基于外加电流阴极保护法的FPSO保护方案

2022-06-07封加全张学辉宋世德黄一

装备环境工程 2022年5期

封加全，张学辉，宋世德，黄一

（1.大连理工大学，辽宁大连 116024；2.上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

FPSO船体远离海岸作业，不能像其他船舶一样可以定期进入船坞维修、保养，其长期处于海水和盐雾环境中，受到周围介质的作用会产生长期的腐蚀。腐蚀会降低FPSO结构的力学性能，缩短其使用寿命。因此，对FPSO进行腐蚀防护显得十分重要。

目前，通常采用涂层和阴极保护并用的复合防护措施对FPSO进行腐蚀防护。牺牲阳极（SACP）和外加电流（ICCP）是阴极保护的2种方法。上述2种方法都是基于电化学腐蚀的防腐手段，其中外加电流阴极保护是国内外公认的防止钢质结构物腐蚀最环保、经济、有效的防腐措施。

在利用外加电流阴极保护系统对FPSO进行阴极保护时，FPSO水下结构表面电位的分布是评判阴极保护效果的重要指标。外加电流阴极保护系统中，对FPSO水下结构表面保护电位分布起决定性作用的参数有：辅助阳极数量、位置以及输出电流。为了实现目标FPSO保护效果好、后续运作成本低的目的，需借助计算机软件数值模拟技术来确定上述参数。

1 数学模型

1.1 控制方程

在海水环境中，FPSO上外加电流阴极保护系统产生电场的电位和电流密度满足式（1）：

式中：表示电流密度矢量；表示电位；表示海水电阻率。

电解质电场中微小体积元（ddd）各个方向上法向电流密度如图1所示。

图1 各方向电流密度Fig.1 Schematic diagram of current density in all directions

在任意时刻，微小体积元中的电流变化量为：

当外加电流阴极保护系统产生的电场达到平衡状态时，电流变化量=0。由电荷守恒原理可知，微小单元处于恒定状态，根据式（2）得到该电场域内的控制方程，见式（3）。

该控制方程即为外加电流阴极保护电场域内的拉普拉斯方程。

1.2 边界条件

外加电流阴极保护的边界条件一般为以下3类：

第一类边界条件，边界上的电位是已知值，见式（4）。

第二类边界条件，边界上的电流密度已知，见式（5）。

式中：为边界上的电流密度。

第三类边界条件，被保护结构边界上的电流密度与电位满足极化曲线，见式（6）。

用边界元法将上述控制方程转化为边界积分方程，再将边界条件代入到边界积分方程内。利用计算机边界元程序求解描述阴极保护电场的方程，从而可以计算得到被保护结构水下部分表面电位的分布。参数经优化后，可得到外加电流阴极保护系统的最佳设计参数。

2 相关参数

2.1 环境参数

目标FPSO在西非、墨西哥湾和巴西等地的热带海域作业，海水温度为27.5 ℃，海水盐度为3.639%，海水电导率为57.34 mS/cm，海水电阻率为0.174 Ω·m。

2.2 FPSO参数

FPSO船型参数见表1。

表1 FPSO船型参数Tab.1 FPSO vessel type parameters m

2.3 保护电位

目标FPSO水线以下表面的保护电位的取值为800~1 100 mV（vs.Ag/AgCl），湿表面积电位值与保护状态之间的关系见表2。

表2 湿表面积电位值与保护状态之间的关系Tab.2 Relationship between wet surface area potential and protective status

2.4 辅助阳极

以乙烯基酯树脂纤维增强材料作为辅助阳极的绝缘座，以具有更高电化学活性的钛基金属氧化物作为辅助阳极的阳极体，制成圆盘状钛基金属氧化物阳极（MMO阳极）对目标FPSO进行阴极保护。辅助阳极各参数见表3。

表3 辅助阳极参数Tab.3 Auxiliary anode parameters

2.5 涂层破损率

目标FPSO外表涂层会随着作业时间而出现破损，涂层破损率的计算见式（7）。

式中：为目标FPSO涂层破损率；、为涂层破损率系数，结合目标FPSO船型参数和作业环境，取=0.02，=0.012；为目标FPSO外表涂层的设计寿命。

2.6 阳极屏

在使用外加电流阴极保护系统对FPSO进行阴极保护时，考虑到辅助阳极附近区域过高的电位会引起FPSO船体表面涂层的剥离，以及要使得目标FPSO水下表面电位分布相对均匀，需在辅助阳极附近区域涂上耐剥离的阳极屏涂层。阳极屏尺寸参考式（8）。

