腐蝕缺陷對儲罐接管陰極保護效果影響的數值模擬研究

魏 來, 趙亞忠

(1.中海石油技術檢測有限公司,天津 300452;2.東北石油大學機械科學與工程學院,黑龍江 大慶 163318)

在石油開采、儲運和加工過程中,儲罐是極其重要的基礎設施,其正常運轉至關重要。然而,在服役過程中,由于儲罐長期接觸原油以及其他腐蝕性介質,容易發生腐蝕,大大縮短了儲罐的服役壽命,情況嚴重時還會造成罐壁穿孔,引發原油泄漏,以致發生重大火災或爆炸事故,影響整個生產過程的正常運行。

接管是儲罐內部的重要組成部分,由于接管直接接觸原油采出液等腐蝕性介質,接管會出現不同程度的局部腐蝕,腐蝕嚴重時會發生穿孔泄漏,直接影響生產的安全運行。因此,開展對儲罐接管的防腐蝕技術研究,不僅能為儲罐的防腐蝕設計提供科學依據,而且對于減少由腐蝕造成的經濟損失及環境污染也具有重要意義。

陰極保護是阻止儲罐腐蝕的有效辦法,國內大型儲罐普遍采用了區域陰極保護技術。近年來,ANSYS有限元分析軟件、BEASYCP邊界元分析軟件和FLUENT流體模擬軟件等數值模擬軟件都已成功用于儲罐底板陰極保護系統的優化設計中[1-2]。通過數值模擬可獲取整個陰極保護系統的電位分布規律,實現陰極保護設計參數和方案的最優化。由于儲罐接管陰極保護電位檢測難度較大,其陰極保護效果評價較為困難;目前的研究還沒有涉及儲罐接管陰極保護的數值模擬。在常規管道陰極保護電位分布的研究中,有限元法的使用越來越廣。方江敏等[3]運用ANSYS有限元分析軟件對埋地鋼質管道電位進行了分析,分析了影響陰極保護電位分布的因素。孫吉星等[4]利用有限元法對不同年限的防腐涂層管道的陰極保護效果進行了數值模擬。雖然這些研究都得到了非常有益的結果,但關于腐蝕缺陷影響管道陰極保護效果的研究甚少。季廷偉等[5]采用COMSOL有限元模擬軟件研究了海水介質中X80管線鋼腐蝕缺陷處的陰極保護的有效性,為模擬腐蝕缺陷處的陰極保護效果提供了一種有效的方法。上述研究均沒有涉及儲罐接管腐蝕缺陷對陰極保護效果的影響,也沒有考慮到不同陰極保護電位的影響,更沒有涉及用ABAQUSCAE有限元分析軟件對腐蝕缺陷進行陰極保護效果模擬的相關研究。因此,掌握儲罐接管腐蝕缺陷部位的陰極保護電流密度及電位分布規律,確定合適的陰極保護類型,對于提高儲罐的安全系數具有重要的意義。

該文利用ABAQUSCAE有限元分析軟件進行儲罐接管建模,模擬腐蝕缺陷部位,對接管進行網格劃分,并基于電化學腐蝕試驗,通過測試接管在原油采出液中的極化曲線,擬合出接管建模所需要的邊界條件。研究局部電位、電流密度與腐蝕缺陷之間的關系,分析腐蝕缺陷對儲罐接管陰極保護效果的影響,為儲罐接管的防護提供了有效的指導。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

測試材料為Q235低碳鋼,屈服極限在235 MPa左右,其碳質量分數小于0.22%,由于含碳適中,其強度和塑性等綜合性能較好,用途比較廣泛。

1.2 腐蝕電化學測試

測量極化曲線可以獲得金屬腐蝕過程的動力學信息,如腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率等。腐蝕電化學測試時,采用三電極電解池,對電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極,工作電極為Q235鋼,采用原油采出液+3%NaCl溶液作為模擬儲罐腐蝕介質。根據電化學試樣要求,將測試材料裁成適合試驗使用的大小,測試前將試樣打磨光亮,選擇600號、800號、1000號和1200號水磨砂紙將試樣打磨平整,之后在拋光機上涂抹少量研磨膏,將水龍頭開至水滴呈滴落狀,對試樣進行拋光,使其表面成為鏡面,最后將拋光好的試樣用無水乙醇清洗,用吸水棉擦凈,用吹風機吹干。極化曲線測試前先使開路電位達到穩定狀態,用時約1 h。測量動電位極化曲線時,將掃描范圍設定為-0.6～0.8 V,掃描速率為0.5 mV/s。利用Cview軟件對極化曲線測試結果進行擬合分析,計算腐蝕動力學參數。

