常 煒,孫 榮,于 湉,宋世德,黃一

(1. 中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100027； 2. 大連理工大學(xué)，大連 116024)

導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)無陽極屏蔽層的可行性研究

常 煒1,孫 榮2,于 湉1,宋世德2,黃一2

(1. 中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100027； 2. 大連理工大學(xué)，大連 116024)

依據(jù)NACE-SP0176-2007規(guī)范，在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，輔助陽極與結(jié)構(gòu)物表面的距離不小于1.5 m，否則需要采用屏蔽層以防止過保護(hù)。在導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，輔助陽極與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面之間的距離是一個(gè)重要的參數(shù)，對陽極屏的使用與否有直接影響，也間接對陰極保護(hù)系統(tǒng)的造價(jià)和運(yùn)行方案產(chǎn)生影響。通過陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)，改變輔助陽極與導(dǎo)管架之間的距離，得到在無陽極屏蔽層并且不發(fā)生過保護(hù)的前提下，輔助陽極可以釋放的最大電流，并通過實(shí)海試驗(yàn)予以了驗(yàn)證。數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果均表明，針對輔助陽極與結(jié)構(gòu)表面之間的不同距離條件控制輔助陽極的最大釋放電流，不僅可以避免使用陽極屏蔽層帶來一系列工程問題，而且能夠?yàn)閷?dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

外加電流陰極保護(hù)；陽極屏蔽層；保護(hù)距離；數(shù)值模擬

在導(dǎo)管架平臺(tái)的防腐蝕問題中，需要針對海洋大氣區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)以及海泥區(qū)等四個(gè)特征區(qū)域采用相應(yīng)的防腐蝕技術(shù)和措施。其中，處于海水全浸區(qū)和海泥區(qū)的結(jié)構(gòu)表面，通常采用陰極保護(hù)技術(shù)以達(dá)到防腐蝕目的。長期的工程實(shí)踐表明，犧牲陽極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法是針對導(dǎo)管架平臺(tái)實(shí)施陰極保護(hù)技術(shù)的有效措施。在外加電流陰極保護(hù)法中，通常要求采用較少數(shù)量的輔助陽極為結(jié)構(gòu)表面提供充分的保護(hù)電流，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面的充分保護(hù)，同時(shí)避免過保護(hù)現(xiàn)象的發(fā)生。

NACE-SP0176-2007規(guī)范規(guī)定，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中輔助陽極與結(jié)構(gòu)表面之間的最小距離不小于1.5 m，否則需要采用陽極屏蔽層以防止過保護(hù)，且規(guī)范建議在外加電流陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)中應(yīng)采用數(shù)值模擬技術(shù)校核電位分布和輔助陽極布置的合理性。對于實(shí)際導(dǎo)管架，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)屏蔽，導(dǎo)致輔助陽極和結(jié)構(gòu)表面之間的距離可能會(huì)小于規(guī)范的要求。考慮到陽極屏蔽層在實(shí)際工程中的不確定因素：傳統(tǒng)的犧牲型涂料(富鋅涂料)附著力低、涂層缺陷多、必須與面漆配套使用等局限性[1]，本工作采用實(shí)海大比尺導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究輔助陽極距離結(jié)構(gòu)表面的最小距離分別為1.0 m和1.5 m兩種工況，在無陽極屏蔽層同時(shí)不出現(xiàn)過保護(hù)條件下輔助陽極能夠釋放的最大保護(hù)電流，采用陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)對該試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐饧与娏麝帢O保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)表面的保護(hù)電位分布狀態(tài)，并通過模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的實(shí)際工程適用性。

1　導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯饧与娏麝帢O保護(hù)數(shù)值模擬

從20世紀(jì)70年代開始，各國研究人員開始將數(shù)值技術(shù)應(yīng)用于陰極保護(hù)問題，曾先后采用有限差分法、有限元法和邊界元法實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模擬仿真計(jì)算[2-3]。其中，邊界元法可將空間的維數(shù)降低一維，對于無限域問題，只需對內(nèi)邊界進(jìn)行離散和給出內(nèi)邊界的邊界條件，從而使復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)陰極保護(hù)問題的數(shù)值模擬計(jì)算的復(fù)雜程度大大降低[4]。

