基于COMSOL的導管架平臺陰極保護研究

摘 要：犧牲陽極陰極保護技術是防止海洋平臺腐蝕的一種可靠手段。該文以導管架平臺為研究對象，選取DNV設計準則，確定犧牲陽極的數(shù)量及相關布置，設計一套可靠的犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)方案。借助數(shù)值仿真技術，通過研究導管架表面電位分布及腐蝕速率的變化來探究服役期間導管架平臺陰極保護效果隨陽極溶解的變化。

關鍵詞：犧牲陽極；陰極保護；COMSOL；保護電位；腐蝕電流密度

中圖分類號：P752 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0008-05

Abstract： Sacrificial anode cathodic protection technology is a reliable means to prevent corrosion of offshore platforms. In this paper， taking the jacket platform as the research object， selecting DNV design criteria， determining the number and related layout of sacrificial anodes， and designing a reliable sacrificial anode cathodic protection system scheme. With the help of numerical simulation technology， the change of cathodic protection effect of the jacket platform with anodic dissolution during service was explored by studying the changes in potential distribution on the jacket surface and corrosion rate.

Keywords： sacrificial anode; cathodic protection; COMSOL; protective potential; corrosion current density

處于海洋環(huán)境中的導管架平臺主要分為5個不同的腐蝕區(qū)域，包括海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底海泥區(qū)[1-2]。對于處于不同區(qū)域的導管架平臺結構，會采取不同的防腐措施。目前大多數(shù)采取的防腐措施是：在海水全浸區(qū)和海底海泥區(qū)采取陰極保護和基礎涂層結合，在其他區(qū)域采用多層涂層防護。陰極保護主要可以分為犧牲陽極陰極保護技術和外加電流陰極保護技術[3-4]。犧牲陽極陰極保護技術具有技術成熟、施工簡單的優(yōu)點。在安裝固定好犧牲陽極后，導管架設計壽命內，不需要根據海洋環(huán)境的變化對其進行調整，較為方便[5]。因此，從目前海洋平臺實際應用而言，在海水全浸區(qū)與海底海泥區(qū)多采用犧牲陽極陰極保護技術方法。

應用數(shù)值算法進行陰極保護輔助設計已經有很長時間的發(fā)展歷史，1983年Danso和Warne第一次采用“邊界元法”這一名稱對其在陰極保護設計上應用的原理進行論述，并報導了應用邊界元法的現(xiàn)代設計方法對英國北海油田某一采油平臺進行陰極保護系統(tǒng)設計的成功應用[6]。年繼業(yè)等[7]以作業(yè)于南海的某水下管匯犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)為研究對象，通過邊界元數(shù)值模擬方法，對某水下管匯犧牲陽極布置進行優(yōu)化，獲得水下管匯各犧牲陽極的輸出電流基本一致的優(yōu)化方案。Parsa等[8]利用有限元法模擬了油井套管陰極保護電位模擬分布，研究確定了不同土壤電導率的最佳外加電流密度。蘭志剛等[9]在2010年以邊界算法為基礎，對導管架平臺陰極保護系統(tǒng)進行數(shù)值模擬計算，并且還總結了一些數(shù)值模擬技術的實際應用（主要是針對陰極保護和腐蝕預測問題）。2020年李杰等[10]針對海上風電平臺水下導管架及支撐鋼管樁基礎的防腐保護，提出一種新的陰極保護方案，該方案引入遠地式犧牲陽極地床，采取CP Master模擬軟件進行分析，通過有限元分析和數(shù)值模擬來評價其陰極保護效果。2021年周冰等[11]利用 BEASY CP 數(shù)值模擬軟件，比較不同方案下犧牲陽極輸出總電流，得出了最優(yōu)的犧牲陽極數(shù)量、組合方式和位置，從而實現(xiàn)保護電位分布更均勻。

本文的主要工作是以導管架平臺為研究對象，依據DNV設計準則，確定犧牲陽極的數(shù)量及相關布置，設計了一套可靠的犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)方案。應用COMSOL軟件建立導管架平臺犧牲陽極的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬表面保護電位分布情況并評估保護期內陰極保護效果。

1 平臺結構及犧牲陽極設計

1.1 平臺結構

導管架平臺為四腿導管架平臺，所處水深為25 m，入泥深度50 m。導管架一共分為3層，每層的標高分別為EL.（+）18.0 m、EL.（+）31 m、EL.（+）40 m。主體結構如圖1所示。

