导管架外加电流阴极保护系统无阳极屏蔽层的可行性研究

常 炜,孙 荣,于 湉,宋世德,黄一

(1. 中海石油(中国)有限公司北京研究中心，北京 100027； 2. 大连理工大学，大连 116024)

导管架外加电流阴极保护系统无阳极屏蔽层的可行性研究

常 炜1,孙 荣2,于 湉1,宋世德2,黄一2

(1. 中海石油(中国)有限公司北京研究中心，北京 100027； 2. 大连理工大学，大连 116024)

依据NACE-SP0176-2007规范，在外加电流阴极保护系统中，辅助阳极与结构物表面的距离不小于1.5 m，否则需要采用屏蔽层以防止过保护。在导管架外加电流阴极保护系统中，辅助阳极与导管架结构表面之间的距离是一个重要的参数，对阳极屏的使用与否有直接影响，也间接对阴极保护系统的造价和运行方案产生影响。通过阴极保护数值模拟计算技术，改变辅助阳极与导管架之间的距离，得到在无阳极屏蔽层并且不发生过保护的前提下，辅助阳极可以释放的最大电流，并通过实海试验予以了验证。数值模拟与试验结果均表明，针对辅助阳极与结构表面之间的不同距离条件控制辅助阳极的最大释放电流，不仅可以避免使用阳极屏蔽层带来一系列工程问题，而且能够为导管架外加电流阴极保护系统的优化设计提供重要依据。

外加电流阴极保护；阳极屏蔽层；保护距离；数值模拟

在导管架平台的防腐蚀问题中，需要针对海洋大气区、潮差区、海水全浸区以及海泥区等四个特征区域采用相应的防腐蚀技术和措施。其中，处于海水全浸区和海泥区的结构表面，通常采用阴极保护技术以达到防腐蚀目的。长期的工程实践表明，牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法是针对导管架平台实施阴极保护技术的有效措施。在外加电流阴极保护法中，通常要求采用较少数量的辅助阳极为结构表面提供充分的保护电流，以实现结构表面的充分保护，同时避免过保护现象的发生。

NACE-SP0176-2007规范规定，外加电流阴极保护系统中辅助阳极与结构表面之间的最小距离不小于1.5 m，否则需要采用阳极屏蔽层以防止过保护，且规范建议在外加电流阴极保护的设计中应采用数值模拟技术校核电位分布和辅助阳极布置的合理性。对于实际导管架，由于结构的复杂性和结构屏蔽，导致辅助阳极和结构表面之间的距离可能会小于规范的要求。考虑到阳极屏蔽层在实际工程中的不确定因素：传统的牺牲型涂料(富锌涂料)附着力低、涂层缺陷多、必须与面漆配套使用等局限性[1]，本工作采用实海大比尺导管架试验模型，研究辅助阳极距离结构表面的最小距离分别为1.0 m和1.5 m两种工况，在无阳极屏蔽层同时不出现过保护条件下辅助阳极能够释放的最大保护电流，采用阴极保护数值模拟计算技术对该试验模型的外加电流阴极保护系统进行数值模拟计算，分析导管架试验模型结构表面的保护电位分布状态，并通过模型试验结果验证数值模拟计算技术的实际工程适用性。

1　导管架试验模型外加电流阴极保护数值模拟

从20世纪70年代开始，各国研究人员开始将数值技术应用于阴极保护问题，曾先后采用有限差分法、有限元法和边界元法实现了阴极保护系统的数值模拟仿真计算[2-3]。其中，边界元法可将空间的维数降低一维，对于无限域问题，只需对内边界进行离散和给出内边界的边界条件，从而使复杂结构系统阴极保护问题的数值模拟计算的复杂程度大大降低[4]。

边界元法在海洋结构物阴极保护问题中的应用方面研究人员做了大量的工作，黄一[5-6]等对边界元法在阴极保护问题中的应用进行了深入研究，并将基于边界元法的数值模拟计算技术应用于船舶、半潜式海洋平台以及导管架等海洋结构物的阴极保护设计和校核。因此，运用数值模拟计算的方法来解决阴极保护方案设计问题已成为一种必然[7]。本工作使用大连理工大学开发的阴极保护数值模拟软件，以实海大比尺导管架试验模型为研究对象，模拟辅助阳极-导管架试验模型结构表面最小距离与辅助阳极最大释放电流的关系。

1.1边界元法数值模拟模型

实海大比尺导管架试验模型以恩平24-2导管架为原型，按照高度方向1∶15、水平方向1∶11的缩尺比制作，主尺度为5 840 mm(L)×5 600 mm(W)×7 840 mm(H)，最高吃水约7 500 mm，对应的结构湿表面积约270 m2。导管架试验模型与辅助阳极之间的距离分别为1.0 m和1.5 m，辅助阳尺寸为φ32 mm×1 220 mm，导管架试验模型的边界元数值模型如图1所示。

图1　导管架试验模型的边界元法数值模拟模型Fig. 1　The BEM numerical simulation model of the experimental model for a jacket platform

在导管架结构阴极保护系统中，结构表面的阴极极化特性受到温度、盐度、溶解氧、流速、pH、电导率等因素的影响[8]。因此，实验室中所测得的阴极极化曲线只能用于实验室环境中的阴极保护数值模拟，对于实海环境中导管架阴极保护系统的数值模拟，则必须采用导管架结构材料在相应实际环境中测得的极化曲线才能得到对应的模拟结果。表1为大连小平岛试验海域中使用Ag/AgCl参比电极测得的导管架试验模型结构材料的阴极极化特性参数。

