腐蚀缺陷对储罐接管阴极保护效果影响的数值模拟研究

魏 来, 赵亚忠

(1.中海石油技术检测有限公司,天津 300452;2.东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江 大庆 163318)

在石油开采、储运和加工过程中,储罐是极其重要的基础设施,其正常运转至关重要。然而,在服役过程中,由于储罐长期接触原油以及其他腐蚀性介质,容易发生腐蚀,大大缩短了储罐的服役寿命,情况严重时还会造成罐壁穿孔,引发原油泄漏,以致发生重大火灾或爆炸事故,影响整个生产过程的正常运行。

接管是储罐内部的重要组成部分,由于接管直接接触原油采出液等腐蚀性介质,接管会出现不同程度的局部腐蚀,腐蚀严重时会发生穿孔泄漏,直接影响生产的安全运行。因此,开展对储罐接管的防腐蚀技术研究,不仅能为储罐的防腐蚀设计提供科学依据,而且对于减少由腐蚀造成的经济损失及环境污染也具有重要意义。

阴极保护是阻止储罐腐蚀的有效办法,国内大型储罐普遍采用了区域阴极保护技术。近年来,ANSYS有限元分析软件、BEASYCP边界元分析软件和FLUENT流体模拟软件等数值模拟软件都已成功用于储罐底板阴极保护系统的优化设计中[1-2]。通过数值模拟可获取整个阴极保护系统的电位分布规律,实现阴极保护设计参数和方案的最优化。由于储罐接管阴极保护电位检测难度较大,其阴极保护效果评价较为困难;目前的研究还没有涉及储罐接管阴极保护的数值模拟。在常规管道阴极保护电位分布的研究中,有限元法的使用越来越广。方江敏等[3]运用ANSYS有限元分析软件对埋地钢质管道电位进行了分析,分析了影响阴极保护电位分布的因素。孙吉星等[4]利用有限元法对不同年限的防腐涂层管道的阴极保护效果进行了数值模拟。虽然这些研究都得到了非常有益的结果,但关于腐蚀缺陷影响管道阴极保护效果的研究甚少。季廷伟等[5]采用COMSOL有限元模拟软件研究了海水介质中X80管线钢腐蚀缺陷处的阴极保护的有效性,为模拟腐蚀缺陷处的阴极保护效果提供了一种有效的方法。上述研究均没有涉及储罐接管腐蚀缺陷对阴极保护效果的影响,也没有考虑到不同阴极保护电位的影响,更没有涉及用ABAQUSCAE有限元分析软件对腐蚀缺陷进行阴极保护效果模拟的相关研究。因此,掌握储罐接管腐蚀缺陷部位的阴极保护电流密度及电位分布规律,确定合适的阴极保护类型,对于提高储罐的安全系数具有重要的意义。

该文利用ABAQUSCAE有限元分析软件进行储罐接管建模,模拟腐蚀缺陷部位,对接管进行网格划分,并基于电化学腐蚀试验,通过测试接管在原油采出液中的极化曲线,拟合出接管建模所需要的边界条件。研究局部电位、电流密度与腐蚀缺陷之间的关系,分析腐蚀缺陷对储罐接管阴极保护效果的影响,为储罐接管的防护提供了有效的指导。

1 试验部分

1.1 试验材料

测试材料为Q235低碳钢,屈服极限在235 MPa左右,其碳质量分数小于0.22%,由于含碳适中,其强度和塑性等综合性能较好,用途比较广泛。

1.2 腐蚀电化学测试

测量极化曲线可以获得金属腐蚀过程的动力学信息,如腐蚀电位、腐蚀电流密度和腐蚀速率等。腐蚀电化学测试时,采用三电极电解池,对电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极,工作电极为Q235钢,采用原油采出液+3%NaCl溶液作为模拟储罐腐蚀介质。根据电化学试样要求,将测试材料裁成适合试验使用的大小,测试前将试样打磨光亮,选择600号、800号、1000号和1200号水磨砂纸将试样打磨平整,之后在抛光机上涂抹少量研磨膏,将水龙头开至水滴呈滴落状,对试样进行抛光,使其表面成为镜面,最后将抛光好的试样用无水乙醇清洗,用吸水棉擦净,用吹风机吹干。极化曲线测试前先使开路电位达到稳定状态,用时约1 h。测量动电位极化曲线时,将扫描范围设定为-0.6～0.8 V,扫描速率为0.5 mV/s。利用Cview软件对极化曲线测试结果进行拟合分析,计算腐蚀动力学参数。