圖1 導管架平臺結構圖

1.2 犧牲陽極布置

基于DNV規(guī)范[12-13]，經過計算，需要在導管架上布置64個犧牲陽極塊。由于導管架的結構對稱性，為了減小后續(xù)計算量，僅在導管架的1/4上進行布置，即布置16個陽極塊。為了保證每個陽極進行有效的電流輸出，陽極間應該保持合適的間距，一般陽極間的間距不小于陽極的兩鐵腳間長，也就是2 500 mm。

具體陽極參數(shù)[14-15]結構圖如圖2所示，參數(shù)見表1，陽極布置情況及各陽極標號如圖3所示。

2 數(shù)值建模

2.1 電化學原理

建模設定所處區(qū)域空氣、海水、海泥介質均勻且不隨時間變化，電解質電荷守恒模型[10-11]如式（1）所示

， （1）

式中：il為電解質電流密度；？滓l為電解質電導率；？準l為電解質電位。

陽極反應僅考慮陽極的鋁陽極氧化和鋼鐵的氧化反應，陰極反應為溶解氧還原，不同涂層情況鋼表面還原反應受到極限擴散電流密度限制，將其設為受涂層擊穿系數(shù)和保護時間的函數(shù)，鋁陽極極化取線性極化關系，鐵氧化和氧還原極化為塔菲爾極化關系[12-13]，極化關系如式（2）—（4）所示

式中：iX和i為電極電流密度和電極交換電流密度；EX為電極平衡電位；？漬s為電極表面電位；？琢a和？琢c為過電位對氧化反應和還原反應活化能的影響系數(shù)；F為法拉第常數(shù)；R為氣體平衡常數(shù)；T為開氏溫度；AX為電極反應塔菲爾斜率。

2.2 模型建立

將在SolidWorks中建成的導管架模型導入COMSOL軟件中，利用COMSOL軟件對目標導管架設定邊界條件、材料屬性，并且采用合適的網格劃分，隨后進行數(shù)值仿真操作。為了減少計算量，對導管架進行差集操作，對導管架的1/4進行研究，如圖4所示。采用自由四面體網格對模型進行網格劃分，劃分結果如圖5所示。

3 模擬結果與分析

導管架的大氣區(qū)主要靠防銹漆涂層進行保護，海水全浸區(qū)靠基礎3LPE涂層和犧牲陽極發(fā)出的電流進行保護[16-18]。對于海泥區(qū)，主要靠較高的管道厚度腐蝕余量設計x7pykbelntt6054rjNs8Zw==。同時部分保護電流經由陽極、海水、海泥，再流入導管架海泥區(qū)，提供附加保護[19]。

圖6為犧牲陽極保護0 a、20 a時，導管架海水全浸區(qū)與海底海泥區(qū)表面的電位分布。從圖6中可以看出，在靠近陽極塊的地方，導管架表面電位顏色較深，電位值較負。在正對陽極塊的地方，為表面電位最負值。而在腿柱與斜撐的焊接處，顏色較淺，導管架表面電位較正。在整個使用年限內，整體保護電位都低于-0.8 V，達到完全保護。圖7為保護初末期犧牲陽極的形狀對比圖，末期陽極半徑減小，但沒有出現(xiàn)鋼芯暴露。圖8顯示了安裝在腿柱不同標高下的4個陽極塊腐蝕速率隨時間的變化?？拷撞亢Ｄ嗟年枠O塊腐蝕速率較大，這是由于泥下部分面積依靠底部陽極保護，因此靠近底部陽極消耗更快，越到保護末期，陽極半徑越小，對應的厚度減小越快?？梢愿鶕M結果，適當增加底部陽極的尺寸。

圖9為不同時期導管架表面電位隨水深分布圖，可知隨時間增加，全水深保護電位均有所降低，水下區(qū)域電位隨距離陽極塊遠近呈現(xiàn)波動，海底海泥區(qū)因為無陽極塊安裝，所以電位趨于一致。

圖9 不同時期導管架表面電位隨水深分布圖

圖9進一步說明了導管架保護電位隨深度及時間的變化。在水深0 m以下代表著海底海泥區(qū)表面電位隨水深的變化情況，右邊0 m以上代表海水全浸區(qū)表面電位隨水深的變化情況。隨著時間增大，導管架的整體電位逐漸正移，說明陽極的保護效果逐漸降低。由于鋼結構受到有效保護的表面電位在-0.80～-1.05 V范圍內，設定y軸最大值為-0.80 V，因此，曲線某點電位不超出y軸上限，則說明該點受到有效保護。隨著時間增加，導管架表面保護電位逐漸正移。這是因為隨著保護年限的增加，涂層擊穿效應會導致表面需要的保護電流增加，同時在服役過程中陽極尺寸不斷縮小，而陽極的發(fā)射電流與其等效半徑成反比，即半徑越小，發(fā)射電流越小，從而降低了犧牲陽極的整體保護效果，