表1　试验海域中Q235钢阴极极化特性数据Tab. 1　Cathodic polarization performance data of Q235 steel in the sea water

1.2数值模拟计算结果与分析

基于上述的边界元法数值模型和导管架试验模型结构材料在实海环境中的极化特性参数，针对辅助阳极与结构表面之间的最小距离分别为1.0 m和1.5 m两种工况进行数值模拟计算，导管架试验模型结构表面上保护电位分布的计算结果分别如图2和图3所示。

图2　最小距离为1.0 m时的数值模拟计算结果Fig. 2　Numerical simulation results for the smallest distance of 1.0 m

图3　最小距离为1.5 m时的数值模拟计算结果Fig. 3　Numerical simulation results for the smallest distance of 1.5 m

基于数值模拟得到的在无阳极屏蔽层的情况下导管架试验模型结构表面上的最低电位、最高电位以及辅助阳极释放总电流等方面的信息见表2。

根据数值模拟计算结果可知，在确保结构表面不发生过保护的前提下，随着辅助阳极与结构表面之间最小距离的增大，单只辅助阳极可以释放更大的电流，能够有效提高辅助阳极的工作效率，另一方面也增大了单个辅助阳极对导管架结构表面的有效保护范围。

表2　数值模拟保护电位、电流信息Tab. 2　Numerical simulation results of potential and current

2　实海大比尺导管架试验模型外加电流阴极保护试验

2.1试验概述

为了能够真实地模拟实际工程情况，试验场地选择大连海域，并通过大比尺导管架试验模型进行研究。试验模型如图4所示。

图4　导管架试验模型Fig. 4　Experimental model for the jacket platform

在实海大比尺导管架试验模型外加电流阴极保护试验中，直流电源采用FPS-2防爆变压整流器，辅助阳极采用φ32 mm×1 220 mm,能满足长寿命、大电流特性的混合金属氧化物阳极[9]，以及适合海水中使用的粉末压片法制成的Ag/AgCl参比电极[10]，参比电极电位通过数据采集设备获取。为了监测保护电位，在导管架试验模型结构表面上距离辅助阳极最近点处安装参比电极(称为近阳极参比电极)，该参比电极测量的电位值作为恒电位仪的反馈控制参量，用于控制辅助阳极的输出电流，最终使近阳极参比电极的电位稳定在设定的目标电位-1 100 mV(vs.Ag/AgCl)附近，此时可以得到当前距离下辅助阳极的最大输出电流。为了确保两次试验中导管架模型表面状态的一致性，防止导管架模型表面状态变化对试验结果产生影响，对导管架试验模型需尽快完成极化达到目标电位，获得数据。

2.2试验结果与讨论

图5为辅助阳极距导管架试验模型结构表面最近点距离为1.0 m时监测点的保护电位随时间变化曲线;图6为辅助阳极电流随时间变化曲线。对于当前导管架试验模型，在近阳极参比电极的测量电位不超过过保护电位下限值的前提下，在1.0 m距离条件下辅助阳极最大输出电流为33 A。

图7为辅助阳极距导管架试验模型结构表面最

图5　距离为1.0 m时保护电位变化曲线Fig. 5　Potential curve at the distance of 1.0 m

图6　距离为1.0 m时电流变化曲线Fig. 6　Current curve at the distance of 1.0 m

近点距离为1.5 m时，监测点的保护电位随时间变化曲线；图8为辅助阳极输出电流随时间变化曲线。对于当前导管架试验模型，在近阳极参比电极的测量电位不超过过保护电位的前提下，在1.5 m距离条件下辅助阳极最大输出电流为61 A。

图7　距离为1.5 m时保护电位变化曲线Fig. 7　Potential curve at the distance of 1.5 m

图8　距离为1.5 m时电流变化曲线Fig. 8　Current curve at the distance of 1.5 m

数值模拟计算与试验结果对比，见表3。由表3可见，导管架外加电流阴极保护系统特征参数的数值模拟计算结果与实测结果吻合良好。从而确认了导管架外加电流阴极保护系统数值模拟计算技术的实际工程适用性。

表3　数值模拟计算与试验实测结果对比Tab. 3　Comparison of numerical simulation and experimental results

3　结论

采用大比尺导管架试验模型，在实海环境中针对导管架外加电流阴极保护系统中无阳极屏蔽层的可行性进行了试验研究和数值模拟计算研究，得到如下结论：

(1) 针对导管架的阴极保护问题，无屏蔽层的外加电流阴极保护系统是可行的。以避免过保护现象为前提，在无阳极屏蔽层的条件下，需要确定辅助阳极与结构表面之间的最小距离和与之对应的最大输出电流。

(2) 导管架外加电流阴极保护系统的数值模拟计算技术具有充分的工程精度，可以采用数值模拟计算技术实现导管架外加电流阴极保护系统的优化设计。

(3) 在导管架外加电流阴极保护系统中，无需采用阳极屏蔽层，应用时可基于实际工程的具体需求确定辅助阳极与结构表面之间的最小距离，并采用数值模拟计算确定相应的单只辅助阳极的最大输出电流。

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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-)，讲师，博士，从事金属腐蚀与防护相关工作,13514119468,peterssd@163.com

TG174.41

A

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