2 数值模拟

2.1 储罐接管建模

采用ABAQUSCAE软件对储罐接管进行建模,该有限元数值模拟方法能够有效地模拟接管管壁上任意形状的缺陷部位,可以获得缺陷点位内部更加精确的电位和电流分布。

储罐接管表面的腐蚀缺陷见图1,接管表面最具有代表性的腐蚀缺陷点呈现半椭球形。为了简化有限元数值模拟,利用CATIA软件制作出接管模型,在接管模型上设置4个缺陷点位,具体的模型见图2。

图1 储罐接管表面的腐蚀缺陷

图2 CATIA软件绘制的接管模型

选择具有代表性的腐蚀缺陷点,设置缺陷点的宽度与深度,具体的参数设定见表1。对于接管整体模型,设定接管长度为0.1 m,内径为0.02 m,将每个缺陷点的位置间隔设置成0.02 m。

表1 接管腐蚀缺陷点的参数设定

2.2 网格划分

采用ABAQUSCAE软件进行有限元仿真,首先需要导入用CATIA软件绘制的模型,对含腐蚀缺陷的接管进行网格划分,网格划分情况见图3。采用最简单的Tet单元形状,单元类型设置为DC3D4E,利用Mesh功能可以将模型总共划分出201 289个小的网格单元,网格的最大尺寸是 0.04 m,把网格的最大生长率设定为1.05。

图3 接管模型的网格划分情况

2.3 边界条件设定

数值模拟时评价-1.1 V和-3.0 V两种电位下接管的阴极保护效果。考虑到接管在储罐中的实际情况,设定接管表面的初始温度为20 ℃,将含腐蚀缺陷点的接管表面看作阴极,施加-1.1 V或者-3.0 V的电位边界条件,给接管表面施加10 A的电流,模拟此时腐蚀缺陷点的电位与电流密度分布情况。

3 结果与讨论

3.1 腐蚀动力学参数确定

Q235钢的动电位极化曲线如图4所示。在原油采出液+3%NaCl溶液中,Q235钢处于活性溶解状态。Q235钢电化学阳极和阴极反应分别是阳极的金属溶解反应与阴极的吸氧腐蚀反应。

图4 Q235钢的动电位极化曲线

(1)

(2)

(3)

数值模拟需要确定边界条件相关的电化学参数,腐蚀电流密度、Tafel斜率以及腐蚀电位可以根据Cview软件直接拟合得出,但是平衡电位和交换电流密度无法直接拟合得出,需要进一步计算。对于同一个电极反应而言,其得失电子的能力可以通过交换电流密度来体现,能反映一个电极反应进行的难易程度。对于任意电池反应,其平衡电位及交换电流密度均可根据能斯特方程进行计算。通过动电位极化曲线拟合以及能斯特方程计算获得腐蚀动力学参数,计算结果见表2,可将其作为模拟软件边界条件进行数值模拟。

表2 腐蚀动力学参数

3.2 在-1.1 V下接管的阴极保护效果

在-1.1 V阴极保护电位下,缺陷点总的电位分布云图见图5,各缺陷点的电位分布云图见图6。此时设定的阴极保护电位为-1.1 V,选择的参比电极为甘汞电极,储罐接管处于阴极保护状态。由图5可知,接管表面腐蚀缺陷部位的外部电位变负,而缺陷内部的电位有升高的趋势,与缺陷点最顶部电位相比,缺陷点最底部电位较正。由于在腐蚀缺陷部位的阴极保护电位分布不均匀,使得接管上有腐蚀缺陷的部位不能得到完全有效的保护。当缺陷深度增加或缺陷宽度减小时,缺陷底部电位变正的趋势愈发明显,缺陷处的阴极保护效果变差。

