,,,(1. 鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究有限公司，青島 266071； 2. 青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，青島 266071)

小管徑海水管道廣泛用于各種海洋工程裝備,如濱海電場、艦船裝備、浮式儲油輪等，且這些管道所處空間狹小，受力復雜，因此屬于海工裝備的腐蝕隱患部位。工程中常用外加電流陰極保護方式對小管徑海水管道內壁進行腐蝕防護。外加電流陰極保護所使用的輔助陽極可以是分散的棒狀陽極，也可以是連續(xù)的線型陽極[1]。線型陽極的保護電位分布均勻，但其接頭處的密封及安裝施工困難；棒狀陽極的保護電位受管道密閉空間及介質電導率等因素影響呈現不均勻分布狀態(tài)[2]，因對管道內部各點電位同時進行實時監(jiān)測困難，其電位分布一般用有限元計算或者模擬方式呈現。本工作通過自主設計的電位實時監(jiān)測裝置對實海環(huán)境中小管徑管道內壁軸向各點的電位變化進行監(jiān)測，并與Beasy軟件模擬計算方法比較，探究了小管徑管道中棒狀陽極的軸向保護距離。

1 試驗

1.1實海試驗

試驗介質：青島海域海水；試驗溫度：15～20 ℃。

試驗材料：碳鋼管DN200、DN125、DN100、DN80各一段(鋼管內部無涂層，為裸露碳鋼)，管徑分別為200，125，100，80 mm，每段鋼管的長度為其管徑的十倍；輔助陽極為φ2 mm×12 mm MMO(Mixed Metal Oxide)棒狀陽極；參比電極為自制40路線型高純鋅電極。

按圖1所示接入各試驗設備。四段鋼管通過法蘭變徑連接，法蘭連接處絕緣，各管段端部開孔，可接入棒狀陽極。每段管道端部有四個開孔，為棒狀輔助陽極安裝部位。另外，首段鋼管的前端及尾段鋼管的后端分別開孔裝入自制40路線型參比電極。將MMO棒狀輔助陽極與鋼管分別連接到恒電位儀的正負接線柱，線型參比電極與鋼管連接到多通道電位采集器，便可采集參比電極反饋的鋼管各點的陰極保護(陰保)電位。通入海水，待1 h至參比電極穩(wěn)定后，接通恒電位儀開關，對MMO棒狀陽極施加穩(wěn)定的直流電流，觀察并記錄各管段陰保電位的分布。40路線型參比電極可精確監(jiān)測到20 cm間隔的電位。測試得到電位均相對于參比電極。

圖1 管道內部外加電流陰極保護試驗示意圖Fig. 1 Diagram of impressed current cathodic protection test for inside of pipe

1.2 Beasy軟件模擬計算

采用Beasy 軟件對管道內部外加電流陰極保護數值進行模擬計算。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、海洋工程等領域應用較多，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算精度的前提下，降低計算維數， 減少計算量，特別適用于海洋工程中不易檢測裝置的防腐蝕數值計算[3-4]。

首先,采用Beasy軟件對四種管徑管道進行建模，將輔助陽極布置在管道端部的中間位置;然后,對模型進行網格劃分，模擬輔助陽極與海水管道內壁上各點軸向距離對外加電流陰極保護的影響。

2 結果與討論

2.1 實海環(huán)境管道的陰保電位

采取恒電流法測定管道陰保電位曲線。恒定電流通過恒電位儀施加，根據每段管道棒狀陽極相對于參比電極的電位確定恒定電流大小，以確保陽極附近電位不超過極化電位且可使管道迅速極化[5]。當棒狀陽極相對于參比電極的電位為0 mV時，所加電流值合適。恒電流陰極極化測得的管道軸向陰保電位變化曲線如圖2所示。

由于高純鋅在海水中穩(wěn)定性好，且易加工，因此適用于此次參比的選材和制作。相對于高純鋅，海水中碳鋼的自然腐蝕電位在500～560 mV，極化電位在0～250 mV時碳鋼處于有效的被保護狀態(tài)。

