摘 要：犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)是防止海洋平臺(tái)腐蝕的一種可靠手段。該文以導(dǎo)管架平臺(tái)為研究對(duì)象，選取DNV設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定犧牲陽(yáng)極的數(shù)量及相關(guān)布置，設(shè)計(jì)一套可靠的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)方案。借助數(shù)值仿真技術(shù)，通過研究導(dǎo)管架表面電位分布及腐蝕速率的變化來探究服役期間導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)效果隨陽(yáng)極溶解的變化。

關(guān)鍵詞：犧牲陽(yáng)極；陰極保護(hù)；COMSOL；保護(hù)電位；腐蝕電流密度

中圖分類號(hào)：P752 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0008-05

Abstract： Sacrificial anode cathodic protection technology is a reliable means to prevent corrosion of offshore platforms. In this paper， taking the jacket platform as the research object， selecting DNV design criteria， determining the number and related layout of sacrificial anodes， and designing a reliable sacrificial anode cathodic protection system scheme. With the help of numerical simulation technology， the change of cathodic protection effect of the jacket platform with anodic dissolution during service was explored by studying the changes in potential distribution on the jacket surface and corrosion rate.

Keywords： sacrificial anode; cathodic protection; COMSOL; protective potential; corrosion current density

處于海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架平臺(tái)主要分為5個(gè)不同的腐蝕區(qū)域，包括海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底海泥區(qū)[1-2]。對(duì)于處于不同區(qū)域的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，會(huì)采取不同的防腐措施。目前大多數(shù)采取的防腐措施是：在海水全浸區(qū)和海底海泥區(qū)采取陰極保護(hù)和基礎(chǔ)涂層結(jié)合，在其他區(qū)域采用多層涂層防護(hù)。陰極保護(hù)主要可以分為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)和外加電流陰極保護(hù)技術(shù)[3-4]。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)具有技術(shù)成熟、施工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。在安裝固定好犧牲陽(yáng)極后，導(dǎo)管架設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，不需要根據(jù)海洋環(huán)境的變化對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，較為方便[5]。因此，從目前海洋平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用而言，在海水全浸區(qū)與海底海泥區(qū)多采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)方法。

應(yīng)用數(shù)值算法進(jìn)行陰極保護(hù)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展歷史，1983年Danso和Warne第一次采用“邊界元法”這一名稱對(duì)其在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)上應(yīng)用的原理進(jìn)行論述，并報(bào)導(dǎo)了應(yīng)用邊界元法的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)英國(guó)北海油田某一采油平臺(tái)進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功應(yīng)用[6]。年繼業(yè)等[7]以作業(yè)于南海的某水下管匯犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過邊界元數(shù)值模擬方法，對(duì)某水下管匯犧牲陽(yáng)極布置進(jìn)行優(yōu)化，獲得水下管匯各犧牲陽(yáng)極的輸出電流基本一致的優(yōu)化方案。Parsa等[8]利用有限元法模擬了油井套管陰極保護(hù)電位模擬分布，研究確定了不同土壤電導(dǎo)率的最佳外加電流密度。蘭志剛等[9]在2010年以邊界算法為基礎(chǔ)，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并且還總結(jié)了一些數(shù)值模擬技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用（主要是針對(duì)陰極保護(hù)和腐蝕預(yù)測(cè)問題）。2020年李杰等[10]針對(duì)海上風(fēng)電平臺(tái)水下導(dǎo)管架及支撐鋼管樁基礎(chǔ)的防腐保護(hù)，提出一種新的陰極保護(hù)方案，該方案引入遠(yuǎn)地式犧牲陽(yáng)極地床，采取CP Master模擬軟件進(jìn)行分析，通過有限元分析和數(shù)值模擬來評(píng)價(jià)其陰極保護(hù)效果。2021年周冰等[11]利用 BEASY CP 數(shù)值模擬軟件，比較不同方案下犧牲陽(yáng)極輸出總電流，得出了最優(yōu)的犧牲陽(yáng)極數(shù)量、組合方式和位置，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電位分布更均勻。