4 結論

采用DNV陰極保護設計規(guī)范，為所處水深25 m、入泥深度50 m的導管架平臺設計了一套犧牲陽極陰極保護方案，并利用COMSOL軟件對模型進行數(shù)值仿真分析。

1）根據規(guī)范設計安裝的海水區(qū)犧牲陽極，可以對海洋大氣區(qū)和海底海泥區(qū)提供附加保護，涂層無破損的情況下，在使用年限內能保證安全。

2）靠近樁腿底部的陽極消耗較快，這是由于泥下部分面積無附加涂層，需依靠底部陽極保護，因此底部陽極消耗更快，設計時可以根據模擬結果，適當增加底部陽極的尺寸。

3）在整個保護年限內，導管架整體電位逐漸正移，陰極保護效果逐漸降低。一方面是因為陽極尺寸不斷縮小，陽極發(fā)生電流降低；另一方面也是因為涂層的擊穿效應，表面需要的保護電流隨年限增加而增大所致。

4）COMSOL的仿真結果可以作為計算機輔助設計手段，用于初步設計和后續(xù)條件改變后的犧牲陽極陰極保護方案改造的參考。

參考文獻：

[1] 孫榮.導管架平臺外加電流陰極保護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學，2015.

[2] 余曉毅，趙赫，常煒，等.基于數(shù)值模擬的海上平臺陰極保護系統(tǒng)的技術研究[J].裝備環(huán)境工程，2017，14（2）：81-4.

[3] 繆燦亮，王海勇，王思.海洋平臺的腐蝕現(xiàn)狀和防護措施[J].全面腐蝕控制，2013，27（1）：22-4，62.

[4] 郭宇.船舶與海洋結構物陰極保護電位數(shù)值仿真與優(yōu)化設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[5] 官自超，趙繼忠，郭文熹，等.“綠色”電化學陰極保護研究進展[J].廈門大學學報（自然科學版），2020，59（5）：767-77.

[6] 顏東洲，黃海，李春燕.國內外陰極保護技術的發(fā)展和進展[J].全面腐蝕控制，2010，24（3）：18-21.

[7] 年繼業(yè)，姜福洪，印坤，等.水下輸油管匯犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化[J].腐蝕與防護，2020，41（4）：49-53.

[8] PARSA M H， ALLAHKARAM S R， GHOBADI A H. Simulation of cathodic protection potential distributions on oil well casings[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，72（3-4）：215-219.

[9] 蘭志剛，侯保榮，王在峰，等.基于邊界元技術的導管架陰極保護數(shù)值仿真研究[J].中國造船，2010，51（2）：530-536.

[10] 李杰，駱忠江，戴慰慰，等.一種基于遠地式犧牲陽極地床的陰極保護方案[J].船舶工程，2020，42（S1）：505-507.

[11] 周冰，趙玉飛，張盈盈，等.在役海洋樁基平臺犧牲陽極陰極保護數(shù)值模擬[J].裝備環(huán)境工程，2021，18（1）：110-118.

[12] Cathodic Protection of Subsea Pipelines by Galvanic Anodes：DNVGL-RP-F103-2016[S].2016.

[13] Cathodic protection design：DNVGL-RP-B401-2017[S].2017.

[14] KIM Y S， KIM J， CHOI D，et al. Optimizing the sacrificial anode cathodic protection of the rail canal structure in seawater using the boundary element method[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements， 2017（77）：36-48.

[15] 范嘉堃，羅曉蘭，段夢蘭，等.深水水下生產系統(tǒng)陰極保護系統(tǒng)設計[J].腐蝕與防護，2014，35（3）：277-281.

[16] ZHAO Y T， LI W L， XUAN X Y， et al. The evaluation on the protection performance of high temperature sacrificial anode for ABS A steels in H[J]. Anti-Corrosion Methods and Materials， 2023，70（6）：393-401.

[17] 孫海礁，葛寶玉，劉強，等.犧牲陽極對20號管線鋼內腐蝕的陰極保護效果及影響因素[J].腐蝕與防護，2022，43（1）：24-30，43.

[18] ALLAHAR K N， ORAZEM M E. On the extension of CP models to address cathodic protection under a delaminated coating[J]. Corrosion Science，2009，51（5）：962-970.

[19] 方翔，張東方，范志宏，等.海泥電阻率對鋼管樁陰極保護效果影響的數(shù)值模擬研究[J].材料保護，2021，54（3）：40-45.