導管架外加電流陰極保護系統無陽極屏蔽層的可行性研究

常 煒,孫 榮,于 湉,宋世德,黃一

(1. 中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100027； 2. 大連理工大學，大連 116024)

導管架外加電流陰極保護系統無陽極屏蔽層的可行性研究

常 煒1,孫 榮2,于 湉1,宋世德2,黃一2

(1. 中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100027； 2. 大連理工大學，大連 116024)

依據NACE-SP0176-2007規范，在外加電流陰極保護系統中，輔助陽極與結構物表面的距離不小于1.5 m，否則需要采用屏蔽層以防止過保護。在導管架外加電流陰極保護系統中，輔助陽極與導管架結構表面之間的距離是一個重要的參數，對陽極屏的使用與否有直接影響，也間接對陰極保護系統的造價和運行方案產生影響。通過陰極保護數值模擬計算技術，改變輔助陽極與導管架之間的距離，得到在無陽極屏蔽層并且不發生過保護的前提下，輔助陽極可以釋放的最大電流，并通過實海試驗予以了驗證。數值模擬與試驗結果均表明，針對輔助陽極與結構表面之間的不同距離條件控制輔助陽極的最大釋放電流，不僅可以避免使用陽極屏蔽層帶來一系列工程問題，而且能夠為導管架外加電流陰極保護系統的優化設計提供重要依據。

外加電流陰極保護；陽極屏蔽層；保護距離；數值模擬

在導管架平臺的防腐蝕問題中，需要針對海洋大氣區、潮差區、海水全浸區以及海泥區等四個特征區域采用相應的防腐蝕技術和措施。其中，處于海水全浸區和海泥區的結構表面，通常采用陰極保護技術以達到防腐蝕目的。長期的工程實踐表明，犧牲陽極保護法和外加電流陰極保護法是針對導管架平臺實施陰極保護技術的有效措施。在外加電流陰極保護法中，通常要求采用較少數量的輔助陽極為結構表面提供充分的保護電流，以實現結構表面的充分保護，同時避免過保護現象的發生。

NACE-SP0176-2007規范規定，外加電流陰極保護系統中輔助陽極與結構表面之間的最小距離不小于1.5 m，否則需要采用陽極屏蔽層以防止過保護，且規范建議在外加電流陰極保護的設計中應采用數值模擬技術校核電位分布和輔助陽極布置的合理性。對于實際導管架，由于結構的復雜性和結構屏蔽，導致輔助陽極和結構表面之間的距離可能會小于規范的要求。考慮到陽極屏蔽層在實際工程中的不確定因素：傳統的犧牲型涂料(富鋅涂料)附著力低、涂層缺陷多、必須與面漆配套使用等局限性[1]，本工作采用實海大比尺導管架試驗模型，研究輔助陽極距離結構表面的最小距離分別為1.0 m和1.5 m兩種工況，在無陽極屏蔽層同時不出現過保護條件下輔助陽極能夠釋放的最大保護電流，采用陰極保護數值模擬計算技術對該試驗模型的外加電流陰極保護系統進行數值模擬計算，分析導管架試驗模型結構表面的保護電位分布狀態，并通過模型試驗結果驗證數值模擬計算技術的實際工程適用性。

1　導管架試驗模型外加電流陰極保護數值模擬

從20世紀70年代開始，各國研究人員開始將數值技術應用于陰極保護問題，曾先后采用有限差分法、有限元法和邊界元法實現了陰極保護系統的數值模擬仿真計算[2-3]。其中，邊界元法可將空間的維數降低一維，對于無限域問題，只需對內邊界進行離散和給出內邊界的邊界條件，從而使復雜結構系統陰極保護問題的數值模擬計算的復雜程度大大降低[4]。