2 數值模擬

2.1 儲罐接管建模

采用ABAQUSCAE軟件對儲罐接管進行建模,該有限元數值模擬方法能夠有效地模擬接管管壁上任意形狀的缺陷部位,可以獲得缺陷點位內部更加精確的電位和電流分布。

儲罐接管表面的腐蝕缺陷見圖1,接管表面最具有代表性的腐蝕缺陷點呈現半橢球形。為了簡化有限元數值模擬,利用CATIA軟件制作出接管模型,在接管模型上設置4個缺陷點位,具體的模型見圖2。

圖1 儲罐接管表面的腐蝕缺陷

圖2 CATIA軟件繪制的接管模型

選擇具有代表性的腐蝕缺陷點,設置缺陷點的寬度與深度,具體的參數設定見表1。對于接管整體模型,設定接管長度為0.1 m,內徑為0.02 m,將每個缺陷點的位置間隔設置成0.02 m。

表1 接管腐蝕缺陷點的參數設定

2.2 網格劃分

采用ABAQUSCAE軟件進行有限元仿真,首先需要導入用CATIA軟件繪制的模型,對含腐蝕缺陷的接管進行網格劃分,網格劃分情況見圖3。采用最簡單的Tet單元形狀,單元類型設置為DC3D4E,利用Mesh功能可以將模型總共劃分出201 289個小的網格單元,網格的最大尺寸是 0.04 m,把網格的最大生長率設定為1.05。

圖3 接管模型的網格劃分情況

2.3 邊界條件設定

數值模擬時評價-1.1 V和-3.0 V兩種電位下接管的陰極保護效果。考慮到接管在儲罐中的實際情況,設定接管表面的初始溫度為20 ℃,將含腐蝕缺陷點的接管表面看作陰極,施加-1.1 V或者-3.0 V的電位邊界條件,給接管表面施加10 A的電流,模擬此時腐蝕缺陷點的電位與電流密度分布情況。

3 結果與討論

3.1 腐蝕動力學參數確定

Q235鋼的動電位極化曲線如圖4所示。在原油采出液+3%NaCl溶液中,Q235鋼處于活性溶解狀態。Q235鋼電化學陽極和陰極反應分別是陽極的金屬溶解反應與陰極的吸氧腐蝕反應。

圖4 Q235鋼的動電位極化曲線

(1)

(2)

(3)

數值模擬需要確定邊界條件相關的電化學參數,腐蝕電流密度、Tafel斜率以及腐蝕電位可以根據Cview軟件直接擬合得出,但是平衡電位和交換電流密度無法直接擬合得出,需要進一步計算。對于同一個電極反應而言,其得失電子的能力可以通過交換電流密度來體現,能反映一個電極反應進行的難易程度。對于任意電池反應,其平衡電位及交換電流密度均可根據能斯特方程進行計算。通過動電位極化曲線擬合以及能斯特方程計算獲得腐蝕動力學參數,計算結果見表2,可將其作為模擬軟件邊界條件進行數值模擬。

表2 腐蝕動力學參數

3.2 在-1.1 V下接管的陰極保護效果

在-1.1 V陰極保護電位下,缺陷點總的電位分布云圖見圖5,各缺陷點的電位分布云圖見圖6。此時設定的陰極保護電位為-1.1 V,選擇的參比電極為甘汞電極,儲罐接管處于陰極保護狀態。由圖5可知,接管表面腐蝕缺陷部位的外部電位變負,而缺陷內部的電位有升高的趨勢,與缺陷點最頂部電位相比,缺陷點最底部電位較正。由于在腐蝕缺陷部位的陰極保護電位分布不均勻,使得接管上有腐蝕缺陷的部位不能得到完全有效的保護。當缺陷深度增加或缺陷寬度減小時,缺陷底部電位變正的趨勢愈發明顯,缺陷處的陰極保護效果變差。