图5 缺陷点总的电位分布云图

图6 各缺陷点的电位分布云图

图7是缺陷点总的电流密度分布云图,图8是各缺陷点的电流密度分布云图。观察不同缺陷部位的电流密度分布云图能够得出,虽然接管处于-1.1 V电位的阴极保护之下,但其电流密度的分布也不尽相同。由图8可知,缺陷开口部位电流密度较低,当缺陷深度不断地增加或者宽度越来越小时,缺陷内的电流密度不断变大。其中3号腐蚀缺陷点(宽度0.5 mm、深度10 mm)底部电流密度最大,阴极保护电流不易进入缺陷底部,阴极保护效果最差。

图7 缺陷点总的电流密度分布云图

图8 各缺陷点的电流密度分布云图

3.3 在-3.0 V下接管的阴极保护效果

在-3.0 V阴极保护电位下,缺陷点总的电位分布和电流密度分布云图分别见图9和图10。在-3.0 V阴极保护电位下,接管各腐蚀缺陷部位的外部电位较-1.1 V时更负。当缺陷深度增加或宽度减小时,缺陷底部电位正移的趋势更加明显。在-1.1 V阴极保护电位下,缺陷底部电位为-1.031 V;在-3.0 V阴极保护电位下,缺陷底部电位为-2.931 V;与-1.1 V条件下相比,在-3.0 V阴极保护电位下,缺陷部位底部的电位更低。因此,对接管设定更负的阴极保护电位,可降低接管腐蚀缺陷底部的电位,有助于提高缺陷底部的阴极保护效果。

图9 缺陷点总的电位分布云图

图10 缺陷点总的电流密度分布云图

在-1.1 V阴极保护电位下,缺陷底部电流密度为9.467×103A/m2;在-3.0 V阴极保护电位下,缺陷底部电流密度为7.209×103A/m2;与-1.1 V条件下相比,在-3.0 V阴极保护电位下,各缺陷底部电流密度均有所减小。这说明更负的阴极保护电位有助于降低腐蚀缺陷底部的电流密度,进而提高缺陷部位的阴极保护效果。在-1.1 V和-3.0 V阴极保护电位条件下,接管腐蚀缺陷部位电位分布与电流密度分布趋势基本一致,二者主要的区别只是在电位和电流密度数值上有所不同。

采用数值模拟的方法对接管腐蚀缺陷部位的阴极保护效果进行研究发现,阴极保护不能完全做到对管道腐蚀缺陷的有效防护。当缺陷部位变窄或变深时,缺陷部位的底部几乎没有阴极保护效果。除此之外,缺陷部位底部的腐蚀会不断向纵深发展,长此以往会对管道造成严重的腐蚀,导致管道发生腐蚀穿孔。腐蚀缺陷具有极大的隐患,影响到储罐接管的正常运作,必须引起重视,提早预防。

4 结 论

(1)ABAQUSCAE有限元分析软件可用于研究储罐接管腐蚀缺陷处的阴极保护效果。通过测试Q235钢在储罐腐蚀介质中的动电位极化曲线,可以拟合出储罐接管建模分析所需要的关键的腐蚀动力学参数。

(2)储罐接管腐蚀缺陷内的阴极保护效果与缺陷部位的形状、大小及深度有关。在腐蚀缺陷部位,阴极保护电位和电流密度分布不均匀,使得接管上有腐蚀缺陷的部位不能得到完全有效的保护。当腐蚀缺陷部位变窄或变深时,缺陷部位阴极保护电位变正,缺陷底部电流密度增加,缺陷对阴极保护的屏蔽作用增强,使阴极保护的效果变差。

(3)阴极保护不能完全做到对储罐接管腐蚀缺陷部位的有效防护。在不同的阴极保护电位条件下,腐蚀缺陷部位电位分布与电流密度分布规律相同。更负的阴极保护电位降低了各缺陷底部的电流密度,有助于提高缺陷部位的阴极保护效果。