基于數值模擬的海上平臺陰極保護系統的技術研究

余曉毅，趙赫，常煒，宋世德，黃一

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024）

基于數值模擬的海上平臺陰極保護系統的技術研究

余曉毅1，趙赫2，常煒1，宋世德2，黃一2

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024）

目的確認海上平臺外加電流陰極保護系統維修方案的可行性。

海洋平臺；外加電流陰極保護；腐蝕防護；耦合系統

在20世紀70，80年代，我國開始自主設計并建造各類海洋平臺，現有各類海洋平臺數量已達到200多座[1—3]，其中95%以上為固定式鋼制平臺。由于海洋平臺所處的環境惡劣，在多種物理、化學因素作用下時常發生鋼結構的腐蝕與破壞，為了確保海洋平臺在其服役期間的安全性，應采取相應的腐蝕防護措施[4—6]，陰極保護方法為海洋平臺結構提供了有效的腐蝕防護手段。常用的陰極保護方法有犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護兩種。

犧牲陽極保護法具有設計簡單、后期維護少、過保護風險小等優點[7]，為眾多海洋平臺所采用，但同時也帶來了平臺結構質量增加、環境污染、延壽成本高等問題。外加電流陰極保護系統具有質量輕、使用壽命長、環境友好、工作狀態可適應性調控等多方面優點[8]，無論是新建海洋平臺還是現役海洋平臺，外加電流陰極保護系統越來越受到重視。由于海洋平臺結構較為復雜，對外加電流陰極保護（ICCP）技術系統集成化程度要求比較高，因此相應的研究也比較少?，F役平臺延壽用外加電流陰極保護系統主要可分為拉伸式和遠地式兩種，拉伸式ICCP系統的輔助陽極一般位于平臺內部，在水中垂直分布；遠地式ICCP系統的輔助陽極一般集中位于遠離平臺的位置。數值模擬是評估陰極保護效果的有效方法[9—10]，因此文中主要針對海上某平臺開展兩種外加電流陰極保護系統耦合工況的數值模擬計算，分析確認兩種外加電流陰極保護系統耦合工況對平臺結構腐蝕防護的有效性。

1 系統原理及布置

外加電流陰極保護系統主要由整流器（電源）、多路控制系統、輔助陽極組成。遠地式ICCP系統的輔助陽極安裝于導管架平臺外，其布置如圖1所示（Retrobuoy2）。拉伸式ICCP系統（vertical tension anode ICCP system，VTA）的輔助陽極張緊懸掛于導管架內部，共2套，其布置如圖2所示（VTA #A與#B）。

圖1 遠地式ICCP系統布置

圖2 拉伸式ICCP系統布置

2 陰極保護系統數值計算方法

2.1 模擬計算工況

海洋平臺陰極保護的技術指標如下：依據DNV-RP-B401規范[11]，采用陰極保護電位（相對于Ag/AgCl參比電極，下同）范圍為-800 ～ -1100 mV，以避免過保護和欠保護。

距離目標平臺位置約70 m處有一套遠地式外加電流陰極保護系統為導管架提供保護。根據海洋平臺陰極保護系統的相關檢測和監測信息可以判斷，導管架結構表面目前處于良好的極化狀態，導管架所需保護電流約500 A。在該研究中，針對兩種工況開展數值模擬計算：新增拉伸式ICCP系統和一套遠地式ICCP系統同時工作；新增拉伸式ICCP系統獨立工作。

根據目標平臺目前及末期保護電流要求，數值模擬計算所采用的外加電流陰極保護系統的額定輸出電流見表1。

表1 目標平臺外加電流系統的額定輸出電流

每套新增拉伸式ICCP系統設置12個輔助陽極。

2.2 外加電流陰極保護數值模擬

外加電流陰極保護數值模擬采用邊界元法[12]，陰極保護問題的數學模型包括域內控制方程和對應的邊界條件。針對陰極保護問題特點，建立數值模型時提出以下假設：電解質在所研究區域內是均勻的；系統狀態不隨時間而變化，處于穩態。

在滿足上述假設情況下，電解質中存在場源時，可得到如式（1）所示的泊松方程。

通常假設電解質區域有以下三類邊界條件：邊界上的電位已知、邊界上的電流密度已知以及邊界上的電位和電流密度之間的關系已知。電解質區域聯合邊界條件的數學表達如式（2）所示。

