基于数值模拟计算的腐蚀防护状态评估方法

杨璐嘉,钟文军,曹亚洲,刘福国,宋世德,黄 一

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



应用技术

基于数值模拟计算的腐蚀防护状态评估方法

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，大连 116023； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

针对深水铺管起重船提出了一种基于数值模拟计算的腐蚀防护状态评估方法。该方法首先利用数值模拟计算形成腐蚀防护状态评估矩阵，然后用水下结构外表面监测点的电位以及腐蚀防护状态评估矩阵对水下结构整体腐蚀防护状态进行评估，并通过三维可视化方法显示保护电位分布云图;在试验室条件下通过缩比模型试验对此方法进行了验证。结果表明:基于数值模拟计算的腐蚀防护状态评估方法可以准确评估水下结构外表面的腐蚀防护状态;同时可以通过三维保护电位分布云图直观地显示半潜铺管船腐蚀防护的薄弱区域。

腐蚀防护；腐蚀评估；数值模拟；阴极保护

船舶及海洋结构物通常采用防腐蚀涂层和阴极保护并用的复合方法进行腐蚀防护[1]。在复合防腐系统保护下，水下结构的腐蚀防护状态主要由保护电位、保护电流密度、阳极电流和阳极电压等参数来表征[2]，其中保护电位可以直观地表示水下结构外表面的腐蚀防护状态。目前，保护电位评估方法大多是以安装在船舶及海洋结构关键部位的参比电极的监测值直接对腐蚀防护状态进行评估[3-4]。水下结构角隅处及近螺旋桨的船底处等位置由于屏蔽效应[5]，表面保护电位偏低，更易腐蚀，然而受现有施工条件的限制,无法在上述位置安装参比电极，导致该区域成为腐蚀防护状态无法评估的薄弱区域。虽然此类情况可以通过潜水员在水下利用便携式参比电极进行测量作业来解决，但是易引入偶然误差且费用昂贵，目前大部分船舶及海洋结构已经不采用此方法。

数值模拟计算作为现代设计方法的基础已经成功应用在许多船舶及海洋结构腐蚀防护系统优化设计上[6]，然而将其应用在船舶及海洋结构腐蚀防护状态评估方面的报道较少。本工作基于数值模拟计算提出了一种船舶及海洋结构腐蚀防护状态的间接评估方法。该方法首先利用数值模拟计算得到水下结构腐蚀防护状态评估矩阵，然后利用腐蚀防护状态评估矩阵以及预置在水下结构上参比电极实测的保护电位评估水下结构的腐蚀防护状态。并利用某深水半潜式起重铺管船缩比模型,通过试验验证该评估方法的准确性,以及该方法对水下结构腐蚀防护薄弱区域评估的全面性。

1　腐蚀防护状态评估方法

该方法主要包含两个部分:建立腐蚀防护状态评估矩阵以及评估结果可视化。

1.1建立腐蚀防护状态评估矩阵

如图1所示，首先建立深水铺管起重船的边界元模型，通过前处理得到边界模型上各单元的编号、节点编号以及坐标信息。根据不同海况利用数值模拟软件计算不同时间段内深水铺管起重船水下结构的腐蚀防护状态[7-8]，得到腐蚀防护状态文件如图2所示，包括边界元模型上各个三角形单元节点的坐标信息和保护电位信息，进而形成腐蚀状态数据库。

根据各监测点的空间坐标判断其是否和边界元模型三角形单元的节点重合。若重合则直接在腐蚀

状态数据库中提取节点的电位信息作为监测点电位的参考值;若不重合则在腐蚀状态数据库中提取各监测点所在三角形单元节点的坐标信息以及电位信息,然后根据节点的坐标信息以及电位信息，使用面积坐标下的线性插值方法计算得出监测点保护电位的参考值。面积坐标下的线性插值方法可以简化为:已知三角形三点A(xa,ya),B(xb,yb),C(xc,yc)的坐标和保护电位φa,φb,φc,求三角形内一点E(xe,ye)的保护电位φe，如图3所示。

面积坐标下，E点的位置可以表示为[9]:

(1)

式中:S是三角形ABC的面积;Si，Sj分别是三角形ABE和三角形ACE的面积。E(li，lj)为E点的面积坐标。

在直角坐标系oxy，三角形ABE的面积Si可表示为：

(2)

(3)

由于在均匀电场中，某一点的电位只和该点位置坐标有关，因此在面积坐标系下E点电位为:

(4)

另外，电场与距离成线性关系，因此设:

(5)

式中:m,n,c,M,N,C均为常数。

将A，B，C三点面积坐标以及电位代入上式，可得:

(6)

求解上述方程可得:M=φc-φa，N=φc-φa，C=φa。

因此可以求出评估点E的保护电位参考值为:

(7)