圖5 缺陷點總的電位分布云圖

圖6 各缺陷點的電位分布云圖

圖7是缺陷點總的電流密度分布云圖,圖8是各缺陷點的電流密度分布云圖。觀察不同缺陷部位的電流密度分布云圖能夠得出,雖然接管處于-1.1 V電位的陰極保護之下,但其電流密度的分布也不盡相同。由圖8可知,缺陷開口部位電流密度較低,當缺陷深度不斷地增加或者寬度越來越小時,缺陷內的電流密度不斷變大。其中3號腐蝕缺陷點(寬度0.5 mm、深度10 mm)底部電流密度最大,陰極保護電流不易進入缺陷底部,陰極保護效果最差。

圖7 缺陷點總的電流密度分布云圖

圖8 各缺陷點的電流密度分布云圖

3.3 在-3.0 V下接管的陰極保護效果

在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷點總的電位分布和電流密度分布云圖分別見圖9和圖10。在-3.0 V陰極保護電位下,接管各腐蝕缺陷部位的外部電位較-1.1 V時更負。當缺陷深度增加或寬度減小時,缺陷底部電位正移的趨勢更加明顯。在-1.1 V陰極保護電位下,缺陷底部電位為-1.031 V;在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷底部電位為-2.931 V;與-1.1 V條件下相比,在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷部位底部的電位更低。因此,對接管設定更負的陰極保護電位,可降低接管腐蝕缺陷底部的電位,有助于提高缺陷底部的陰極保護效果。

圖9 缺陷點總的電位分布云圖

圖10 缺陷點總的電流密度分布云圖

在-1.1 V陰極保護電位下,缺陷底部電流密度為9.467×103A/m2;在-3.0 V陰極保護電位下,缺陷底部電流密度為7.209×103A/m2;與-1.1 V條件下相比,在-3.0 V陰極保護電位下,各缺陷底部電流密度均有所減小。這說明更負的陰極保護電位有助于降低腐蝕缺陷底部的電流密度,進而提高缺陷部位的陰極保護效果。在-1.1 V和-3.0 V陰極保護電位條件下,接管腐蝕缺陷部位電位分布與電流密度分布趨勢基本一致,二者主要的區別只是在電位和電流密度數值上有所不同。

采用數值模擬的方法對接管腐蝕缺陷部位的陰極保護效果進行研究發現,陰極保護不能完全做到對管道腐蝕缺陷的有效防護。當缺陷部位變窄或變深時,缺陷部位的底部幾乎沒有陰極保護效果。除此之外,缺陷部位底部的腐蝕會不斷向縱深發展,長此以往會對管道造成嚴重的腐蝕,導致管道發生腐蝕穿孔。腐蝕缺陷具有極大的隱患,影響到儲罐接管的正常運作,必須引起重視,提早預防。

4 結 論

(1)ABAQUSCAE有限元分析軟件可用于研究儲罐接管腐蝕缺陷處的陰極保護效果。通過測試Q235鋼在儲罐腐蝕介質中的動電位極化曲線,可以擬合出儲罐接管建模分析所需要的關鍵的腐蝕動力學參數。

(2)儲罐接管腐蝕缺陷內的陰極保護效果與缺陷部位的形狀、大小及深度有關。在腐蝕缺陷部位,陰極保護電位和電流密度分布不均勻,使得接管上有腐蝕缺陷的部位不能得到完全有效的保護。當腐蝕缺陷部位變窄或變深時,缺陷部位陰極保護電位變正,缺陷底部電流密度增加,缺陷對陰極保護的屏蔽作用增強,使陰極保護的效果變差。

(3)陰極保護不能完全做到對儲罐接管腐蝕缺陷部位的有效防護。在不同的陰極保護電位條件下,腐蝕缺陷部位電位分布與電流密度分布規律相同。更負的陰極保護電位降低了各缺陷底部的電流密度,有助于提高缺陷部位的陰極保護效果。