邊界元法在海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)問題中的應(yīng)用方面研究人員做了大量的工作，黃一[5-6]等對邊界元法在陰極保護(hù)問題中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并將基于邊界元法的數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于船舶、半潛式海洋平臺(tái)以及導(dǎo)管架等海洋結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和校核。因此，運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算的方法來解決陰極保護(hù)方案設(shè)計(jì)問題已成為一種必然[7]。本工作使用大連理工大學(xué)開發(fā)的陰極保護(hù)數(shù)值模擬軟件，以實(shí)海大比尺導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉ο?，模擬輔助陽極-導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)表面最小距離與輔助陽極最大釋放電流的關(guān)系。

1.1邊界元法數(shù)值模擬模型

實(shí)海大比尺導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵远髌?4-2導(dǎo)管架為原型，按照高度方向1∶15、水平方向1∶11的縮尺比制作，主尺度為5 840 mm(L)×5 600 mm(W)×7 840 mm(H)，最高吃水約7 500 mm，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)濕表面積約270 m2。導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c輔助陽極之間的距離分別為1.0 m和1.5 m，輔助陽尺寸為φ32 mm×1 220 mm，導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吔缭獢?shù)值模型如圖1所示。

圖1　導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吔缭〝?shù)值模擬模型Fig. 1　The BEM numerical simulation model of the experimental model for a jacket platform

在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)表面的陰極極化特性受到溫度、鹽度、溶解氧、流速、pH、電導(dǎo)率等因素的影響[8]。因此，實(shí)驗(yàn)室中所測得的陰極極化曲線只能用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的陰極保護(hù)數(shù)值模擬，對于實(shí)海環(huán)境中導(dǎo)管架陰極保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模擬，則必須采用導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)材料在相應(yīng)實(shí)際環(huán)境中測得的極化曲線才能得到對應(yīng)的模擬結(jié)果。表1為大連小平島試驗(yàn)海域中使用Ag/AgCl參比電極測得的導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)材料的陰極極化特性參數(shù)。

表1　試驗(yàn)海域中Q235鋼陰極極化特性數(shù)據(jù)Tab. 1　Cathodic polarization performance data of Q235 steel in the sea water

1.2數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

基于上述的邊界元法數(shù)值模型和導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)材料在實(shí)海環(huán)境中的極化特性參數(shù)，針對輔助陽極與結(jié)構(gòu)表面之間的最小距離分別為1.0 m和1.5 m兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)表面上保護(hù)電位分布的計(jì)算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2　最小距離為1.0 m時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig. 2　Numerical simulation results for the smallest distance of 1.0 m

圖3　最小距離為1.5 m時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig. 3　Numerical simulation results for the smallest distance of 1.5 m

基于數(shù)值模擬得到的在無陽極屏蔽層的情況下導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)表面上的最低電位、最高電位以及輔助陽極釋放總電流等方面的信息見表2。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，在確保結(jié)構(gòu)表面不發(fā)生過保護(hù)的前提下，隨著輔助陽極與結(jié)構(gòu)表面之間最小距離的增大，單只輔助陽極可以釋放更大的電流，能夠有效提高輔助陽極的工作效率，另一方面也增大了單個(gè)輔助陽極對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面的有效保護(hù)范圍。

表2　數(shù)值模擬保護(hù)電位、電流信息Tab. 2　Numerical simulation results of potential and current

2　實(shí)海大比尺導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯饧与娏麝帢O保護(hù)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)概述

為了能夠真實(shí)地模擬實(shí)際工程情況，試驗(yàn)場地選擇大連海域，并通過大比尺導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

圖4　導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 4　Experimental model for the jacket platform

