魏 來, 趙亞忠

(1.中海石油技術(shù)檢測有限公司,天津 300452;2.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

在石油開采、儲運和加工過程中,儲罐是極其重要的基礎(chǔ)設(shè)施,其正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。然而,在服役過程中,由于儲罐長期接觸原油以及其他腐蝕性介質(zhì),容易發(fā)生腐蝕,大大縮短了儲罐的服役壽命,情況嚴(yán)重時還會造成罐壁穿孔,引發(fā)原油泄漏,以致發(fā)生重大火災(zāi)或爆炸事故,影響整個生產(chǎn)過程的正常運行。

接管是儲罐內(nèi)部的重要組成部分,由于接管直接接觸原油采出液等腐蝕性介質(zhì),接管會出現(xiàn)不同程度的局部腐蝕,腐蝕嚴(yán)重時會發(fā)生穿孔泄漏,直接影響生產(chǎn)的安全運行。因此,開展對儲罐接管的防腐蝕技術(shù)研究,不僅能為儲罐的防腐蝕設(shè)計提供科學(xué)依據(jù),而且對于減少由腐蝕造成的經(jīng)濟損失及環(huán)境污染也具有重要意義。

陰極保護是阻止儲罐腐蝕的有效辦法,國內(nèi)大型儲罐普遍采用了區(qū)域陰極保護技術(shù)。近年來,ANSYS有限元分析軟件、BEASYCP邊界元分析軟件和FLUENT流體模擬軟件等數(shù)值模擬軟件都已成功用于儲罐底板陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中[1-2]。通過數(shù)值模擬可獲取整個陰極保護系統(tǒng)的電位分布規(guī)律,實現(xiàn)陰極保護設(shè)計參數(shù)和方案的最優(yōu)化。由于儲罐接管陰極保護電位檢測難度較大,其陰極保護效果評價較為困難;目前的研究還沒有涉及儲罐接管陰極保護的數(shù)值模擬。在常規(guī)管道陰極保護電位分布的研究中,有限元法的使用越來越廣。方江敏等[3]運用ANSYS有限元分析軟件對埋地鋼質(zhì)管道電位進(jìn)行了分析,分析了影響陰極保護電位分布的因素。孫吉星等[4]利用有限元法對不同年限的防腐涂層管道的陰極保護效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。雖然這些研究都得到了非常有益的結(jié)果,但關(guān)于腐蝕缺陷影響管道陰極保護效果的研究甚少。季廷偉等[5]采用COMSOL有限元模擬軟件研究了海水介質(zhì)中X80管線鋼腐蝕缺陷處的陰極保護的有效性,為模擬腐蝕缺陷處的陰極保護效果提供了一種有效的方法。上述研究均沒有涉及儲罐接管腐蝕缺陷對陰極保護效果的影響,也沒有考慮到不同陰極保護電位的影響,更沒有涉及用ABAQUSCAE有限元分析軟件對腐蝕缺陷進(jìn)行陰極保護效果模擬的相關(guān)研究。因此,掌握儲罐接管腐蝕缺陷部位的陰極保護電流密度及電位分布規(guī)律,確定合適的陰極保護類型,對于提高儲罐的安全系數(shù)具有重要的意義。

該文利用ABAQUSCAE有限元分析軟件進(jìn)行儲罐接管建模,模擬腐蝕缺陷部位,對接管進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并基于電化學(xué)腐蝕試驗,通過測試接管在原油采出液中的極化曲線,擬合出接管建模所需要的邊界條件。研究局部電位、電流密度與腐蝕缺陷之間的關(guān)系,分析腐蝕缺陷對儲罐接管陰極保護效果的影響,為儲罐接管的防護提供了有效的指導(dǎo)。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

測試材料為Q235低碳鋼,屈服極限在235 MPa左右,其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.22%,由于含碳適中,其強度和塑性等綜合性能較好,用途比較廣泛。

1.2 腐蝕電化學(xué)測試

測量極化曲線可以獲得金屬腐蝕過程的動力學(xué)信息,如腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率等。腐蝕電化學(xué)測試時,采用三電極電解池,對電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極,工作電極為Q235鋼,采用原油采出液+3%NaCl溶液作為模擬儲罐腐蝕介質(zhì)。根據(jù)電化學(xué)試樣要求,將測試材料裁成適合試驗使用的大小,測試前將試樣打磨光亮,選擇600號、800號、1000號和1200號水磨砂紙將試樣打磨平整,之后在拋光機上涂抹少量研磨膏,將水龍頭開至水滴呈滴落狀,對試樣進(jìn)行拋光,使其表面成為鏡面,最后將拋光好的試樣用無水乙醇清洗,用吸水棉擦凈,用吹風(fēng)機吹干。極化曲線測試前先使開路電位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),用時約1 h。測量動電位極化曲線時,將掃描范圍設(shè)定為-0.6～0.8 V,掃描速率為0.5 mV/s。利用Cview軟件對極化曲線測試結(jié)果進(jìn)行擬合分析,計算腐蝕動力學(xué)參數(shù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 儲罐接管建模

