基于数值模拟计算的铺管船阴极保护系统设计

杨璐嘉，钟文军，曹亚洲，刘福国，宋世德，黄 一

（1.大连理工大学 船舶工程学院，大连116023；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

基于数值模拟计算的铺管船阴极保护系统设计

杨璐嘉1，钟文军2，曹亚洲1，刘福国2，宋世德1，黄 一1

（1.大连理工大学 船舶工程学院，大连116023；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

在全寿命期内，铺管船水下结构腐蚀防护状态处于动态过程。因此，依据实际情况设计腐蚀防护方案十分必要。采用数值模拟计算方法预报腐蚀防护状态，并通过缩比模型试验验证了此方法的准确性。在此基础上设计了两种腐蚀防护方案：“单纯外加电流阴极保护”和“外加电流+牺牲阳极辅助的联合阴极保护”。并通过数值模拟计算预报了两种方案下的腐蚀防护状态。经过对比发现，使用“外加电流+牺牲阳极辅助的联合阴极保护”时，表面电位分布更均匀，阳极屏面积及电源功率都有较明显的减小，水下结构处于更为良好的腐蚀防护状态。

数值模拟；阴极保护；缩比模型试验；外加电流；牺牲阳极

目前船舶及海洋结构物通常采用的是防腐蚀涂层和阴极保护（牺牲阳极或外加电流）并用的复合防腐蚀方法进行腐蚀防护［1-5］。而在实际应用中，随着时间的推移，一方面防腐蚀涂层出现老化和局部破损，导致需要的保护电流增大［6-7］，另一方面牺牲阳极消耗使得体积减小，导致牺牲阳极提供保护电流的能力减弱。因而随着时间的推移，基于防腐蚀涂层和牺牲阳极并用的复合防腐蚀系统的功能趋于弱化。这时为了使远离辅助阳极的结构表面区域处于有效保护状态，需要提供过多的保护电流，从而导致外加电源装置输出更大的功率、消耗大量额外的能量，也需要相应地增大辅助阳极周围阳极屏的面积。数值模拟计算作为现代设计方法的基础已经成功应用在船舶及海洋结构物腐蚀防护系统优化设计上［8-11］。本工作通过缩比模型试验验证数值模拟计算预报水下结构外表面腐蚀防护状态的准确性，然后利用数值模拟计算，确立某深水铺管起重船设计保护周期内的腐蚀防护优化方案。

1 数值模拟计算

1.1 数学模型

船体阴极保护问题的数学模型可以归结为描述海水电解质区域内电位状态和电流矢量状态的数学方程（域内控制方程）、描述全部边界上电位状态和电流状态的数学方程（边界条件）［12-13］。

1.2 控制方程

在海水电解质区域内，船体阴极保护系统产生的电场中的电位和电流密度满足方程：

当阴极保护系统产生的电场达到平衡状态时，可以得到域内控制方程：

1.3 边界积分方程

将格林第二公式应用于阴极保护电位分布函数Ф，可以得到域内积分方程：

在边界上，对域内积分方程进行处理，可以得到边界积分方程：

式中，Ci为形状系数，由物理模型中的边界几何形状决定。

1.4 边界离散方程

将方程（4）在边界上进行离散可得到形如式（5）的线性方程组：

式中，H和G 为系数矩阵。

1.5 边界条件

船舶水下湿表面防腐蚀涂层完好部位S1和海面边界Sw应满足垂直于边界方向的电流密度为“0”；涂层损伤部位S2的电位状态和电流状态之间的关系满足极化曲线［14］：

辅助阳极部位S3的电位状态和电流状态之间的关系满足极化曲线：

距离船体足够远处S∞的电位为常数，电流密度为“0”。

综上所述，船体阴极保护问题的边界条件如方程（8）：

将式（8）中的边界条件代入公式（5），进行求解即可得到边界上各节点的电位值和法向电流密度。

2 缩比模型试验

2.1 模型介绍

试验用物理模型为图1所示的深水铺管起重船1/120缩比模型，长、宽、吃水分别为 1.88m、0.75m和0.30m。

图1 深水铺管起重船1/120缩比模型Fig.1 1/120 scale model of the pipe laying vessel

船壳材料为2.5mm厚低碳钢。参考实船的涂装方案，采用1道富锌底漆及3道环氧树脂面漆对模型进行喷涂，通过涂层破损率试验测定初始表面涂层破损率约为0.67%。试验水池尺寸为2.52m× 1.85m×1.50m，根据相似理论［15-16］，相应地将水池中的人工海水电导率缩小为333μS/cm。

2.2 电极介绍

辅助阳极材料为钛基金属氧化物，将截面直径为5mm的柱状阳极封装后安装在缩比模型上，每个浮体的两舷侧各布置4个，每个浮体的两立柱间各布置1个，共22个，如图2所示。

参比电极材料为粉压式Ag/AgCl固体。由于该模型为左右对称结构，因此根据数值模拟计算结果将参比电极主要布置在其中一个浮体上，在另一侧的浮体上布置少数参比电极用于对照并判断测量数据的准确性。1号～13号参比电极布置在左侧浮体上，14～16号参比电极布置在右侧浮体上，具体布置位置满足规范［17］要求，如图3所示。

图2 外加电流阴极保护系统辅助阳极布置示意图Fig.2 Diagram of the auxiliary anode arrangement in impressed current cathodic protection system

图3 缩比模型参比电极布置示意图Fig.3 Diagram of the reference anode arrangement on the scale model

2.3 试验方法

将模型放入水池中，分别连接外加电流阴极保护回路，保护电位监测回路以及恒压源输出电流控制回路，如图4所示。待水下结构外表面保护电位监测值稳定后，记录各个监测点测得的保护电位值。

