海底管道外防腐层破损阴极保护数值模拟

孙吉星 王庆璋 金 曦 高大义

（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司， 江苏 常州 213016；2. 中国海洋大学，山东 青岛 266003）

海底管道外防腐层破损阴极保护数值模拟

孙吉星1 王庆璋2 金 曦1 高大义1

（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司， 江苏 常州 213016；2. 中国海洋大学，山东 青岛 266003）

本文利用数值模拟方法研究了海洋石油海底管道外防腐涂层破损与阴极保护效果的关系。文中根据海底管道外防腐涂层随服役年限的破损规律，对相应情况下海底管道阴极保护电位分布进行了计算。本文的研究成果可应用于海底管道外防腐涂层破损情况监测、阴极保护效果评价、外防腐涂层体系选择、阴极保护系统的优化设计等领域。

海底管道 外防腐涂层 阴极保护 数值模拟

0 引言

海底管道是海洋石油生产系统中输送原油的重要渠道，投资巨大，一般要求在不加维修的条件下服役20年以上[1]。海底管道一旦发生腐蚀泄漏，不仅影响整个油田的正常生产，造成设备更换、平台停产等巨大经济损失，而且会导致严重的环境污染[2-4]。

目前基本上所有的海上平台及海底管道均采用铝合金牺牲阳极阴极保护系统结合涂敷层的联合防腐蚀措施[5]。海底管道通常设计外防腐涂层作为基本的腐蚀控制措施。尽管如此，阴极保护系统仍被用作后备以弥补防腐涂层出现缺损。防腐涂层缺损包括涂层生产过程中的缺损，涂敷后海管运输、安装过程中的涂层损伤及海管运行过程中的涂层失效[6]。

阴极保护工程中掌握阴极表面电位或电流分布规律非常重要，其分布规律可用来实时监测阴极保护效果，对阴极保护系统的日常维护和管理具有重要的意义[7]。 阴极保护系统中牺牲阳极与海水和海管构成回路，当海底管道上的保护层出现老化破损时，牺牲阳极通过管道周围海水向管体表面提供保护电流。从而在管道周围的海水环境中形成非均匀电场[8]。

本文根据海底管道防腐涂层随服役年限的破损规律，利用有限元法对相应情况下海管的阴极保护效果进行了数值模拟。

1 阴极保护数学模型

1.1 阴极保护数学模型

对于有限区域中达到稳态的牺牲阳极阴极保护体系，阳极、阴极表面和腐蚀介质中电位分布可以用以下数学模型表达[9]:

1.2 海底管道表观面电阻率分析

在海底管道外防腐层有破损的情况下，实际的面电阻率可等效成由金属面电阻率和涂层面电阻率两部分电阻并联而成[5],即

2 海底管道外防腐涂层破损分析

根据DNV-RP-F103[6],海管涂层破损率，此处为海底管道涂层服役年限, a和 b均为常数。表1和表2为DNV-RP-F103给出的海管常用防腐涂层管道本体涂层(Linepipe Coating)和海管连接处涂层(FJC,即feld joint coating）破损率计算常数a和b推荐取值。

表1 管道本体涂层破损推荐值

表2 管道接头涂层破损推荐值

3 海底管道外防腐涂层破损与阴极保护效果数值模拟

3.1 海底管道外防腐涂层破损阴极保护实例

某海上油田海底管道采用防腐涂层和牺牲阳极阴极保护联合防腐措施。设计参数为:

单根海管外径0.1683m，长12m，海管两端各有一个0.30m的接头。 现场海管总长4000m，位于海水中，水深40m，海管距水底10m。海管设计寿命为20年。

阴极保护系统为:4000m海管两端各加设一块手镯式阳极。两块阳极规格相同，为铝阳极铝阳极（Al-Zn-In-Cd），外径0.36m，长0.25m。阳极工作电位为-1.050V。海水电阻率为0.25 Ω · m 。

海底管道本体外防腐涂层为单层FBE,海管与海管接头处(FJC)为FBE层+聚乙烯热缩带层(即FBE with PE Heat Shrink Sleeve)。

3.2 防腐涂层破损与表观面电阻率计算

3.3 海管防腐涂层破损与阴极保护效果数值模拟

由于海水深度为有限值，故采用有限元方法求解阴极保护数学模型。

考虑到对称性，仅需取长为2000m的海管一端加设阳极的情况。因此求解区域的长为2000m，深为40m。海管距底面10m，海管走向与区域长一致。依据电场理论和电化学中的有关规律，取求解区域的宽度为长度的1/10[5]，即200m。

另外，在海管表观面电阻率的选取方面，海管和海管接头即FJC处的面电阻率不同，需将前面的破损率公式的计算结果分别代入。下图是海管服役5年、10年、15年、20年、25年、30年后的电位分布数值模拟情况。