由圖2可見：在軸向距離棒狀陽極90 cm處，DN200管道的陰保電位為250 mV，這表明管道內部棒狀陽極軸向保護距離為90 cm；同理，棒狀陽極對DN125管道的軸向保護距離為60 cm，對DN100管道的軸向保護距離為24 cm，對DN80管道的軸向保護距離為20 cm。以上結果表明，隨管徑的減小，管道內部棒狀陽極的軸向保護距離呈遞減規(guī)律。由圖2還可見：當管徑≥125 mm時，軸向相鄰兩監(jiān)測點間的電位差約為50 mV；而管徑≤100 mm時，軸向相鄰兩監(jiān)測點間的電位差突然變大，約為200 mV。以上結果表明，當管徑≤100 mm時，保護距離已降到最小，保護作用不大，因此管徑小于100 mm的管道不適宜用棒狀陽極方式進行保護。

2.2 Beasy軟件模擬結果

模擬得到的管道軸向陰保電位分布如圖3所示。由圖3可見：模擬得到棒狀陽極對DN200與DN125管道的軸向保護距離分別為82，55 cm，與實海測試結果相近，差異率最大為2.5%；模擬得到棒狀陽極對DN100和DN80管道的軸向保護距離均為40 cm，而實海測試結果分別為24 cm和20 cm，數值差異很大，差異率最大為100%。這說明對于類似DN100和DN80的小管徑管道，外加電流陰極保護在實海測試中受實際因素如管道空間、管道表面狀態(tài)等的影響較大，棒狀陽極對管道的軸向保護距離較短，實海測試結果比計算結果偏小很多，因此管徑≤100 cm的小管徑管道不適宜用外加電流棒狀陽極方式進行腐蝕防護。

(a) DN200

(b) DN125

(c) DN100

(d) DN80圖2 恒電流下測得各管道軸向陰保電位變化曲線Fig. 2 Cathodic protection potential curves in axial direction of pipeline in constant current

(a) DN200

(b) DN125

(c) DN100

(d) DN80圖3 恒電流下管道軸向陰保電位的模擬結果Fig. 3 Simulated results of cathodic protection potentials in axial direction of pipeline in constant current

2.3 棒狀陽極保護作用分析

由管道陰保電位變化曲線圖知：四組管道陰保電位的測試值均呈現靠近陽極的位置電位較負，而遠離陽極的位置電位較正的規(guī)律。這是因為在陰極保護系統(tǒng)中，離棒狀陽極越近的陰極區(qū)域，其陰、陽極回路間的溶液電阻越小，電流傾向流經阻力較小的回路，因此會出現上述規(guī)律。值得注意的是，由于各陰極區(qū)域的電流大小不同，造成不同陰極表面的狀態(tài)也有所差別，如陰極電流大的區(qū)域，表面陰極反應速率較大，致使電極表面的氧濃度降低、陰極產物濃度增加，進而影響了陰極反應中氧擴散、電荷轉移等步驟的速率[6-7]。因此，試驗結果中，陰極電位與陰、陽極間的距離未出現正比例關系。以上分析說明陰極極化狀態(tài)不能僅考慮溶液電阻的影響，還要考慮不同區(qū)域的陰極反應狀態(tài)。

此外，管徑越小的管路，單位長度的溶液電阻越大，因此在與輔助陽極等距離的各陰極點處，管徑越小的管道中，流經的電流越小，電位越正，保護效果越差。因此，隨著管徑的減小，陰極保護距離也隨之減小，對于管徑在100 mm以下的管道，由于保護距離過短，不適宜用棒狀陽極外加電流的方法進行陰極保護。

3 結論

(1) 由實海測試結果可知，在管道軸向，離陽極距離越大，管道的陰保電位變負的傾向越?。欢S管道管徑變小，由于介質電阻變大，陽離子擴散受阻，所以保護距離也變??；當管徑≤100 mm時，棒狀輔助陽極方式基本起不到保護作用。

(2) 由Besay軟件模擬計算可知， 棒狀輔助陽極對DN200、DN125管道的保護距離與實海試驗結果大體一致，而對DN100、DN80管道的軸向保護距離與實海試驗所得結果相差較大。在實海試驗中，小管徑管道受實際環(huán)境影響較大，所以需按照實海試驗數據指導海上工程施工。

(3) 管道棒狀輔助陽極保護方式對管徑≤100 mm的管道作用不大，因小管徑管道較多應用于濱海設施，應考慮研究其他保護方式，確保其有效壽命，如：能提供穩(wěn)定保護電位的線型輔助陽極，重點研究安裝，密封工藝等對小管徑管道的腐蝕防護的影響。

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