图4 缩比模型试验Fig.4 Scale model test in the laboratory

3 阴极保护设计

基于数值模拟计算，对深水铺管起重船水下结构进行阴极保护系统设计，分别使用“单纯外加电流阴极保护”以及“外加电流+牺牲阳极辅助的联合阴极保护”两种方案。

3.1 单纯外加电流阴极保护

由于深水铺管起重船水下结构较为复杂，因此不同区域需要的电流密度相差较大。在设计中按照水下结构外表面的复杂程度，将水下结构外表面分成两个区域［18］。横撑附近的区域为1号区域，布置6个辅助阳极，由1号电源供电。其余为2号区域，布置16个辅助阳极，由2号电源进行供电。

3.2 外加电流+牺牲阳极辅助的联合阴极保护

外加电流系统采用22块辅助阳极，覆盖区域为深水铺管起重船水下结构外表面主体区域，包括浮体、立柱以及横撑等，如图5所示。牺牲阳极系统采用44块牺牲阳极，覆盖区域为横撑与立柱连接的角隅处、螺旋桨附近的船体区域等，如图6所示。

图5 联合阴极保护系统辅助阳极布置示意图Fig.5 Diagram of the auxiliary anode arrangement of joint cathodic protection system

图6 联合阴极保护系统辅助阳极布置示意图Fig.6 Diagram of the sacrificial anode arrangement of joint cathodic protection system

4 结果及讨论

在施加外加电流阴极保护时，缩比模型水下结构外表面电位分布情况数值模拟计算结果如图7所示。

缩比模型试验结果与数值模拟计算结果见表1。1号、4号和16号三个监测点的试验测量结果与数值模拟计算结果差值较大，这是由于这三个监测点处于撑管附近的区域，撑管焊接在主船体上时致使焊趾处表面不光滑，导致了实测保护电位偏低，其余测量点差值都小于20 mV。说明数值模拟计算可以实现对水下结构腐蚀防护状态的准确预报。

图7 缩比模型水下结构外表面保护电位分布云图Fig.7 Protective potential distribution of the submerged structure

表1 试验结果与数值模拟计算结果比较Tab.1 Comparison between the numerical simulation results and the test results mV

使用“单纯外加电流阴极保护”5 a时，数值模拟计算得到的保护电位分布云图如图8所示，深水铺管起重船水下结构外表面电位范围为 808～1 058 mV，平均保护电流密度为11.09 mA/m2，总保护电流为421.19 A，其中由电源1提供158 A，由电源2提供263 A。电源电压为3.33 V和2.75 V，电源有效功率分别为526 W 和723 W，阳极屏总面积为6 021m2。

图8 单纯外加电流阴极保护5年时的数值计算结果Fig.8 Numerical simulation results for the submerged structure corrosion protection status（5 years）

图9 联合阴极保护5年时的数值计算结果Fig.9 Numerical simulation results for the submerged structure corrosion protection status（5 years）

使用“外加电流+牺牲阳极辅助的联合阴极保护”5 a时，数值模拟计算得到的保护电位分布云图如图9所示，深水铺管起重船水下结构外表面电位范围为803～1 119m V，平均保护电流密度为10.68 mA/m2，总保护电流为364.60 A，其中由电源1提供121 A，由电源2提供169 A，牺牲阳极提供74 A。外加电流系统的电源电压为3.20 V和2.42 V，电源1有效功率为388 W，电源2有效功率为409 W，阳极屏总面积4 420m2。

使用“单纯外加电流阴极保护”时，由于吸收效应导致横撑角隅处以及螺旋桨附近电位偏低［19-20］，因此需要提高电源电压以使水下结构整体电位处于阴极保护范围，这样就导致电源输出功率提高、保护电位分布不均匀、阳极屏面积增大。使用“外加电流+牺牲阳极辅助的联合阴极保护”时，在受吸收效应影响的区域布置牺牲阳极以提高局部表面电位，从而减小了电源功率，也使得表面电位更均匀，阳极屏面积更小。

5 结论

（1）数值模拟计算方法可以实现对水下结构腐蚀防护状态的准确预报。

（2）采用“单纯外加电流阴极保护”方案时，水下结构外表面保护电位不均匀。

（3）比较两种阴极保护方式，采用“外加电流+牺牲阳极辅助的联合阴极保护”时，可以有效解决使用“单纯外加电流阴极保护”时，表面电位分布不均匀，阳极屏面积及电源功率过大的问题。

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Cathodic Protection Design of a Pipe Laying Vessel Eased on Numerical Simulation

YANG Lu-jia1，ZHONG Wen-jun2，CAO Ya-zhou1，LIU Fu-guo2，SONG Shi-de1，HUANG Yi1
（1.School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）

Corrosion protection status of the pipe laying vessel underwater structure is under a dynamic process in the lifecycle.Thus，it is necessary to design the corrosion protection program according to the practical situation.In this paper，numerical simulation method was used to predict the corrosion protection status and the accuracy of the method was evaluated by the scale model test.Then two cathodic protection plans were considered，which were“impressed current cathodic protection”and“sacrificial anode and impressed current joint cathodic protection”.The corrosion protection status was predicted by the numerical simulation for these two protection plans.After comparison it was found that the application of“sacrificial anode and impressed current joint cathodic protection”enhanced the uniformity of potential distribution.The area of the anode shield and the power of two DC electrical sources were reduced by a large margin.All the submerged structures were in good protection.

numerical simulation；cathodic protection；scale model test；impressed current；sacrificial anode

TG174.41

A

1005-748X（2015）11-1072-05

10.11973/fsyfh-201511013

2015-07-14

国家科技重大专项（2011ZX05027-002）

宋世德（1974-），讲师，博士，从事腐蚀传感器研究，18940934951，peterssd@qq.com