采用ABAQUSCAE軟件對儲罐接管進(jìn)行建模,該有限元數(shù)值模擬方法能夠有效地模擬接管管壁上任意形狀的缺陷部位,可以獲得缺陷點位內(nèi)部更加精確的電位和電流分布。

儲罐接管表面的腐蝕缺陷見圖1,接管表面最具有代表性的腐蝕缺陷點呈現(xiàn)半橢球形。為了簡化有限元數(shù)值模擬,利用CATIA軟件制作出接管模型,在接管模型上設(shè)置4個缺陷點位,具體的模型見圖2。

圖1 儲罐接管表面的腐蝕缺陷

圖2 CATIA軟件繪制的接管模型

選擇具有代表性的腐蝕缺陷點,設(shè)置缺陷點的寬度與深度,具體的參數(shù)設(shè)定見表1。對于接管整體模型,設(shè)定接管長度為0.1 m,內(nèi)徑為0.02 m,將每個缺陷點的位置間隔設(shè)置成0.02 m。

表1 接管腐蝕缺陷點的參數(shù)設(shè)定

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ABAQUSCAE軟件進(jìn)行有限元仿真,首先需要導(dǎo)入用CATIA軟件繪制的模型,對含腐蝕缺陷的接管進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分情況見圖3。采用最簡單的Tet單元形狀,單元類型設(shè)置為DC3D4E,利用Mesh功能可以將模型總共劃分出201 289個小的網(wǎng)格單元,網(wǎng)格的最大尺寸是 0.04 m,把網(wǎng)格的最大生長率設(shè)定為1.05。

圖3 接管模型的網(wǎng)格劃分情況

2.3 邊界條件設(shè)定

數(shù)值模擬時評價-1.1 V和-3.0 V兩種電位下接管的陰極保護效果?？紤]到接管在儲罐中的實際情況,設(shè)定接管表面的初始溫度為20 ℃,將含腐蝕缺陷點的接管表面看作陰極,施加-1.1 V或者-3.0 V的電位邊界條件,給接管表面施加10 A的電流,模擬此時腐蝕缺陷點的電位與電流密度分布情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 腐蝕動力學(xué)參數(shù)確定

Q235鋼的動電位極化曲線如圖4所示。在原油采出液+3%NaCl溶液中,Q235鋼處于活性溶解狀態(tài)。Q235鋼電化學(xué)陽極和陰極反應(yīng)分別是陽極的金屬溶解反應(yīng)與陰極的吸氧腐蝕反應(yīng)。

圖4 Q235鋼的動電位極化曲線

(1)

(2)

(3)

數(shù)值模擬需要確定邊界條件相關(guān)的電化學(xué)參數(shù),腐蝕電流密度、Tafel斜率以及腐蝕電位可以根據(jù)Cview軟件直接擬合得出,但是平衡電位和交換電流密度無法直接擬合得出,需要進(jìn)一步計算。對于同一個電極反應(yīng)而言,其得失電子的能力可以通過交換電流密度來體現(xiàn),能反映一個電極反應(yīng)進(jìn)行的難易程度。對于任意電池反應(yīng),其平衡電位及交換電流密度均可根據(jù)能斯特方程進(jìn)行計算。通過動電位極化曲線擬合以及能斯特方程計算獲得腐蝕動力學(xué)參數(shù),計算結(jié)果見表2,可將其作為模擬軟件邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬。

表2 腐蝕動力學(xué)參數(shù)

3.2 在-1.1 V下接管的陰極保護效果

在-1.1 V陰極保護電位下,缺陷點總的電位分布云圖見圖5,各缺陷點的電位分布云圖見圖6。此時設(shè)定的陰極保護電位為-1.1 V,選擇的參比電極為甘汞電極,儲罐接管處于陰極保護狀態(tài)。由圖5可知,接管表面腐蝕缺陷部位的外部電位變負(fù),而缺陷內(nèi)部的電位有升高的趨勢,與缺陷點最頂部電位相比,缺陷點最底部電位較正。由于在腐蝕缺陷部位的陰極保護電位分布不均勻,使得接管上有腐蝕缺陷的部位不能得到完全有效的保護。當(dāng)缺陷深度增加或缺陷寬度減小時,缺陷底部電位變正的趨勢愈發(fā)明顯,缺陷處的陰極保護效果變差。