从图1中可以看到,随着海管防腐涂层逐年破损，海管表观电阻率逐年降低,导致阴极保护电位逐年偏正；在设计寿命(20年)内，在防腐涂层和阴极保护系统的联合作用下，海管可以达到较好的保护状态，即电位在保护电位(-0.850V)以负；若海管需超期服役，海管的防腐工作需予以格外重视。从计算结果上看海管服役25年后尚可勉强处于保护电位内，但30年之后海管最远端电位已经到-0.842V，已不能得到有效保护。

由于海管接头处破损相对海管其他部分严重，故在接头破损处电位衰减更为明显，导致海管表面阴极保护电位分布也呈现出不同的形态。下图2是服役20年海底管道表面电位分布的局部放大。

图1 不同服役年限海底管道表面电位分布

图2 服役20年海底管道表面电位分布局部放大

从图2可以看到:电位曲线在海管接头处出现了局部凹陷，这与电场分布理论相符，也与大量实验及海上实际测量数据吻合。这一事实可以应用于海底管道外防腐涂层局部破损的检测与甄别，具有重大的工程实用价值。

3.4 数值模拟结果的进一步讨论

数值模拟的优势是可以综合考虑海管防腐过程中所涉及的多种影响因素对防腐效果的影响，快速评价多种设计方案的效果。本文的研究方法可应用于以下几个领域:

（1）阴极保护效果评价。根据海底管道在用外防腐涂层体系及破损规律，评价当前服役年份海底管道阴极保护电位分布状况，并可预估今后几年阴极保护系统的运行状况；

（2）海底管道外防腐层破损监测。一旦海底管道外防腐涂层局部破损严重，海底管道实测电位曲线会在破损位置会发生严重的“U”形衰减，这与常规阴极保护所计算或测得曲线有很大不同，据此可锁定涂层破损位置；

（3）海底管道本体及接头处防腐涂层体系设计及施工方案选择；

（4）牺牲阳极规格及数量的选择，阳极分布的优化。

4 结论

本文研究了海底管道外防腐涂层破损与阴极保护电位分布的关系。利用有限元法对不同服役年限海管道的阴极保护电位分布进行了数值模拟。本文的研究成果可应用于海底管道服役期间阴极保护效果的评价，外防腐涂层破损监测，外防腐涂层体系设计，阴极保护系统的优化设计等领域。

[1]郭琦龙, 辜志俊, 苏方腾. 海底管道的防腐蚀[J]. 腐蚀与防护, 1996(5):195-197.

[2] 何素娟, 闫化云, 赵大伟等. 西江油田现役海底管道内腐蚀现状评估[J]. 油气储运, 2012, 31(1):23-26.)

[3] Herbich J B. Offshore pipeline design elements[M]. New York:Marcel Dekker Inc,1981:6-7.

[4] 姜信德, 李言涛, 杜芳林. 海底管道腐蚀与防护的研究进展[J].材料保护, 2010, 43(4):65-67.

[5] (王庆璋, 陆长山, 曹圣山等. 海底单层管平管段牺牲阳极优化设计研究报告[R].2007年8月.

[6] DNV-RP-F103,Cathodic Protection of Submarine Pipelines by Galvanic Anodes [S]

[7] 于寿海. 数值模拟在阴极保护工程中的应用[J].全面腐蚀控制,1998,12(1):1-3.

[8] 胡舸, 张胜涛, 祥斌. 数值计算在腐蚀领域阴极保护设计中的应用,计算机与应用科学[J],2007,7:888-890

[9] 张秀林, 郭庆锟, 孙吉星等. 单层保温海底管道钢管外壁腐蚀评价方法探讨[J]. 中国海上油气, 2009, 21(6):416-419.

Numerical Simulation of Cathodic Protection For Submarine Pipeline on External Anti-Corrosion Coating Breakdown Condition

SUN Ji-xing1, WANG Qing-zhang2, JIN Xi1, Gao Da-yi1
(1.CNOOC Changzhou paint and Coating Industry Research Institute Co., Ltd. Changzhou 213016, China; 2. Ocean Univer sity of China, Qingdao 266003, China )

The relationship of external anti-corrosion coating breakdown of submarine pipeline and infuence on cathodic protection performance is studied by Numerical simulation method. Basing on the law of the external anti-corrosion coating breakdown of submarine pipeline, numerical simulation of the efect of cathodic protection system is obtained in the situation.The research result can be applied in the areas such as monitoring of the external anti-corrosion coating breakdown of submarine pipeline, evaluation of the efect of cathodic protection system, selection of the external anti-corrosion coating type,and optimizing the design of cathodic protection system of the submarine pipeline, et al.

submarine pipeline; external anti-corrosion coating; cathodic protection; numerical simulation

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.11.007.03

孙吉星（1979-），男，山东聊城人，工程师，硕士，现从事油田腐蚀与防护研究工作。