèi)用昂貴,對(duì)于新項(xiàng)目更不可能事先在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,而經(jīng)驗(yàn)公式又無法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的電位分布進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)[3],可見傳統(tǒng)的方法已難以滿足越來越高的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求。隨著電化學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們嘗試采用數(shù)值計(jì)算方法來獲取被保護(hù)體表面的電位和電流分布狀況,這已成為陰極保護(hù)領(lǐng)域中十分活躍的一個(gè)方面[4]。

1 數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)學(xué)模型[5]

在陰極保護(hù)中通常研究穩(wěn)態(tài)電位場(chǎng)。對(duì)于已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的陰極保護(hù)體系,其中的電位分布可歸結(jié)為橢圓型方程的混合邊值問題。均勻?qū)щ娊橘|(zhì)中穩(wěn)態(tài)的陰極保護(hù)體系的電位分布為Laplace方程混合邊值問題,電場(chǎng) (V)內(nèi)每一點(diǎn)的電位 (E)應(yīng)符合下述邊界條件:

S1:E=E0(第一類邊界條件,電位為常數(shù)的電極表面 S1)

式中:E——電位,V;

σ——腐蝕介質(zhì)電導(dǎo)率,S/m;

i(E)——金屬的極化行為作為邊界條件;n——為邊界內(nèi)法線方向。

運(yùn)用邊界元法將Laplace方程轉(zhuǎn)化成如下形式的邊界積分方程:

對(duì)整個(gè)邊界來說,將各單元疊加,可以用矩陣的形式來表示:

式中:H——電位矩陣;

G——電流密度矩陣。

將邊界條件帶入,用迭代法求解上述方程,可以得出各點(diǎn)電位和電流密度。

2 外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬

2.1 試驗(yàn)方法

該文采用Beasy軟件進(jìn)行導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算。Beasy軟件是英國 CM BEASY公司開發(fā)的大型防腐蝕軟件,在石油化工、海洋工程等領(lǐng)域應(yīng)用較多,此軟件是基于邊界元程序開發(fā)的,邊界元程序軟件能夠在不影響計(jì)算精度的前提下,降低計(jì)算維數(shù),減少計(jì)算量,特別適用于海洋工程大型結(jié)構(gòu)物的防腐蝕數(shù)值模擬計(jì)算。首先采用邊界元軟件 Beasy對(duì)導(dǎo)管架 (圖 1)建模 (圖 2)、網(wǎng)格剖分及外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬。外加電流輔助陽極平均分布到 4個(gè)斜面,并遠(yuǎn)離導(dǎo)管架固定于海水底面,Ag/AgCl參比電極放置到導(dǎo)管架上端中間位置,并始終浸沒于海水中。根據(jù)數(shù)值模擬輔助陽極大小、距離導(dǎo)管架遠(yuǎn)近及電位值進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)水池尺寸 2.4 m×2.4 m×1.6 m,恒電位儀選用T D3691型(天津市中環(huán)電子儀器公司),電位、電流測(cè)量儀選用福泰克 9205A數(shù)字萬用表,輔助陽極選用管狀鈦基金屬氧化物陽極,試驗(yàn)溫度為 (29±1)℃。

圖 2 采用 Beasy軟件對(duì)導(dǎo)管架建模Fig.2 Platfor m model by usingBeasy software

輔助陽極距離導(dǎo)管架遠(yuǎn)近也影響陰極保護(hù)效果,輔助陽極距離導(dǎo)管架選擇 0.2,0.4和 0.6 m分別進(jìn)行導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算,見圖 3～圖 5。輔助陽極電位設(shè)置為 -1.60 V。

圖 3 陽極距模型 0.2 m數(shù)值模擬電位分布Fig.3 Numerical simulation potential distribution of 0.2m be tween anode and model

圖 4 陽極距模型 0.4 m數(shù)值模擬電位分布Fig.4 Numerical simulation potential distribution of 0.4m be tween anode and model

圖 5 陽極距模型 0.6 m數(shù)值模擬電位分布Fig.5 Numerical s imulation potential distribution of 0.6m be tween anode and model