邊界元法在海洋結構物陰極保護問題中的應用方面研究人員做了大量的工作，黃一[5-6]等對邊界元法在陰極保護問題中的應用進行了深入研究，并將基于邊界元法的數值模擬計算技術應用于船舶、半潛式海洋平臺以及導管架等海洋結構物的陰極保護設計和校核。因此，運用數值模擬計算的方法來解決陰極保護方案設計問題已成為一種必然[7]。本工作使用大連理工大學開發的陰極保護數值模擬軟件，以實海大比尺導管架試驗模型為研究對象，模擬輔助陽極-導管架試驗模型結構表面最小距離與輔助陽極最大釋放電流的關系。

1.1邊界元法數值模擬模型

實海大比尺導管架試驗模型以恩平24-2導管架為原型，按照高度方向1∶15、水平方向1∶11的縮尺比制作，主尺度為5 840 mm(L)×5 600 mm(W)×7 840 mm(H)，最高吃水約7 500 mm，對應的結構濕表面積約270 m2。導管架試驗模型與輔助陽極之間的距離分別為1.0 m和1.5 m，輔助陽尺寸為φ32 mm×1 220 mm，導管架試驗模型的邊界元數值模型如圖1所示。

圖1　導管架試驗模型的邊界元法數值模擬模型Fig. 1　The BEM numerical simulation model of the experimental model for a jacket platform

在導管架結構陰極保護系統中，結構表面的陰極極化特性受到溫度、鹽度、溶解氧、流速、pH、電導率等因素的影響[8]。因此，實驗室中所測得的陰極極化曲線只能用于實驗室環境中的陰極保護數值模擬，對于實海環境中導管架陰極保護系統的數值模擬，則必須采用導管架結構材料在相應實際環境中測得的極化曲線才能得到對應的模擬結果。表1為大連小平島試驗海域中使用Ag/AgCl參比電極測得的導管架試驗模型結構材料的陰極極化特性參數。

表1　試驗海域中Q235鋼陰極極化特性數據Tab. 1　Cathodic polarization performance data of Q235 steel in the sea water

1.2數值模擬計算結果與分析

基于上述的邊界元法數值模型和導管架試驗模型結構材料在實海環境中的極化特性參數，針對輔助陽極與結構表面之間的最小距離分別為1.0 m和1.5 m兩種工況進行數值模擬計算，導管架試驗模型結構表面上保護電位分布的計算結果分別如圖2和圖3所示。

圖2　最小距離為1.0 m時的數值模擬計算結果Fig. 2　Numerical simulation results for the smallest distance of 1.0 m

圖3　最小距離為1.5 m時的數值模擬計算結果Fig. 3　Numerical simulation results for the smallest distance of 1.5 m

基于數值模擬得到的在無陽極屏蔽層的情況下導管架試驗模型結構表面上的最低電位、最高電位以及輔助陽極釋放總電流等方面的信息見表2。

根據數值模擬計算結果可知，在確保結構表面不發生過保護的前提下，隨著輔助陽極與結構表面之間最小距離的增大，單只輔助陽極可以釋放更大的電流，能夠有效提高輔助陽極的工作效率，另一方面也增大了單個輔助陽極對導管架結構表面的有效保護范圍。

表2　數值模擬保護電位、電流信息Tab. 2　Numerical simulation results of potential and current

2　實海大比尺導管架試驗模型外加電流陰極保護試驗

2.1試驗概述

為了能夠真實地模擬實際工程情況，試驗場地選擇大連海域，并通過大比尺導管架試驗模型進行研究。試驗模型如圖4所示。

圖4　導管架試驗模型Fig. 4　Experimental model for the jacket platform

在實海大比尺導管架試驗模型外加電流陰極保護試驗中，直流電源采用FPS-2防爆變壓整流器，輔助陽極采用φ32 mm×1 220 mm,能滿足長壽命、大電流特性的混合金屬氧化物陽極[9]，以及適合海水中使用的粉末壓片法制成的Ag/AgCl參比電極[10]，參比電極電位通過數據采集設備獲取。為了監測保護電位，在導管架試驗模型結構表面上距離輔助陽極最近點處安裝參比電極(稱為近陽極參比電極)，該參比電極測量的電位值作為恒電位儀的反饋控制參量，用于控制輔助陽極的輸出電流，最終使近陽極參比電極的電位穩定在設定的目標電位-1 100 mV(vs.Ag/AgCl)附近，此時可以得到當前距離下輔助陽極的最大輸出電流。為了確保兩次試驗中導管架模型表面狀態的一致性，防止導管架模型表面狀態變化對試驗結果產生影響，對導管架試驗模型需盡快完成極化達到目標電位，獲得數據。