式中：为阳极屏半径；为海水电阻率；为辅助阳极额定输出电流；为目标FPSO在海水中所需要的最低保护电位，取–0.8 V（vs.Ag/AgCI）；为阳极屏边缘距离辅助阳极中心处的涂层耐阴极剥离电位值。

3 数值模拟计算

采用大连理工大学船舶与海洋工程结构所自主研发的海洋工程阴极保护数值仿真系统——CPVS软件，对目标FPSO进行外加电流阴极保护数值模拟计算。CPVS软件基于边界元法（BEM）开发，该方法以拉普拉斯方程为基础，建立边界积分方程，并结合插值、离散等方法求解方程，其克服了有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）数据准备量大的缺陷，尤其适用于海洋工程结构物的腐蚀数值模拟计算。

根据目标FPSO型线图，建立设计水线以下主船体几何模型和边界元模型，如图2所示。其中，水线以下主船体面积为35 207 m，边界元模型采用实体三角形单元，单元数目为36714个。

图2 目标FPSO设计水线以下主体几何模型与边界元模型Fig.2 Geometric model and boundary element model of main body below design waterline of target FPSO

3.1 初步方案数值模拟验证

根据船型及相关参数，结合挪威船级社（DNV）阴极保护规范，目标FPSO外加电流阴极保护初步方案为：左右舷侧对称设置共6个辅助阳极，如图3所示。图3中，深色部分为辅助阳极的阳极屏区域，计算得到阳极屏的半径为6 m，各个辅助阳极布置在阳极屏区域的中心位置，各辅助阳极位置（船舶坐标系下）以及初期输出电流见表4。

图3 目标FPSO外加电流阴极保护初步方案Fig.3 Schematic diagram of the initial scheme of impressed current cathodic protection of target FPSO

表4 初步方案各辅助阳极位置及输出电流信息Tab.4 Preliminary scheme of each auxiliary anode position and output current information

目标FPSO船体外壳所需的电流密度根据DNV阴极保护规范规定的涂层破损系数进行计算，分别计算FPSO服役初期、中期和末期的腐蚀防护状态，验证初步方案是否满足设计要求。目标FPSO末期外加电流阴极保护初步方案数值模拟的结果如图4所示。此时，目标FPSO水下表面电位为782~1 129 mV，阳极屏附近船体外壳出现过保护区域，从而对船体涂层造成剥蚀；船尾处和船底部分区域出现欠保护区域，不能达到保护效果。故初步方案不能使得目标PFSO水线以下主船体在全寿命期内都处于全保护状态，需对方案进行优化。

图4 FPSO船体外壳阴极保护初步方案末期保护电位分布云图Fig.4 Distribution cloud map of the end of preliminary scheme of cathodic protection of FPSO hull

3.2 优化方案

在3.1小节初步方案的基础上，对腐蚀防护方案进行优化。初步方案中6个阳极到保护末期，由于单个阳极输出电流过大，导致阳极屏周围电位超过设计保护电位，船尾处也由于涂层破损增大而得不到更好的保护，因此优化方案中增加1对辅助阳极，共设置8个辅助阳极，如图5所示。同时将阳极屏半径由6 m增加到6.5 m，以保证末期阳极屏周围的电位不超过船体表面涂层的耐阴极剥离电位值。

图5 目标FPSO外加电流阴极保护优化方案Fig.5 Schematic diagram of optimization scheme for impressed current cathodic protection of target FPSO

在CPVS软件里重新输入阳极位置、输出电流等信息，按照如图6所示流程进行数值模拟计算。经过反复优化参数与计算，最终得到了使得目标FPSO在全寿命期内都处于保护状态的最优保护参数，各辅助阳极位置信息见表5。初期，1—8号辅助阳极输出电流分别为6、6、6、7、6、6、6、7 A，阴极保护系统总的输出电流为50 A，目标FPSO水下部分主船体保护良好，电位分布在991~1 016 mV，电位云图如图7所示。随着时间推移，FPSO船体外表面涂层将逐渐出现破损。为达到设计的保护电位需求，各个阳极的输出电流将逐步增加，1—8号阳极输出电流分别以4.3、4.2、4.2、4.6、4.3、4.2、4.2、4.6 A/a的变化率线性增加。初期、中期和末期各阳极输出电流见表6。到末期，目标FPSO水下部分主船体保护状态仍然良好，电位分布在814~1 099 mV，电位云图如图8所示。