本文的主要工作是以導(dǎo)管架平臺(tái)為研究對(duì)象，依據(jù)DNV設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定犧牲陽(yáng)極的數(shù)量及相關(guān)布置，設(shè)計(jì)了一套可靠的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)方案。應(yīng)用COMSOL軟件建立導(dǎo)管架平臺(tái)犧牲陽(yáng)極的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬表面保護(hù)電位分布情況并評(píng)估保護(hù)期內(nèi)陰極保護(hù)效果。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)及犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)管架平臺(tái)為四腿導(dǎo)管架平臺(tái)，所處水深為25 m，入泥深度50 m。導(dǎo)管架一共分為3層，每層的標(biāo)高分別為EL.（+）18.0 m、EL.（+）31 m、EL.（+）40 m。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.2 犧牲陽(yáng)極布置

基于DNV規(guī)范[12-13]，經(jīng)過計(jì)算，需要在導(dǎo)管架上布置64個(gè)犧牲陽(yáng)極塊。由于導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，為了減小后續(xù)計(jì)算量，僅在導(dǎo)管架的1/4上進(jìn)行布置，即布置16個(gè)陽(yáng)極塊。為了保證每個(gè)陽(yáng)極進(jìn)行有效的電流輸出，陽(yáng)極間應(yīng)該保持合適的間距，一般陽(yáng)極間的間距不小于陽(yáng)極的兩鐵腳間長(zhǎng)，也就是2 500 mm。

具體陽(yáng)極參數(shù)[14-15]結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，參數(shù)見表1，陽(yáng)極布置情況及各陽(yáng)極標(biāo)號(hào)如圖3所示。

2 數(shù)值建模

2.1 電化學(xué)原理

建模設(shè)定所處區(qū)域空氣、海水、海泥介質(zhì)均勻且不隨時(shí)間變化，電解質(zhì)電荷守恒模型[10-11]如式（1）所示

， （1）

式中：il為電解質(zhì)電流密度；？滓l為電解質(zhì)電導(dǎo)率；？準(zhǔn)l為電解質(zhì)電位。

陽(yáng)極反應(yīng)僅考慮陽(yáng)極的鋁陽(yáng)極氧化和鋼鐵的氧化反應(yīng)，陰極反應(yīng)為溶解氧還原，不同涂層情況鋼表面還原反應(yīng)受到極限擴(kuò)散電流密度限制，將其設(shè)為受涂層擊穿系數(shù)和保護(hù)時(shí)間的函數(shù)，鋁陽(yáng)極極化取線性極化關(guān)系，鐵氧化和氧還原極化為塔菲爾極化關(guān)系[12-13]，極化關(guān)系如式（2）—（4）所示

式中：iX和i為電極電流密度和電極交換電流密度；EX為電極平衡電位；？漬s為電極表面電位；？琢a和？琢c為過電位對(duì)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)活化能的影響系數(shù)；F為法拉第常數(shù)；R為氣體平衡常數(shù)；T為開氏溫度；AX為電極反應(yīng)塔菲爾斜率。

2.2 模型建立

將在SolidWorks中建成的導(dǎo)管架模型導(dǎo)入COMSOL軟件中，利用COMSOL軟件對(duì)目標(biāo)導(dǎo)管架設(shè)定邊界條件、材料屬性，并且采用合適的網(wǎng)格劃分，隨后進(jìn)行數(shù)值仿真操作。為了減少計(jì)算量，對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行差集操作，對(duì)導(dǎo)管架的1/4進(jìn)行研究，如圖4所示。采用自由四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖5所示。

3 模擬結(jié)果與分析

導(dǎo)管架的大氣區(qū)主要靠防銹漆涂層進(jìn)行保護(hù)，海水全浸區(qū)靠基礎(chǔ)3LPE涂層和犧牲陽(yáng)極發(fā)出的電流進(jìn)行保護(hù)[16-18]。對(duì)于海泥區(qū)，主要靠較高的管道厚度腐蝕余量設(shè)計(jì)x7pykbelntt6054rjNs8Zw==。同時(shí)部分保護(hù)電流經(jīng)由陽(yáng)極、海水、海泥，再流入導(dǎo)管架海泥區(qū)，提供附加保護(hù)[19]。