圖5 缺陷點總的電位分布云圖

圖6 各缺陷點的電位分布云圖

圖7是缺陷點總的電流密度分布云圖,圖8是各缺陷點的電流密度分布云圖。觀察不同缺陷部位的電流密度分布云圖能夠得出,雖然接管處于-1.1 V電位的陰極保護之下,但其電流密度的分布也不盡相同。由圖8可知,缺陷開口部位電流密度較低,當(dāng)缺陷深度不斷地增加或者寬度越來越小時,缺陷內(nèi)的電流密度不斷變大。其中3號腐蝕缺陷點(寬度0.5 mm、深度10 mm)底部電流密度最大,陰極保護電流不易進(jìn)入缺陷底部,陰極保護效果最差。

圖7 缺陷點總的電流密度分布云圖

圖8 各缺陷點的電流密度分布云圖

3.3 在-3.0 V下接管的陰極保護效果

在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷點總的電位分布和電流密度分布云圖分別見圖9和圖10。在-3.0 V陰極保護電位下,接管各腐蝕缺陷部位的外部電位較-1.1 V時更負(fù)。當(dāng)缺陷深度增加或?qū)挾葴p小時,缺陷底部電位正移的趨勢更加明顯。在-1.1 V陰極保護電位下,缺陷底部電位為-1.031 V;在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷底部電位為-2.931 V;與-1.1 V條件下相比,在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷部位底部的電位更低。因此,對接管設(shè)定更負(fù)的陰極保護電位,可降低接管腐蝕缺陷底部的電位,有助于提高缺陷底部的陰極保護效果。

圖9 缺陷點總的電位分布云圖

圖10 缺陷點總的電流密度分布云圖

在-1.1 V陰極保護電位下,缺陷底部電流密度為9.467×103A/m2;在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷底部電流密度為7.209×103A/m2;與-1.1 V條件下相比,在-3.0 V陰極保護電位下,各缺陷底部電流密度均有所減小。這說明更負(fù)的陰極保護電位有助于降低腐蝕缺陷底部的電流密度,進(jìn)而提高缺陷部位的陰極保護效果。在-1.1 V和-3.0 V陰極保護電位條件下,接管腐蝕缺陷部位電位分布與電流密度分布趨勢基本一致,二者主要的區(qū)別只是在電位和電流密度數(shù)值上有所不同。

采用數(shù)值模擬的方法對接管腐蝕缺陷部位的陰極保護效果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),陰極保護不能完全做到對管道腐蝕缺陷的有效防護。當(dāng)缺陷部位變窄或變深時,缺陷部位的底部幾乎沒有陰極保護效果。除此之外,缺陷部位底部的腐蝕會不斷向縱深發(fā)展,長此以往會對管道造成嚴(yán)重的腐蝕,導(dǎo)致管道發(fā)生腐蝕穿孔。腐蝕缺陷具有極大的隱患,影響到儲罐接管的正常運作,必須引起重視,提早預(yù)防。

4 結(jié) 論

(1)ABAQUSCAE有限元分析軟件可用于研究儲罐接管腐蝕缺陷處的陰極保護效果。通過測試Q235鋼在儲罐腐蝕介質(zhì)中的動電位極化曲線,可以擬合出儲罐接管建模分析所需要的關(guān)鍵的腐蝕動力學(xué)參數(shù)。

(2)儲罐接管腐蝕缺陷內(nèi)的陰極保護效果與缺陷部位的形狀、大小及深度有關(guān)。在腐蝕缺陷部位,陰極保護電位和電流密度分布不均勻,使得接管上有腐蝕缺陷的部位不能得到完全有效的保護。當(dāng)腐蝕缺陷部位變窄或變深時,缺陷部位陰極保護電位變正,缺陷底部電流密度增加,缺陷對陰極保護的屏蔽作用增強,使陰極保護的效果變差。

(3)陰極保護不能完全做到對儲罐接管腐蝕缺陷部位的有效防護。在不同的陰極保護電位條件下,腐蝕缺陷部位電位分布與電流密度分布規(guī)律相同。更負(fù)的陰極保護電位降低了各缺陷底部的電流密度,有助于提高缺陷部位的陰極保護效果。