2.2 陰極保護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果與討論

由導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果可知,輔助陽極的位置對(duì)導(dǎo)管架表面的電位分布有一定的影響,輔助陽極位置距離導(dǎo)管架越近,導(dǎo)管架表面電位分布越不均勻。但是都在挪威船級(jí)社(DNV)所規(guī)定的范圍內(nèi)[6]。采用數(shù)值模擬計(jì)算可以有效預(yù)測(cè)被保護(hù)體表面電位的分布情況,能給腐蝕工程師提供參考。采用物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 陰極保護(hù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,選擇輔助陽極距離導(dǎo)管架 0.4 m時(shí)進(jìn)行物理模型試驗(yàn) (圖 6),測(cè)量點(diǎn)見圖 7,待導(dǎo)管架表面電位穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量,表面電位分布見表 1。導(dǎo)管架外側(cè)表面測(cè)量點(diǎn)位 A,對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)測(cè)量點(diǎn)位為A?！?/p>

圖 6 導(dǎo)管架陰極保護(hù)物理模型試驗(yàn)Fig.6 Model experiment of platfor m cathodic protection

由物理模型試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可知,導(dǎo)管架表面電位分布 -973～-1 002 mV,由上到下電位變負(fù),數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表面電位分布在 -971～-998 mV,電位分布也是由上到下變負(fù),兩者吻合較好。

表 1 陰極保護(hù)物理模型試驗(yàn)電位測(cè)量值Table 1 Potential values of cathodic protection model experiment mV

3 結(jié) 論

外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算可以有效地預(yù)測(cè)被保護(hù)體表面電位分布。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明陽極的分布對(duì)被保護(hù)體表面電位的分布有一定的影響,陽極距離導(dǎo)管架 0.6 m時(shí)保護(hù)效果最好,物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果吻合較好。

[1] 于楠,梁成浩,吳建華,等 .基于縮比模型理論的船舶外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)水線下表面電位的研究[J].腐蝕與防護(hù),2006,5(28):369-372.

[2] Degiorgi V G,W immer S A.Geometric details and modeling accuracy requirements for shipboard impressed current cathodic protection system modeling[J].Engineering Analysis with Boundary Elements,2005(29):15-28.

[3] Douglas P R,Mark E O.A mathematical model for the cathodic protection of tank bottoms[J].Corrosion science,2005,47(3):849-868.

[4] 杜艷霞,張國忠,李健 .陰極保護(hù)電位分布的數(shù)值計(jì)算[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2008,28(1):53-58.

[5] 孫吉星.海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)優(yōu)化模型及數(shù)值模擬計(jì)算[D].青島:中國海洋大學(xué),2006.

[6] DETNORSKE VER ITAS(DNV).RP-B401-2005.Catho dic Protection Design[S].Nor way:DETNORSKE VER ITAS,2005.

Study on Numerical S imulation Calculation for Applied Current Cathodic protection of Platform

L iu Fuguo1,W u Suru2
(1.China Offshore O il Engineering Co.,L td.,Tianjin 300451;2.Chem icalsM inerals&M etallicM aterials Inspection Center of Entry-Exit Inspection&Quarantine Bureau,Tianjin300456)

Numerical s imulation calculation is an effective method to study the sacrificial anode cathodic protection,which can effectively predict the potential distribution on the surfaces of protected materials and verify the effectiveness of anode arrangement.The numerical s imulation calculation software-Beasy is used to study the applied current cathodic protection of platform,and the physicalmodel experiment is performed.The results show that numerical simulation calculation can analyze the anode distribution and potential distribution on the surface.The potential distribution is affected by anode position.The closer the anode is to the platform,the greater the ununiformity of potential distribution of platform.The data obtained from physicalmodel experiment fitwell with those from numerical simulation calculation.

applied current,cathodic protection,numerical simulation,platform

TG174.3

A

1007-015X(2011)06-0009-04

2011-02- 23;修改稿收到日期:2011-09-27。

劉福國,男,2008年畢業(yè)于中國海洋大學(xué),博士學(xué)位,2010年中海研究總院博士后,現(xiàn)在中國海洋石油總公司海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司主要從事海洋結(jié)構(gòu)物防腐設(shè)計(jì)與科研工作。E-mail:liufg@mail.cooec.com.cn

(編輯 寇岱清)