通過加權殘差理論和格林定理，由式（1）和式（2）所描述的邊值數理問題轉變為等價的邊界積分方程，如式（3）所示。

在外加電流陰極保護系統中，電極表面電流密度q和輔助陽極發出電流Ik的平衡條件如式（4）所示。

利用邊界元法形成離散化的邊界積分方程組，如式（5）所示。

在邊界條件為材料極化曲線描述的邊界上，φ和q之間的關系是非線性的。為了有效地求解這個非線性方程組，可采用分段擬線性方法來處理非線性邊界條件。

依據邊界元法，大連理工大學黃一等人自主研發了邊界元陰極保護數值仿真軟件[12—13]。依此進行文中陰極保護數值仿真，對目標導管架平臺進行邊界元建模，如圖3所示。

圖3 導管架平臺邊界元建模

3 結果與分析

3.1 遠地式和新增拉伸式ICCP系統耦合工況

該導管架所處海域為中國南海，數值模擬的主要參數見表2。

表2 主要參數

針對上述工況一，即遠地式ICCP系統與新增拉伸式ICCP系統耦合工況進行數值模擬計算。通過調整新增拉伸式ICCP系統中每個輔助陽極的釋放電流，得到最佳保護狀態下該平臺結構的保護電位分布，如圖4所示。

圖4 遠地式ICCP系統與新增拉伸式ICCP系統耦合工況下平臺結構表面保護電位分布

系統耦合工況數值模擬計算結果顯示，導管架結構表面的保護電位處于－905 ～ －1089 mV范圍，因而平臺結構處于良好保護狀態，滿足相關規范[12]的要求，且是推薦的優良保護電位范圍（比－900 mV更負）。計算結果中，兩套新增拉伸式ICCP系統輸出電流均為187 A，遠地式外加電流系統輸出電流100 A，總輸出電流為474 A。

每套新增拉伸式外加電流陰極保護系統設置12個輔助陽極。由以上計算結果可知，在耦合工況下，單個輔助陽極僅需輸出電流16 A即可滿足陰極保護的要求。

3.2 新增拉伸式ICCP系統單獨工況

當遠地式ICCP系統失效時，將進入新增拉伸式ICCP系統獨立工況，針對該工況進行數值模擬計算。通過調整每個輔助陽極的釋放電流，得到最佳保護狀態下該平臺結構的保護電位分布，如圖5所示。

圖5 新增拉伸式ICCP系統獨立工況下平臺結構表面保護電位分布

新增兩套拉伸式ICCP系統獨立工況數值模擬計算結果顯示，導管架結構表面的保護電位處于－856 ～－1079 mV范圍，滿足相關規范[12]的要求。此時計算結果中新增兩套拉伸式ICCP系統輸出電流均為220 A，總輸出電流為440 A。在新增拉伸式ICCP系統獨立工況下，單個輔助陽極僅需輸出電流19 A即可滿足陰極保護的要求。

4 結論

針對某海上平臺外加電流陰極保護系統維修工程，開展了遠地式ICCP系統和新增拉伸式ICCP系統耦合工況以及新增ICCP系統獨立工況共兩種工況的數值模擬計算，確認了某海上平臺外加電流陰極保護系統維修方案的可行性，具體結論如下。

1）在目前一套遠地式ICCP系統處于正常工作狀態的情況下，可采用遠地式ICCP系統和新增拉伸式ICCP系統耦合工況實現平臺結構優良的陰極保護。

2）當遠地式ICCP系統失效時，僅憑新增的兩套拉伸式ICCP系統也可以實現優良的陰極保護效果。

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Technical Research on Cathode Protection System of Offshore Platform Based on Numerical Simulations

YU Xiao-yi1, ZHAO He2, CHANG Wei1, SONG Shi-de2, HUANG Yi2
(1.China National Offshore Oil Corporation Research Center, Beijing 100027, China; 2.Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

ObjectiveTo confirm the feasibility of maintenance scheme for Impressed Current Cathodic Protection (ICCP) of offshore platform.MethodsThe protection effectiveness of ICCP under two working conditions was compared and analyzed by numerical simulation computation.ResultsThe protective potential distribution of the platform structure was obtained when the ICCP was in the best protection state under the two working conditions.ConclusionWhen the remote type ICCP system is invalid, the maintenance scheme can provide cathodic protection well by adding two sets of tension type ICCP systems.

offshore platform; impressed current catholic protection; corrosion prevention; coupling system

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.016

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)02-0081-04

2017-01-18；

2017-02-10

十三五國家科技重大專項子任務（2016ZX05057012）

余曉毅（1986—），男，碩士，防腐工程師，主要研究方向為海洋工程防腐設計。

方法開展兩種工況下外加電流陰極保護作用效果的數值模擬計算，對比分析兩種工況下外加電流陰極保護系統對平臺結構腐蝕防護的有效性。

結果得到兩種工況下陰極保護系統處于最佳保護狀態時平臺結構的保護電位分布云圖。結論當遠地式外加電流陰極保護系統失效時，通過新增兩套拉伸式外加電流陰極保護系統可以實現優良的陰極保護效果。