在實(shí)海大比尺導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯饧与娏麝帢O保護(hù)試驗(yàn)中，直流電源采用FPS-2防爆變壓整流器，輔助陽極采用φ32 mm×1 220 mm,能滿足長壽命、大電流特性的混合金屬氧化物陽極[9]，以及適合海水中使用的粉末壓片法制成的Ag/AgCl參比電極[10]，參比電極電位通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取。為了監(jiān)測保護(hù)電位，在導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)表面上距離輔助陽極最近點(diǎn)處安裝參比電極(稱為近陽極參比電極)，該參比電極測量的電位值作為恒電位儀的反饋控制參量，用于控制輔助陽極的輸出電流，最終使近陽極參比電極的電位穩(wěn)定在設(shè)定的目標(biāo)電位-1 100 mV(vs.Ag/AgCl)附近，此時(shí)可以得到當(dāng)前距離下輔助陽極的最大輸出電流。為了確保兩次試驗(yàn)中導(dǎo)管架模型表面狀態(tài)的一致性，防止導(dǎo)管架模型表面狀態(tài)變化對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，對導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ托璞M快完成極化達(dá)到目標(biāo)電位，獲得數(shù)據(jù)。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖5為輔助陽極距導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)表面最近點(diǎn)距離為1.0 m時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的保護(hù)電位隨時(shí)間變化曲線;圖6為輔助陽極電流隨時(shí)間變化曲線。對于當(dāng)前導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在近陽極參比電極的測量電位不超過過保護(hù)電位下限值的前提下，在1.0 m距離條件下輔助陽極最大輸出電流為33 A。

圖7為輔助陽極距導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)表面最

圖5　距離為1.0 m時(shí)保護(hù)電位變化曲線Fig. 5　Potential curve at the distance of 1.0 m

圖6　距離為1.0 m時(shí)電流變化曲線Fig. 6　Current curve at the distance of 1.0 m

近點(diǎn)距離為1.5 m時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的保護(hù)電位隨時(shí)間變化曲線；圖8為輔助陽極輸出電流隨時(shí)間變化曲線。對于當(dāng)前導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ停诮枠O參比電極的測量電位不超過過保護(hù)電位的前提下，在1.5 m距離條件下輔助陽極最大輸出電流為61 A。

圖7　距離為1.5 m時(shí)保護(hù)電位變化曲線Fig. 7　Potential curve at the distance of 1.5 m

圖8　距離為1.5 m時(shí)電流變化曲線Fig. 8　Current curve at the distance of 1.5 m

數(shù)值模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比，見表3。由表3可見，導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)特征參數(shù)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好。從而確認(rèn)了導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的實(shí)際工程適用性。

表3　數(shù)值模擬計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果對比Tab. 3　Comparison of numerical simulation and experimental results

3　結(jié)論

采用大比尺導(dǎo)管架試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?shí)海環(huán)境中針對導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中無陽極屏蔽層的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬計(jì)算研究，得到如下結(jié)論：

(1) 針對導(dǎo)管架的陰極保護(hù)問題，無屏蔽層的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)是可行的。以避免過保護(hù)現(xiàn)象為前提，在無陽極屏蔽層的條件下，需要確定輔助陽極與結(jié)構(gòu)表面之間的最小距離和與之對應(yīng)的最大輸出電流。

(2) 導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)具有充分的工程精度，可以采用數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3) 在導(dǎo)管架外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，無需采用陽極屏蔽層，應(yīng)用時(shí)可基于實(shí)際工程的具體需求確定輔助陽極與結(jié)構(gòu)表面之間的最小距離，并采用數(shù)值模擬計(jì)算確定相應(yīng)的單只輔助陽極的最大輸出電流。

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Feasibility Study of Impressed Current Cathodic Protection without Anode Shields

CHANG Wei1, SUN Rong2, YU Tian1, SONG Shi-de2, HUANG Yi2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China; 2. Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

According to NACE-SP0176-2007, impressed current anodes should be located usually in a minimum distance of 1.5 m from any structure member, or anode shields should be used in case of overprotection. During the impressed current corrosion design of a jacket, the design distance between the anode and the structure is an important parameter, and has a direct effect on whether to use the anode shields or not. It also brings indirect effects on the manufacturing cost and the operating scheme. With the methods of numerical simulation, the design distance between the anode and the nearest structure was changed to get the maximum current without the anode shields. The numerical simulation and experiment showed that the method could not only avoid a range of engineering problems with the use of anode shields, but also provide an important reference for optimizing the design of the jacket corrosion protection system.

impressed current cathodic protection; anode shield; protecting distance; numerical simulation

10.11973/fsyfh-201510017

2014-10-24

宋世德(1974-)，講師，博士，從事金屬腐蝕與防護(hù)相關(guān)工作,13514119468,peterssd@163.com

TG174.41

A

1005-748X(2015)10-0982-04