将各监测点的保护电位参考值形成M×N矩阵，即为腐蚀防护状态评估矩阵。其中M表示腐蚀防护状态文件的数量，N表示水下结构预置参比电极的数量，即监测点数量。

1.2评估水下结构外表面的腐蚀防护状态

将实测的保护电位形成一个N维向量，N表示水下结构预置参比电极的数量。

进而提出评估因子Ef，用于表征评估结果的失真性。Ef,m反映了腐蚀防护状态评估矩阵中第m行各监测点的电位参考值与实测值的均方根。其值越小，表明第m行电位参考值所对应的腐蚀防护状态文件越接近真实情况。

最后利用三维可视化技术将最接近真实情况的腐蚀防护状态文件中各节点的电位信息以三维保护电位分布云图的形式进行显示，见图4。

2　缩比模型试验

为了验证本文提出的方法的准确性以及对腐蚀防护薄弱区域评估的全面性，在试验室条件下利用某深水铺管起重船缩比模型进行了试验。

2.1缩比模型

试验用缩比为1/120的深水铺管起重船模型，长、宽、吃水分别为1.88,0.75,0.30 m。试验水池尺寸为2.52 m×1.85 m×1.50 m，根据相似理论[10]，相应地将水池中人工海水的电导率缩小为333 μS/cm。

2.2复合腐蚀防护系统

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%。辅助阳极材料为钛基金属氧化物，将22个截面直径为5 mm的柱形阳极封装后按照阴极保护系统设计方案进行布置，如图5所示。其中圆形阴影区域的中心即为辅助阳极布置点。阴极保护系统电源采用PPS3205可编程直流电源。

2.3腐蚀防护状态评估系统

为了评估水下结构外表面保护电位，需要在水下结构监测点处安装参比电极。本试验中采用的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,进而判断测量数据的准确性。1～13号参比电极布置在右侧浮体上，14～16号参比电极布置在左侧浮体上，具体布置位置如图6所示。

2.4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。待监测数值稳定后，首先提取评估结果中各监测点的电位，并同实际测量值进行比较，然后用传统的直接法即直接利用参比电极测量数据的评估方法，以及本工作提出的评估方法对腐蚀防护最薄弱区域进行了评估，并对评估结果进行了对比。

3　结果与讨论

由表1可见，监测点电位实测结果和评估结果的差值在-2.43%～1.99%，说明本工作提出的评估方法可以准确地反应半潜铺管水缩比模型水下结构外表面的腐蚀防护状态。

表1　监测点电位的实测结果与评估结果比较

图7所示为利用本文提出的评估方法对缩比模型水下结构外表面腐蚀防护状态的评估结果，从电位分布云图上可以直观得到水下结构整体的保护电位分布情况,并可以读出任意节点的保护电位。

通过基于数值模拟计算的评估方法评估水下结构外表面腐蚀防护状态的结果显示，电位最低点位于螺旋桨附近的A点，如图8所示，该点电位为775 mV。用参比电极监测的数据显示，最低电位出现在B点，为796 mV。使用便携式参比电极对水下结构外表面电位进行测量时发现，在C点处水下结构外表面电位最低，为770 mV。这说明利用基于数值模拟计算的方法得到的腐蚀防护最薄弱点的评估结果更接近真实值；而受施工条件的限制，参比电极不能安装在腐蚀防护最薄弱的区域，因此，传统的直接法不能真实地反应水下结构腐蚀防护最薄弱区域的状态。

4　结论

基于数值模拟计算的腐蚀防护状态评估方法可以准确地评估水下结构外表面的腐蚀防护状态，形成保护电位云图，直观地显示水下结构上任意节点的腐蚀防护信息，为及时调整外加电流阴极保护系统输出电流提供依据。

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A Novel Assessment Method for Corrosion Protection State Based on Numerical Simulation

YANG Lu-jia1, ZHONG Wen-jun2, CAO Ya-zhou1, LIU Fu-guo2, SONG Shi-de1, HUANG Yi1

(1. Dalian University of Technology, Dalian 116023, China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

A corrosion assessment method for pipe laying vessel based on numerical simulation was proposed. A corrosion protection state evaluation matrix generated by numerical simulation calculation and the potential values of the monitoring points on the submerged structure were used to assess the corrosion protection state. Then the assessment results would be displayed by protection potential coloring contour using 3D visualization. Then the method was verified by the pipe laying vessel scale model test in laboratory. The results indicate that the corrosion protection state of the submerged structure could be well assessed through this method, and the weak areas of corrosion protection on the submerged structure of the pipe laying vessel could be directly displayed by the 3D corrosion protection potential coloring contour.

corrosion protection; corrosion assessment; numerical simulation; cathodic protection

10.11973/fsyfh-201604013

2015-11-05

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

TG174

A

1005-748X(2016)04-0331-04