圖6為犧牲陽(yáng)極保護(hù)0 a、20 a時(shí)，導(dǎo)管架海水全浸區(qū)與海底海泥區(qū)表面的電位分布。從圖6中可以看出，在靠近陽(yáng)極塊的地方，導(dǎo)管架表面電位顏色較深，電位值較負(fù)。在正對(duì)陽(yáng)極塊的地方，為表面電位最負(fù)值。而在腿柱與斜撐的焊接處，顏色較淺，導(dǎo)管架表面電位較正。在整個(gè)使用年限內(nèi)，整體保護(hù)電位都低于-0.8 V，達(dá)到完全保護(hù)。圖7為保護(hù)初末期犧牲陽(yáng)極的形狀對(duì)比圖，末期陽(yáng)極半徑減小，但沒有出現(xiàn)鋼芯暴露。圖8顯示了安裝在腿柱不同標(biāo)高下的4個(gè)陽(yáng)極塊腐蝕速率隨時(shí)間的變化?？拷撞亢Ｄ嗟年?yáng)極塊腐蝕速率較大，這是由于泥下部分面積依靠底部陽(yáng)極保護(hù)，因此靠近底部陽(yáng)極消耗更快，越到保護(hù)末期，陽(yáng)極半徑越小，對(duì)應(yīng)的厚度減小越快。可以根據(jù)模擬結(jié)果，適當(dāng)增加底部陽(yáng)極的尺寸。

圖9為不同時(shí)期導(dǎo)管架表面電位隨水深分布圖，可知隨時(shí)間增加，全水深保護(hù)電位均有所降低，水下區(qū)域電位隨距離陽(yáng)極塊遠(yuǎn)近呈現(xiàn)波動(dòng)，海底海泥區(qū)因?yàn)闊o陽(yáng)極塊安裝，所以電位趨于一致。

圖9 不同時(shí)期導(dǎo)管架表面電位隨水深分布圖

圖9進(jìn)一步說明了導(dǎo)管架保護(hù)電位隨深度及時(shí)間的變化。在水深0 m以下代表著海底海泥區(qū)表面電位隨水深的變化情況，右邊0 m以上代表海水全浸區(qū)表面電位隨水深的變化情況。隨著時(shí)間增大，導(dǎo)管架的整體電位逐漸正移，說明陽(yáng)極的保護(hù)效果逐漸降低。由于鋼結(jié)構(gòu)受到有效保護(hù)的表面電位在-0.80～-1.05 V范圍內(nèi)，設(shè)定y軸最大值為-0.80 V，因此，曲線某點(diǎn)電位不超出y軸上限，則說明該點(diǎn)受到有效保護(hù)。隨著時(shí)間增加，導(dǎo)管架表面保護(hù)電位逐漸正移。這是因?yàn)殡S著保護(hù)年限的增加，涂層擊穿效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致表面需要的保護(hù)電流增加，同時(shí)在服役過程中陽(yáng)極尺寸不斷縮小，而陽(yáng)極的發(fā)射電流與其等效半徑成反比，即半徑越小，發(fā)射電流越小，從而降低了犧牲陽(yáng)極的整體保護(hù)效果，

4 結(jié)論

采用DNV陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范，為所處水深25 m、入泥深度50 m的導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案，并利用COMSOL軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

1）根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)安裝的海水區(qū)犧牲陽(yáng)極，可以對(duì)海洋大氣區(qū)和海底海泥區(qū)提供附加保護(hù)，涂層無破損的情況下，在使用年限內(nèi)能保證安全。

2）靠近樁腿底部的陽(yáng)極消耗較快，這是由于泥下部分面積無附加涂層，需依靠底部陽(yáng)極保護(hù)，因此底部陽(yáng)極消耗更快，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)模擬結(jié)果，適當(dāng)增加底部陽(yáng)極的尺寸。

3）在整個(gè)保護(hù)年限內(nèi)，導(dǎo)管架整體電位逐漸正移，陰極保護(hù)效果逐漸降低。一方面是因?yàn)殛?yáng)極尺寸不斷縮小，陽(yáng)極發(fā)生電流降低；另一方面也是因?yàn)橥繉拥膿舸┬?yīng)，表面需要的保護(hù)電流隨年限增加而增大所致。

4）COMSOL的仿真結(jié)果可以作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，用于初步設(shè)計(jì)和后續(xù)條件改變后的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案改造的參考。

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