2.2試驗結果與討論

圖5為輔助陽極距導管架試驗模型結構表面最近點距離為1.0 m時監測點的保護電位隨時間變化曲線;圖6為輔助陽極電流隨時間變化曲線。對于當前導管架試驗模型，在近陽極參比電極的測量電位不超過過保護電位下限值的前提下，在1.0 m距離條件下輔助陽極最大輸出電流為33 A。

圖7為輔助陽極距導管架試驗模型結構表面最

圖5　距離為1.0 m時保護電位變化曲線Fig. 5　Potential curve at the distance of 1.0 m

圖6　距離為1.0 m時電流變化曲線Fig. 6　Current curve at the distance of 1.0 m

近點距離為1.5 m時，監測點的保護電位隨時間變化曲線；圖8為輔助陽極輸出電流隨時間變化曲線。對于當前導管架試驗模型，在近陽極參比電極的測量電位不超過過保護電位的前提下，在1.5 m距離條件下輔助陽極最大輸出電流為61 A。

圖7　距離為1.5 m時保護電位變化曲線Fig. 7　Potential curve at the distance of 1.5 m

圖8　距離為1.5 m時電流變化曲線Fig. 8　Current curve at the distance of 1.5 m

數值模擬計算與試驗結果對比，見表3。由表3可見，導管架外加電流陰極保護系統特征參數的數值模擬計算結果與實測結果吻合良好。從而確認了導管架外加電流陰極保護系統數值模擬計算技術的實際工程適用性。

表3　數值模擬計算與試驗實測結果對比Tab. 3　Comparison of numerical simulation and experimental results

3　結論

采用大比尺導管架試驗模型，在實海環境中針對導管架外加電流陰極保護系統中無陽極屏蔽層的可行性進行了試驗研究和數值模擬計算研究，得到如下結論：

(1) 針對導管架的陰極保護問題，無屏蔽層的外加電流陰極保護系統是可行的。以避免過保護現象為前提，在無陽極屏蔽層的條件下，需要確定輔助陽極與結構表面之間的最小距離和與之對應的最大輸出電流。

(2) 導管架外加電流陰極保護系統的數值模擬計算技術具有充分的工程精度，可以采用數值模擬計算技術實現導管架外加電流陰極保護系統的優化設計。

(3) 在導管架外加電流陰極保護系統中，無需采用陽極屏蔽層，應用時可基于實際工程的具體需求確定輔助陽極與結構表面之間的最小距離，并采用數值模擬計算確定相應的單只輔助陽極的最大輸出電流。

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Feasibility Study of Impressed Current Cathodic Protection without Anode Shields

CHANG Wei1, SUN Rong2, YU Tian1, SONG Shi-de2, HUANG Yi2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China; 2. Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

According to NACE-SP0176-2007, impressed current anodes should be located usually in a minimum distance of 1.5 m from any structure member, or anode shields should be used in case of overprotection. During the impressed current corrosion design of a jacket, the design distance between the anode and the structure is an important parameter, and has a direct effect on whether to use the anode shields or not. It also brings indirect effects on the manufacturing cost and the operating scheme. With the methods of numerical simulation, the design distance between the anode and the nearest structure was changed to get the maximum current without the anode shields. The numerical simulation and experiment showed that the method could not only avoid a range of engineering problems with the use of anode shields, but also provide an important reference for optimizing the design of the jacket corrosion protection system.

impressed current cathodic protection; anode shield; protecting distance; numerical simulation

10.11973/fsyfh-201510017

2014-10-24

宋世德(1974-)，講師，博士，從事金屬腐蝕與防護相關工作,13514119468,peterssd@163.com

TG174.41

A

1005-748X(2015)10-0982-04