导管架平台外加电流阴极保护数值模拟计算研究

刘福国,武素茹

(1.中国海洋石油总公司海洋石油工程股份有限公司,天津 300451;2.天津出入境检验检疫局化矿金属材料检测中心,天津 300456)

导管架平台外加电流阴极保护数值模拟计算研究

刘福国1,武素茹2

(1.中国海洋石油总公司海洋石油工程股份有限公司,天津 300451;2.天津出入境检验检疫局化矿金属材料检测中心,天津 300456)

数值模拟技术是求解阴极保护电位模型的有效方法,数值模拟计算可以有效地预测阴极保护被保护体表面电位分布,并以此验证阳极布置效果。该文采用大型防腐蚀数值模拟分析软件 Beasy对小型导管架式平台外加电流阴极保护进行数值模拟分析研究,并进行物理模型试验。结果表明数值模拟计算能够模拟分析阳极布置以及被保护体表面电位分布,辅助阳极的位置对导管架表面的电位分布有一定的影响,辅助阳极位置距离导管架越近,导管架表面电位分布越不均匀。采用物理模型试验对数值模拟计算进行的验证表明,物理模型试验与数值模拟计算结果吻合较好。

外加电流 阴极保护 数值模拟 导管架

外加电流阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段,也是国内外公认的防止钢质构筑物腐蚀的经济有效的措施[1]。在阴极保护工程中,电位是监视和控制阴极保护效果的一项重要指标,因此掌握被保护体表面的电位分布是非常重要的。在传统的阴极保护工程中,大多采用实际测量或经验估计的方法来获得被保护体表面的电位分布[2]。然而,对于某些被保护结构,如海底管道、海洋平台、深埋的钢桩或钢管、大罐的罐底等,实地测量技术难度很大或费用昂贵,对于新项目更不可能事先在现场测试,而经验公式又无法对复杂结构表面的电位分布进行准确的预测[3],可见传统的方法已难以满足越来越高的安全可靠性和经济性的要求。随着电化学和计算机技术的发展,人们尝试采用数值计算方法来获取被保护体表面的电位和电流分布状况,这已成为阴极保护领域中十分活跃的一个方面[4]。

1 数值模拟计算数学模型[5]

在阴极保护中通常研究稳态电位场。对于已经达到稳态的阴极保护体系,其中的电位分布可归结为椭圆型方程的混合边值问题。均匀导电介质中稳态的阴极保护体系的电位分布为Laplace方程混合边值问题,电场 (V)内每一点的电位 (E)应符合下述边界条件:

S1:E=E0(第一类边界条件,电位为常数的电极表面 S1)

式中:E——电位,V;

σ——腐蚀介质电导率,S/m;

i(E)——金属的极化行为作为边界条件;n——为边界内法线方向。

运用边界元法将Laplace方程转化成如下形式的边界积分方程:

对整个边界来说,将各单元叠加,可以用矩阵的形式来表示:

式中:H——电位矩阵;

G——电流密度矩阵。

将边界条件带入,用迭代法求解上述方程,可以得出各点电位和电流密度。

2 外加电流阴极保护数值模拟

2.1 试验方法

该文采用Beasy软件进行导管架外加电流阴极保护数值模拟计算。Beasy软件是英国 CM BEASY公司开发的大型防腐蚀软件,在石油化工、海洋工程等领域应用较多,此软件是基于边界元程序开发的,边界元程序软件能够在不影响计算精度的前提下,降低计算维数,减少计算量,特别适用于海洋工程大型结构物的防腐蚀数值模拟计算。首先采用边界元软件 Beasy对导管架 (图 1)建模 (图 2)、网格剖分及外加电流阴极保护数值模拟。外加电流辅助阳极平均分布到 4个斜面,并远离导管架固定于海水底面,Ag/AgCl参比电极放置到导管架上端中间位置,并始终浸没于海水中。根据数值模拟辅助阳极大小、距离导管架远近及电位值进行物理模型试验。试验水池尺寸 2.4 m×2.4 m×1.6 m,恒电位仪选用T D3691型(天津市中环电子仪器公司),电位、电流测量仪选用福泰克 9205A数字万用表,辅助阳极选用管状钛基金属氧化物阳极,试验温度为 (29±1)℃。

图 2 采用 Beasy软件对导管架建模Fig.2 Platfor m model by usingBeasy software

辅助阳极距离导管架远近也影响阴极保护效果,辅助阳极距离导管架选择 0.2,0.4和 0.6 m分别进行导管架外加电流阴极保护数值模拟计算,见图 3～图 5。辅助阳极电位设置为 -1.60 V。

图 3 阳极距模型 0.2 m数值模拟电位分布Fig.3 Numerical simulation potential distribution of 0.2m be tween anode and model

图 4 阳极距模型 0.4 m数值模拟电位分布Fig.4 Numerical simulation potential distribution of 0.4m be tween anode and model

图 5 阳极距模型 0.6 m数值模拟电位分布Fig.5 Numerical s imulation potential distribution of 0.6m be tween anode and model

2.2 阴极保护数值模拟结果与讨论

由导管架外加电流阴极保护数值模拟结果可知,辅助阳极的位置对导管架表面的电位分布有一定的影响,辅助阳极位置距离导管架越近,导管架表面电位分布越不均匀。但是都在挪威船级社(DNV)所规定的范围内[6]。采用数值模拟计算可以有效预测被保护体表面电位的分布情况,能给腐蚀工程师提供参考。采用物理模型试验对数值模拟计算进行验证。

2.3 阴极保护物理模型试验结果与讨论

根据数值模拟计算结果,选择辅助阳极距离导管架 0.4 m时进行物理模型试验 (图 6),测量点见图 7,待导管架表面电位稳定后进行测量,表面电位分布见表 1。导管架外侧表面测量点位 A,对应的内侧测量点位为A。’

图 6 导管架阴极保护物理模型试验Fig.6 Model experiment of platfor m cathodic protection

由物理模型试验测量数据可知,导管架表面电位分布 -973～-1 002 mV,由上到下电位变负,数值模拟计算结果表面电位分布在 -971～-998 mV,电位分布也是由上到下变负,两者吻合较好。

表 1 阴极保护物理模型试验电位测量值Table 1 Potential values of cathodic protection model experiment mV

3 结 论

外加电流阴极保护数值模拟计算可以有效地预测被保护体表面电位分布。数值模拟计算结果表明阳极的分布对被保护体表面电位的分布有一定的影响,阳极距离导管架 0.6 m时保护效果最好,物理模型试验与数值模拟计算结果吻合较好。

[1] 于楠,梁成浩,吴建华,等 .基于缩比模型理论的船舶外加电流阴极保护系统水线下表面电位的研究[J].腐蚀与防护,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] 杜艳霞,张国忠,李健 .阴极保护电位分布的数值计算[J].中国腐蚀与防护学报,2008,28(1):53-58.

[5] 孙吉星.海洋结构物阴极保护优化模型及数值模拟计算[D].青岛:中国海洋大学,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。

刘福国,男,2008年毕业于中国海洋大学,博士学位,2010年中海研究总院博士后,现在中国海洋石油总公司海洋石油工程股份有限公司设计公司主要从事海洋结构物防腐设计与科研工作。E-mail:liufg@mail.cooec.com.cn

(编辑 寇岱清)